聚結(jié)元件性質(zhì)對水-柴油混合液聚結(jié)分離效果的影響

張　哲，王日杰，楊曉霞

作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，柴油在我國有著廣泛的應(yīng)用。柴油本身含水量極低，但在存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)倪^程中有可能會(huì)混入水，對于船用柴油機(jī)更是如此。水的存在不僅會(huì)縮短柴油的保存時(shí)間，降低柴油的品質(zhì)，還會(huì)對發(fā)動(dòng)機(jī)造成潛在的危害［1］。因此在使用前除水是非常必要的。

油水分離的傳統(tǒng)方法為重力沉降法，油水兩相密度差Δρ越大，分散相液滴直徑d越大，則分離效果越好。但是，對于粒徑小于100μm的乳化態(tài)液滴，布朗運(yùn)動(dòng)的影響使得重力沉降分離法失效［2］。為了解決這一問題，許多對其進(jìn)行替代或強(qiáng)化的方法應(yīng)運(yùn)而生，聚結(jié)法具有分離效果好、投入少、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了人們越來越多的重視。

所謂聚結(jié)是指多個(gè)小液滴融合成1個(gè)較大液滴的過程，而聚結(jié)分離法是指將混合液通入纖維聚結(jié)材料，使其中分散相的液滴由微米級聚結(jié)增大至毫米級［3］，從而實(shí)現(xiàn)聚結(jié)后分散相液滴在重力的作用下自行從混合液中分離的方法。雖然聚結(jié)的機(jī)理尚未完全闡明，但仍可根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)理對聚結(jié)過程做如下簡單描述［4-5］?；旌弦哼M(jìn)入聚結(jié)床后，其中的分散相液滴與纖維發(fā)生碰撞進(jìn)而在其表面鋪展，后續(xù)液滴不斷撞擊到纖維上并逐步在纖維間形成液膜，纖維間的液膜隨著混合液向下游方向運(yùn)動(dòng)，最終從聚結(jié)床中脫離。

影響聚結(jié)分離效果的因素可分成混合液性質(zhì)、聚結(jié)元件性質(zhì)以及工作參數(shù)3大類。本研究的聚結(jié)元件的性質(zhì)包括水對纖維表面的潤濕性、聚結(jié)元件的長度［6］和空隙率［7］。關(guān)于纖維表面潤濕性對分離效果的影響，人們的觀點(diǎn)并不一致:一些學(xué)者［2，8］認(rèn)為可被分散相潤濕的聚結(jié)元件具有更好的分離效果;但也有學(xué)者［9-10］認(rèn)為分散相對纖維表面潤濕性并不會(huì)對分離效果起到?jīng)Q定性的影響。對于元件長度的影響也存在著分歧:有人認(rèn)為存在著最小長度，若要獲得較好的分離效果，選用的元件的長度必須大于該最小值;而有人則認(rèn)為存在著最適宜長度，選用的元件的長度大于或小于該值均會(huì)使分離效果變差。除此之外，已有的文獻(xiàn)很少涉及元件空隙率對聚結(jié)分離效果的研究，而作者在初期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索時(shí)發(fā)現(xiàn)空隙率對分離效果起著決定性的影響。

因此，本研究考察了聚結(jié)元件空隙率、潤濕性以及長度對水-柴油混合液聚結(jié)分離效果的影響，實(shí)驗(yàn)中以分離后柴油的含水量最為評價(jià)依據(jù)。除此之外，由于本領(lǐng)域研究中不同學(xué)者使用的實(shí)驗(yàn)裝置在幾何尺寸上差異較大(如聚結(jié)濾芯的橫截面積、長度)，并且對于流量的表示方式也不同(線速度、體積流量)，這給橫向?qū)Ρ仍斐闪撕芏嗬щy。為了解決這一問題，本研究將實(shí)驗(yàn)裝置尺寸、空隙率和流速整合成了混合液在聚結(jié)元件中的停留時(shí)間這一參數(shù)，以期簡化實(shí)驗(yàn)結(jié)論、使得不同尺寸間實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比變得更加容易。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　實(shí)驗(yàn)流程

圖1為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig．1　Schematic diagram of the experimental set-up

首先將柴油和水在均質(zhì)機(jī)中乳化1 min(轉(zhuǎn)速為10 000 r/min)，將制備好的油水混合液轉(zhuǎn)移至原料儲(chǔ)罐1中，通過隔膜泵2將其輸送至水平放置的聚結(jié)管3內(nèi)，聚結(jié)管總長0.60 m，內(nèi)徑32 mm，聚結(jié)元件的長度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。油水混合液通過聚結(jié)元件后進(jìn)入靜置罐4中，靜置罐高0.25 m，內(nèi)徑90 mm，其中預(yù)先裝入一定量的水，使油水界面與聚結(jié)管底部平行，并保持界面在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中基本不變。分離后的水從靜置罐下方的水出口5排出，而油從靜置罐上方的溢油口6排出。溢油口距靜置罐頂部0.05 m，距油水界面0.10 m。為了保證分析的時(shí)效性，取樣后立即進(jìn)行水含量分析。

根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)［11］，本研究使用卡爾-費(fèi)休法測定原料油以及聚結(jié)濾芯下游柴油的含水量，以百萬分率(10－6)表示，基于質(zhì)量計(jì)。并使用測定得到的樣品含水量以及柴油外觀來評價(jià)聚結(jié)分離效果。根據(jù)柴油國三標(biāo)準(zhǔn)［12］，合格柴油外觀上需澄清，含水量為痕跡(即含水量低于 300 ×10－6［13］)，而歐盟標(biāo)準(zhǔn)［14］則要求柴油中不得存在游離水，且含水量低于200×10－6。

1.2　聚結(jié)元件空隙率的測定

聚結(jié)元件空隙率ε指將聚結(jié)元件裝入聚結(jié)管后，纖維間空隙的體積與聚結(jié)元件所占聚結(jié)管內(nèi)的總體積之比，空隙率可以很好的表征聚結(jié)元件在聚結(jié)管中填充的密實(shí)程度。由于纖維之間空隙的體積無法直接測定，因此實(shí)驗(yàn)中通過測定聚結(jié)元件質(zhì)量Mf，纖維材料體密度ρf以及聚結(jié)元件在聚結(jié)管中占據(jù)的總體積Vt后根據(jù)式(1)間接計(jì)算得到。

式(1)中，ε為纖維聚結(jié)材料的空隙率，量綱為1;Vf為聚結(jié)元件中纖維及骨架所占的體積，cm3;Vt為聚結(jié)元件在聚結(jié)管中所占據(jù)的總體積，亦稱表觀體積，cm3;Mf為聚結(jié)元件質(zhì)量，g;ρf為聚結(jié)元件的體密度，g·cm－3。

由于聚結(jié)元件是由纖維材料和作為支撐的不銹鋼骨架組成，因此其體密度需要通過實(shí)驗(yàn)測定。具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下:

1)將待測的纖維材料裁剪成10 mm×2 mm的長方形，在精度為0.0001 g的分析天平上稱質(zhì)量，記作m1。

2)向25 mL量筒中預(yù)裝入20.0 mL的蒸餾水，將裁剪好的長方形纖維樣品慢慢浸入蒸餾水中至其完全被蒸餾水浸沒，記錄此時(shí)量筒的讀數(shù)V1。

3)之后根據(jù)密度的定義式 ρ1=m1/(V1－20.0)，求出樣品的密度。

4)重復(fù)2遍步驟1～3，求出3次測定的平均值即為樣品的體密度ρf。

聚結(jié)元件在聚結(jié)管中所占據(jù)的總體積Vt則是通過測量聚結(jié)管內(nèi)徑d和聚結(jié)元件在聚結(jié)管內(nèi)的長度L計(jì)算得到。根據(jù)測定，聚結(jié)管內(nèi)徑d=32 mm，3種聚結(jié)元件的長度均為500 mm。表1為根據(jù)上述測定值計(jì)算得到的不同材質(zhì)的聚結(jié)元件在未經(jīng)壓縮時(shí)的空隙率。

表1　不同聚結(jié)元件的空隙率Table 1　Porosity of different coalescing elements

2　結(jié)果與討論

2.1　聚結(jié)元件空隙率的影響

實(shí)驗(yàn)使用玻璃纖維聚結(jié)元件，裝入聚結(jié)管后通過軸向壓縮得到2種不同的空隙率ε1=0.85，ε2=0.88。實(shí)驗(yàn)固定混合液初始含水量為2 000×10－6，長度 50 cm，停留時(shí)間選取 45 min(體積流量0.45 L/h)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　聚結(jié)元件空隙率對水-柴油混合液分離效果的影響Fig．2　Effect of coalescing element porosity on the separation performance of water-in-diesel emulsion

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在其他條件一定的情況下，空隙率較小的聚結(jié)元件對混合液的分離效果更好。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)ε=0.88時(shí)，外觀上，聚結(jié)元件下游柴油渾濁(即含有大量未聚結(jié)的乳化態(tài)水滴)，水含量分析也表明此時(shí)含水量較高，在110×10－6以上。而當(dāng)ε降低至0.85后，不僅聚結(jié)元件下游的柴油在外觀上澄清，且含水量也降低到了80×10－6以下。該結(jié)果可用前文提到的聚結(jié)的原理加以解釋。當(dāng)聚結(jié)元件空隙率較低時(shí)，其纖維間的空隙也較小，單位空間內(nèi)纖維也就越多，因此乳化態(tài)水滴與纖維發(fā)生碰撞進(jìn)而聚結(jié)的概率增大，分離效果變好。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，聚結(jié)元件空隙率是決定聚結(jié)分離效果最關(guān)鍵的因素，無論是什么樣的聚結(jié)元件、無論其他實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)如何改變，存在著1個(gè)空隙率的最大值εmax，只有聚結(jié)元件空隙率小于該值才能獲得理想的分離效果。但遺憾的是對于不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的聚結(jié)元件，該空隙率最大值還需要實(shí)驗(yàn)予以測定。

2.2　聚結(jié)元件材質(zhì)的影響

Moses［15］和 Shin［16］使用顯微鏡對不同潤濕性的模擬聚結(jié)介質(zhì)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分散相能潤濕纖維時(shí)，其在元件內(nèi)部以膜狀連續(xù)存在;否則仍以單個(gè)的液滴形式存在，但并沒有明確指明潤濕性對分離效果的影響。為了找出聚結(jié)介質(zhì)潤濕性對水-柴油混合液分離效果的影響并同時(shí)驗(yàn)證Moses和Shin的模擬實(shí)驗(yàn)在真實(shí)聚結(jié)分離中的效果，本實(shí)驗(yàn)使用3種不同聚結(jié)元件，材質(zhì)分別為玻璃纖維(Fiberglass)、黏膠纖維(Rayon)和聚乙烯纖維(PE)。其中前2種為親水性聚結(jié)元件，第3種為疏水性聚結(jié)元件。實(shí)驗(yàn)在流量Q=0.45 L/h，原料油含水量Cin=2000×10－6，聚結(jié)元件長度L=50 cm的條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在上述實(shí)驗(yàn)條件下，玻璃纖維聚結(jié)元件的分離效果最好:不僅處理后的油外觀澄清，并且含水量也是最低的，含水量在80×10－6左右;黏膠纖維聚結(jié)元件分離效果稍差，處理后油外觀微濁，水含量也上升至120×10－6左右;而聚乙烯聚結(jié)元件對柴油-水混合液的分離效果最差，不僅外觀上渾濁程度最重，且隨著運(yùn)行時(shí)間增長，分離后柴油中水含量持續(xù)升高，連續(xù)運(yùn)行6 h后聚結(jié)元件下游含水量已經(jīng)升高至450×10－6。

圖3　不同聚結(jié)元件的水-柴油混合液的分離效果Fig．3　Separation performance of water-in-diesel emulsion by different coalescing elements

在璃纖維分離的過程中，能夠明顯的觀察到聚結(jié)長大后的水滴會(huì)不斷的從聚結(jié)元件下游表面沉降到聚結(jié)管底部，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，水滴逐漸在聚結(jié)管底部匯聚成一股水流。這一現(xiàn)象與Moses和Shin的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，即:當(dāng)分散相能潤濕聚結(jié)介質(zhì)時(shí)，分散相在聚結(jié)介質(zhì)內(nèi)部呈膜狀連續(xù)存在;否則分散相仍是以單個(gè)的液滴形式存在于聚結(jié)介質(zhì)內(nèi)部。

2.3　聚結(jié)元件長度和混合液停留時(shí)間的綜合影響

研究了聚結(jié)元件長度分別為30、40和50 cm時(shí)，混合液停留時(shí)間對聚結(jié)分離效果的影響。實(shí)驗(yàn)使用玻璃纖維聚結(jié)元件，聚結(jié)元件空隙率為0.85，實(shí)驗(yàn)過程中混合液初始含水量Cin保持2 000×10－6不變。溢油口開始溢油2 h后運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)取樣進(jìn)行水含量分析，此后每隔1 h取樣1次，每組實(shí)驗(yàn)條件下共進(jìn)行3次取樣分析，最后的結(jié)果取3次的平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，存在著1個(gè)聚結(jié)元件的最小長度Lmin=40 cm，當(dāng)L≥Lmin時(shí)分離效果較好，聚結(jié)元件下游的柴油外觀澄清，含水量較低(低于100×10－6)。此時(shí)出口處柴油的含水量與實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的混合液停留時(shí)間基本無關(guān)。

當(dāng)L＜Lmin時(shí)分離效果不佳，此時(shí)聚結(jié)元件下游柴油渾濁，水含量分析表明柴油中含水量較高。渾濁的原因在于有部分乳化態(tài)液滴沒有發(fā)生聚結(jié)就直接從聚結(jié)元件流出。并且此時(shí)隨著停留時(shí)間減小(流速增大)，聚結(jié)元件下游柴油渾濁程度加重，含水量升高。

圖4　聚結(jié)元件長度和混合液停留時(shí)間對水-柴油混合液分離效果的影響Fig．4　Effect of coalescing elements’length and retention time of mixture on separation performance of water-in-diesel emulsion

對這一結(jié)果的解釋為，當(dāng)聚結(jié)元件長度L＜Lmin時(shí)，大量的乳化態(tài)液滴未與纖維發(fā)生作用而直接進(jìn)入下游，造成下游柴油含水量較高;而當(dāng)L≥Lmin時(shí)，大部分的乳化態(tài)液滴在聚結(jié)元件內(nèi)發(fā)生了碰撞、吸附和聚結(jié)。此時(shí)分離成功，由于此時(shí)僅有很少量的液滴未和聚結(jié)元件作用，因而此時(shí)再增大聚結(jié)元件長度并不會(huì)對最終的分離結(jié)果產(chǎn)生較大的改變。因此，為了達(dá)到符合要求的分離效果，只需聚結(jié)元件長度略微高于最小長度Lmin即可。

3　結(jié)論

1)聚結(jié)元件空隙率對分離效果的影響最為明顯，對于特定組成方式和材質(zhì)的聚結(jié)元件，存在著1個(gè)最大空隙率εmax，唯有聚結(jié)元件空隙率ε＜εmax時(shí)才能獲得較好的分離效果。但是該聚結(jié)元件空隙率最大值需要實(shí)驗(yàn)測定。

2)聚結(jié)材料本身的潤濕性對聚結(jié)分離效果影響很大。在相同流速、溫度、原料油含水量等實(shí)驗(yàn)條件下，親水性的聚結(jié)材料對水-柴油混合液的分離效果較好。

3)以聚結(jié)元件最短長度Lmin為界，混合液在聚結(jié)元件中的停留時(shí)間TR對分離效果的影響可分成2種:當(dāng)聚結(jié)元件長度L≥Lmin時(shí)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)改變TR并不會(huì)影響分離效果，并且此時(shí)再增加聚結(jié)元件的長度對分離效果的提升也不大;而當(dāng)L＜Lmin時(shí)分離失敗，此時(shí)聚結(jié)元件下游柴油含水量隨著停留時(shí)間TR縮短而增高。同樣的，對于特定體系，該聚結(jié)元件長度最小值也要通過實(shí)驗(yàn)測定。

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