（机械制造及其自动化专业论文）移动式油水分离装置的研究与应用.pdf

机械科学研究院硕士学位论文 移动式油水分离装置的研究与应用 摘要 对含油污水进行油水分离处理不仅可以降低生产成本、节 约水资源和能源，而且可以降低对水体的污染和减少对生态环 境的破坏。本课题研究的移动式油水分离装置就是用来解决含 油污水处理中油水分离的一种装置。 论文从分析传统油水分离工艺和现有的油水分离装置存在 的缺陷入手，针对传统工艺的不足和实际工业运行的要求，提 出了采用纯物理的分离方法一一旋流聪滤+ 阻截除油的主体工 艺，并对该工艺进行了相关实验室研究。该文首次从界面现象 角度对阻截除油工作机理进行了分析，然后据此提出了该工艺 主体设备采用t 型结构，构建了t 型油水分离器模拟实验装置， 并利用此装置进行了实验室模拟实验研究。结合实验室研究结 论提出了设备的设计要求，并进行了移动式油水分离装置的主 体设备设计。在设备的设计中采用可靠性设计和模块单元结构 设计思想，同时注意通用化和标准化设计思想以及人机工程学 原理的应用。 在实例应用中，运用论文的研究成果对样机进行了设计、 制造和装配。根据产品特点提出了移动式油水分离装置出厂检 验条件，并进行了相关的检测。出厂检验和用户的调试结果表 明移动式油水分离装置能够满足用户实际工况的使用要求。 移动式油水分离装置可以对含机械性乳化油污水直接进行 油水分离，出水达标排放或回用，分离出的油可回收利用。移 动式油水分离装置实现了移动性，可以作为动点设备使用，也 可以和上游设备组成大系统作为组合系统使用，具有较好的市 场应用前景。 关键词：移动式油水分离装置t 型油水分离器阻截除油技术 一一 机械科学研究院硕士学位论文 s t u d yo nm o b i i eo i i - w a t e rs e o a r a t ora n di t s a p p i i c a t i 0 1 3 d o uz h i p i n g ( me c h a n i c a te 1 3 9 i nee r i n g ) d ir ec t e db yt i a nx iu m l l 3a n dm ad i a n q i r e s e ar c hin s t i t u t eo fe n v ir o n m e n tpr o t e c t i o nt e c h e qu ip m e n t a c a d e m yo fm a c h in er ys c i en c e & t ec h b e i j ing ，p r ch f n a10 0 0 4 4 a b s t r a c t t os e p ar a t eo i ifr o mt h ec o n t a m i n a t e dw ar or i t m a yn o t on i yr e d u c et h epr o d uc t i o nc o s t 。s a v ew a t era n dener g y b u t a is oi o w ert h ew a t er p o i i u t i o na n dr e du c et heen t ir o n m e l 3 t b e ing d e s t t o y e d t h e m o b i i eo i i - w a t er s e p a r a t 0ri nt h is t he s i s p ar t i c u i ar 1 yp er t a i n st o o i i w a t er s e p a r a t or so f 0 i y w a t ertr e a t m e n t t h et he s is b e g i n sw i t ha n a i y z in gt h ei i m i t a t i o na n d i n s u f f i c i e 几c y 0 fn or m a iar tor pr o c e s s o ft h eo i i - w a t er s e p a r a t i ona sw e i ia st h ed e v i c e sc urr e n t i y us e di 1 3 0 i i w a t er s e p ar a t i o n t o m e e tt h en e e do f s e p a r a t i oni n r e a i i t y ，ane wpr o c e s si s br o u gh tf or w ar dw i t h pur eph y s i c a i me t h o da st h em a i n s e p a r a t i o n w h i c hi sac o mb i l 3e d pr o c e dur eb yh y dr o c y c i o n e f i i tr a t i o na n do i i i n t er c e p t e d t e c hn 0 1 0 9 y a is os o m ee x p er i m e n t sa i 1 dt e s t sh a v eb e e n m a d ei nt h ei a b or a t or ya n dm a n yv a i u a b i ed a t ah a v e b e e n o b t a i n e d int h is p a p e r i ti st h ef ir s tt i m et o a n a i y z ew o r k m e c h a n i s mo fo i i in t er c e p t e dus i n gi n t er p h a s ep he n o me n o n b a s e do nt h eo i i i n t er c e p t e dt e c h n 0 1 0 9 y t h em a i ns e p ar a t or h a s b e en d e s i g n e d i 1 3 t ot sh a p ea n ds i m u i a t ed e v i c eh a s b e e nc on s tr u c t e dint h ei a b or a t or y a tt h es a m et i m ei o t so f s i mu i a t et e s t sh a v eb e e n p or f or m e d i nt h ei a b or a t or y v 一 机械科学研究院硕士学位论文 r lc i u d i l 3 9s o m er e s e ar c hw 0r ka n ds o mec o n c iu s i o nsh a v e b e e n dr b w n a c c or d i n g t ot h e s e c 0 1 3 c l u s i o n s ，d e s i g n s p e c i f i c a t i o n sa n d p ar a m e t e r s s e p a r a t 0rh a m eb e en p u tf 0r w ar d o ft h e o nth e m o b _ i eo i 卜w a t er b a s i so ft h ea b 0 v e t h em o b i i e0 i i - w a t ers e p ar a t 0rh a sb e e nd e v i s e d w i tht h e d e a so fr e i i a b i l i t y g e n er a i i z a t i 0 1 3a n ds t ar l d ar d i z a t i 0n er 9 0 n o m i c lnt h e d e s i g n e d ， r e s e ar c h s p e c i f i c a t i i n s p ec t i o n c h ar a c t er i st h e or yh a sa i s 0b e er la p p i i e di n t ot h ede s i g s ar l lp i e a p p i i c a t i o n t h e s e p a r a t orh a s m a nu f a c t ur e da n da s s e mb i e db a s e d0n i nt h ei a b 0r a t 0r y t h eir ls tr u c t i 0n o no ft hem o b i i eo i i w ar er s e p ar a t 0r s t e s t h a v eb e e i lm a d eo t j ta c c 0r d i l 3 9t 0 s t i c t h es a t i s f a c t 0r yt e s tr e s u i t sh a m e n b e er l t h e a n d a n d i t s b e er l o b t a in e db e t w e e nt h et es tb e f or ed e i i v er ya n dt h eu s er s t e s t a i s 0t h er e s u l t sh a v es h 0 w nt h em o b i i eo i | - w a t er s e p a f a t o rc a nm e e tt h ea p p i i c a t l o ni nr e a i i t y t h e m e c h a n i c a i i y e m u is i f i e d0 i ic a nb es e p ar a t e dfr o m t h e o i i y w a t er d ir e c t i yint h em o b i i eo i i w a t er s e p a r a t 0r w i t ht hed i s c h ar g e dw a t ers e n tt 0s a n i t ar ys e w erorr e u s e d a n dd i s c h ar ge d0 i ir e c y c i e d 0 i 1t he 0neh a nd t h em o b i ie o i i - w a t er s e p ar a t 0 rr na yb eu s e d0r ld i f f er e n tsp 0 tb yi t s e i f o nt he0 t h erh a i 1 d i tc a l 3b eg s e dw i t hup p ere q u ip m e n ta s b i g g e r s y s t e m s 0 m ar k e ta n dw | ih a v e tw i i ib ea 9 0 0 ds e i i e ri nt h ef u t ur e aw i de i ya p p i i c a t i 0 1 1 k e y w o r ds ：m o b i l eo i i w a t ers e p ar a t 0r t s h a p eo i i w a t ers e p a r a t 0r 0 i i in t e t o e p t e dt e c hn 0 1 0 9 y 符号清单 水包油型乳状液 油包水型乳状液 油滴上升速度，m s 油滴的直径，m 重力加速度，m s 2 油密度，k g m 3 污水密度，k g m 3 污水绝对粘度，k g ，( m s ) 油滴实际上升速度，m ，s 浑浊污水中油粒上浮速度的降低系数，一般为 0 9 0 。9 5 考虑水流不均匀时，如紊流等因素的修正系数，一 般取1 3 5 1 5 0 液气界面张力，n m 固气界面张力，n m 固液界面张力，n m 接触角 前进接触角 后退接触角 液体润湿粉料的高度，c m 对毛细管的无规取向的校正因子 粉料问空隙的毛细管平均半径，c m 液体的表面张力，n ，m 液体对粉料的接触角，o 液体的粘度，p a s 液体润湿粉料的时间，8 液体在二种纯纤维上的真接触角，。 一x w o 刨州g c呈c至u畦b 巾 机械科学研究院硕士学位论文 口 两种纤维组成的复合表面的实际接触角， k 引入系数，k = 蒜( p ，一p q流量，m3 h p工作压力，mp a p 。安全压力，mp a 插图清单 图2 1 油粒的上浮速度与各参数之间的关系示意图15 图2 - 2 接触角示意图17 图2 3 不同直径油滴在垂直距离15 0 c m 水溶液中的上升 时l 司2 0 图2 4t 型油水分离器结构示意图21 图2 - 5t 型分离结构的实验室模拟装置图2 2 图2 - 6 阻油单元结构示意图2 5 图2 7hk 材料吸水后质量变化曲线2 7 图2 8hk 材料吸水率曲线2 7 图2 - 9hk 材料层数与处理效果的关系曲线：3 0 图2 10 移动式油水分离装置工艺流程图3 3 图3 1 阻油单元支架图4 2 图3 2 旋流器外观照4 3 图3 3 控制柜外观照4 5 图4 1 移动式油水分离装置用工艺流程图4 8 图4 2 移动式油水分离装置的外观照4 9 图4 3 移动式油水分离装置样机及上游设备的外观 照5 4 机械科学研究院硕士学位论文 表格清单 表1 1 隔油池的比较3 表1 2 常用油水分离方法及特点比较6 表1 - 3 含乳化油污水主要处理方法比较1o 表2 - 2 原始记录( hk 材料饱和状态吸水率的测定) 2 6 表2 3 原始记录( hk 材料阻油效果与层数关系测定) 2 9 表2 - 4 原始记录( hk 材料阻油效果与层数关系测定) 2 9 表4 1 油品种类及其部分特性4 8 表4 2 实际工况运行期间的处理水样抽样数据5 3 机械科学研究院硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得机械科学 研究院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者繁干 签字日期：? 年月，扩白 机械科学研究院硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解机械科学研究院有关保 留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。 本人授权机械科学研究院可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：像年 签字日期伽，年占月矿日 导师签名：与障髯 签字日期：；牵占月子日 机械科学研究院硕士学位论文 第一章文献综述与研究概况 1 1 本选题研究领域的历史回顾 对含油污水进行油水分离处理不仅可以降低生产成本、节约水资 源和能源，而且可以降低对水体的污染和减少对生态环境的破坏。因 此对油水分离技术的研究一直是国内外研究机构和科研人员在探索 与研究的课题。 为了适应工业生产的不同需要，油水分离技术发展到今天形成了 两大研究方向，一个方向是去除油中的水，另一个方向是去除水中的 油。从广义上讲，油水分离一般指去除油中的水分( 油为主体) 和去 除水中的油分( 水为主体) 两个方面，前者分离后是为了得到满足要 求( 纯净) 的油体，对回收水一般不做特别要求，而后者是为了得到 达到一定标准的水体，对回收油一般不做特殊要求。如在热电厂中对 润滑油中凝结水的去除( 小于一定的含水率) 以便达到回用标准而使 用的s y j 型油水分离装置是属于前者；在船舶工业中对船舶舱底含油 污水的处理以便达到排放标准而使用的c y f 系列油水分离装置是属 于后者。 对油水分离的研究可以追溯到十九世纪六十年代。自1 8 6 5 年水随 同油一起从油井开采出以来，油和水的分离就一直受到人们的重视。 早期的油水分离大多为原油脱水过程，其中水相为分散相。随着油田 的深度开采，采用大量的回注压力水，这样从水中得到很有价值的油 就显得更加重要，从而带来了油田含油污水的处理问题。很显然，油 田污水的处理具有重大的经济效益，不仅可以回收有经济价值的原油， 减少储运、炼制的负荷，而且减少了因回注水堵塞而引起的操作费用 增加【2 5 1 。 含油污水产生自各行各业，具有点多面广的特点，是一类数量较 大的有机污水，污染情况也较严重。这类污水主要来自工业、农业、 运输业及生活污水排放和油泄漏。工业含油污水主要包括炼油厂污水、 石油开采污水、油漆厂污水、冶金类污水、石化厂污水、拆船厂污水、 内燃机机车机务段污水等。农业含油污水主要来自农产品的加工厂( 如 1 机械科学研究院硕士学位论文 植物油加工厂) 、农药产品生产厂及农机厂等。生活含油污水主要来自 食堂、饭店等。还有一类值得注意的水体油污染一海洋水体油污染， 这是世界性的水体污染问题【2 0 】。 含油污水来源不同，水体中的油污染物的成分和存在状态也不同。 污水中的油类按其存在形式可分为浮油、分散油、乳化油、溶解油和 油固体物五类，其采用的分离和去除的方法也不同，其具体情况如下： 悬浮油进入水体的油分通常大部分以浮油形式存在，油珠颗粒 较大，一般大于1 0 0 p m ，易浮于水面，形成油膜或油层，通常以连续 相的油膜漂浮于水面而能被撇除，主要采用隔油池去除。此外，还可 以采用分离法、吸附法、分散或凝聚法等去除。在炼油厂污水中浮油 含量约占含油量的6 0 8 0 ，浮油粒径较大，易于用隔油池去除。 分散油油珠粒径一般为1 0 1 0 0 p m ，以微小油珠悬浮于水中， 不稳定，静止一定时间后往往形成浮油。粒径大于1 u m 的微小油珠悬 浮分散于水相中，不稳定，可聚集成较大的油珠，转化为悬浮油，也 可能在自然和机械作用下转化为乳化油，可采用粗粒化方法去除。 乳化油油珠粒径小于1 0 p m ，一般为0 1 2 p m ，往往因水中 含有表面活性剂使油珠成为稳定的乳化液。而且由于表面活性剂的存 在，油在水中易形成o w 型乳化微粒，粒径小于1 u m ，表面常常覆 盖一层带负电荷的双电层，体系较稳定，不易上浮于水面，较难处理。 面临的问题主要是破乳，一般采用浮选、混凝、过滤等处理方法。 溶解油油珠粒径比乳化油还小，有的可小到几n m ，是溶于水 的油微粒。油在水中溶解度甚低，一小部分油以分子状态或化学方式 分散于水体中形成油水均相体系，非常稳定，一般低于5 1 5 m g l ， 均难以自然分离，可采用吸附、化学氧化及生化方法去除。 油一固体物水体中的油黏附在固体悬浮物的表面形成油固体 物，可采用分离法去除。 根据含油污水中的油污染物的成分和存在状态情况，油水分离技 术领域逐渐形成了一系列常用的、较为稳定的分离工艺和相应的比较 成熟的设备( 或构筑物) 。 ， 机械科学研究院碛士学位论文 1 2 本选题研究领域的现状分析 目前，国内外处理含油污水的油水分离技术( 原理) 和方法主要 有物理法、化学法、物理化学法。物理法分为重力分离法、粗粒化法、 过滤法、膜分离法等，具体装置( 设备) 有隔油池、去油罐、过滤罐、 粗粒化罐、油水分离器等；化学法分为化学破乳、化学氧化法( 空气 氧化法、臭氧氧化法、氯氧化法、双氧水氧化法等) 、光化学氧化法等； 物理化学法有气浮浮选法、吸附法、电化学法等【2 们。 现将常用的和具有代表性的油水分离方法及其装置分别介绍如 下： 1 2 1 重力分离法【5 1 9 】 重力分离法是利用油和水的比重差将其分离，此法可去除6 0 p m 以上的油粒和大部分悬浮物。重力分离法最常用的设备是隔油池，隔 油池主要用于去除浮油或破乳后的乳化油。 隔油池一般分为平流式、斜板式和平流与斜板的组合式三种。其 优缺点和使用条件见表1 - 1 。 隔油池的比较表1 - 1 池型优点缺点适用条件 m 1 隔油效果较好；1 布水不均匀； 适用于各种规模的污水 流2 耐冲击负荷；2 采用刮油刮泥机，操作较复杂； 处理厂( 场) 式 3 施工简单。3 不能连续排泥操作，工作量大。 斜1 隔油效果好： 1 斜板易堵，增加了表面冲洗设备；适用于各种中、小型污 板z 水力负荷高： 式3 占地面积小。 2 不易作为初次隔油设施。水处理场 组l 隔油效果好： 1 池子深度不同，施工较复杂；适用于对水质要求较高 a 2 水力负荷高；u 2 操作较复杂。的污水处理场 式 3 耐冲击负荷。 隔油池表面的浮油可利用集油管排出，也可采用带式除油机撇出。 用来进行油水分离的水力旋流器和离心机，其原理可以看作是重 力法的变形，是一种加速重力法，利用水和油的密度不同，产生的离 心力不同，增强了油水分离效果。 重力法能接受任何浓度的含油污水，同时除去大量的油污，但往 往达不到处理要求，在稳定的流速和含油量的特定条件下，可作为二 级处理的预处理【2 0 1 。 机械科学研究院硕士学位论文 1 2 2 粗粒化法1 5 1 9 】 粗粒化除油技术，是利用油与水两相性质的差异和对聚结材料表 面亲和力相差悬殊的特性，当含油污水通过填充着聚结材料的床层时， 油粒被材料捕获而滞留于材料表面和孔隙内，随着捕获的油粒物增厚 而形成油膜，当油膜达到某一厚度时将产生变形，聚结合并成较大的 油粒则易于从水相中分离出来。 粗粒化材料一般具有良好的亲油疏水性能，分为无机和有机两类， 例如聚丙烯、无烟煤、陶粒、石英砂等，外形可做成粒状、纤维状、 管状或胶结状。当含油污水通过这种材料时，微细油珠便吸附在其表 面上，经过不断碰撞，油珠逐渐聚结扩大而形成油膜，最后在重力和 水流剪力推动下，脱离材料表面而浮升于水面。粗粒化材料定期用风 和水进行冲洗。 由此可见聚结法除油的步骤大体可以分为三个：( 1 ) 膜初生阶段 ( 油粒捕获) ；( 2 ) 膜增厚阶段( 油粒附着) ；( 3 ) 膜脱离阶段( 油膜 增厚与脱落) 。每一步骤完成的优劣取决于聚结材料的亲油、疏水性能。 该方法适用于处理分散油和乳化油，其关键是选择和制备适当的粗粒 化材料旺“。 粗粒化装置具有体积小，效率高，结构简单，不需加药，投资省 等优点，缺点是聚结材料容易堵塞，因而降低除油效率，有的需要反 冲洗，再生困难。 1 2 3 膜分离法【2 0 】 膜分离技术是s 。s o u r i r a j a n 所开拓并在近2 0 多年迅速发展起来， 其机理使用一张( 或一对) 多孔滤膜利用液液分散体系中两相与固体 膜表面亲和力不同而达到分离目的。主要是指反渗透( r o ) 、超滤( u f ) 和渗析等。膜分离法关键是膜和组件的选择，通常使用的膜材料有醋 酸纤维素系、乙烯系聚合物和共聚物、缩合中性膜材料( 如聚砜、聚 苯乙撑氧) 、脂肪族和芳香族聚酰胺、聚亚酰胺等。此法的优点是不需 加入其它试剂，无二次污染，不产生含油污泥，浓缩液可烧却处理， 设备费用低，且选择合适的工作膜后的出水一般均可达到直接排放标 4 机械科学研究院硕士学位论文 准，或直接作为工业用水使用。但须对污水进行严格的预处理，同时 膜的清洗也比较麻烦。 在含油污水处理中研究较多的是超滤法。该法的基本原理是当含 有多种溶质的溶液切向流经一个多孔膜时，按溶液中颗粒物粒径的大 小可分为两种情况：粒径大的完全被截留，粒径小的不被截留。在膜 的两侧需施加一个静水压，压力依据膜的强度而定。这样经过超滤， 滤出液是纯溶剂或含有少量小颗粒溶质的溶液。 超滤是应用于除油的一门新技术。与传统方法相比，其优点是物 质在分离过程中无相变、耗能少、设备简单、操作容易、分离效果好， 不会产生大量的油污泥( 经过浓缩的母液可以定期除去浮油) ，在处理 水体中的乳化油方面有独到之处。缺点是膜易污染，难清洗及水通量 小。超滤法处理乳化油污水的主要工艺有：平板式超滤工艺、中空纤 维膜超滤工艺、管式( 内压或外压) 膜超滤工艺和卷式膜超滤工艺。 1 2 4 吸附法【2 0 1 吸附法的原理是利用吸附剂的多孔性和大的比表面积将污水中 的溶解油吸附在表面，从而达到油水分离的目的。该法适于深度处理 污水中的微量油，一般费用较高，但可大大提高水体的质量。文献报 道吸附剂可分为三类：炭质吸附剂、无机吸附剂和有机吸附剂。对吸 附材料的要求是：吸油量大、吸水量小，吸油速度快，重复使用次数 多，压缩回弹性能好等。 吸附法处理含油污水，可以使出水含油量大大降低( 含油量 1 0 p m 时的分离问题现在已经得到有效解决，表1 3 中列出了常用的 方法。但是当乳化油微粒 1 0长期使用效果下降，存在表面活性剂时 效果差 出水水质好，设备投资少，无浮渣；滤 过滤法分散油、乳化油 1 0 床要反复冲洗 出水水质好，设备占地小；投资较高， 吸附法溶解油1 0 吸附剂再生困难 效果好，工艺成熟；占地面积大，药剂 气浮法乳化油、分散油 1 0 用量大，产生浮渣 出水水质好，设备简单；膜清洗困难， 膜分离法乳化油、溶解油 1 0 用量大，污泥难处理 出水水质好，基建费用低；进水要求高， 活性污泥法溶解油1 0 操作费用高 生物滤池法溶解油 1 0 处理 机械科学研究院硕士学位论文 2 采用纯物理方法进行高效高精度油水分离的技术及装置还不成熟 在石油工业的炼油装置生产过程中，需用大量高温装置加热各种 油品，加热各种油品后蒸汽转化为凝结水，这部分水中往往含有微量 的油，若直接作为锅炉回用水的话，已经远远高于锅炉给水含油量的 要求，而且凝结水温度还是很高的( 8 0 左右) ，现存的装置已经无能 力处理这类回用水，因为这类回用水要求必须用物理的分离方法，出 水水质要求高，而且不能在处理时带入其它的污染物，这就增加了采 用纯物理方法进行高效高精度分离的难度。 采用纯物理的处理方法对含油污水进行油水分离的油水分离装置 还存在一些缺陷没有得到解决，这些缺陷在1 2 文中已论述过。因 此对于采用纯物理的方法对含油污水进行油水分离所使用的工艺而 言，不需要反冲洗且保持高效( 不降低处理能力而且保持原来的处理 精度) 的处理能力，出水能达到工业运行要求而且能够适应工业大流 量运行的分离装置或设备是有待进一步研究的课题。 就目前的油水分离技术而言，不使用任何化学药剂，仅仅采用纯 物理方法就可以对含机械性乳化油的污水的进行高精度( 出水含油率 小于5 m g l 甚至更低的出水标准) 的油水分离的工艺及装置还没有成 熟，对于这类分离工艺和相应的装置( 设备) 的研究与开发，是一个 很有前景、非常活跃的研究领域。 3 移动式的油水分离装置采用的分离工艺及其移动性的实现比较困难 能够对含机械性乳化油污水在大流量、高精度、高温度工况下进 行油水分离的工艺本身就比较困难，尤其是在进水含油种类复杂、含 油量不稳定的情况下对出水含油量进行定量控制，在这种情况下的分 离工艺本身就是一个值得研究的问题。另外，专门针对移动式油水分 离装置的分离工艺目前国内还没有出现。传统的油水分离工艺由于其 主体设备体积较大、辅助设备较多以及控制较复杂，造成整套装置实 现移动性比较困难，因此目前国内市场上还没有出现移动式油水分离 装置。 在石油工业中，油田开采的地点不断变化，产生的含油污水逐渐 1 1 机械科学研究院硕士学位论文 分散，而集中处理又有较大困难，逐渐对可移动的油水分离装置提出 了需求。在军事应用系统中，许多装备的不断维护，各类设备的清洗 等活动会产生大量的含油污水，而这些污水由于处于特殊的场合又不 可能集中处理，因此对可移动的油水分离装置也提出了需求。 能够对含机械性乳化油污水进行分离的移动式装置( 设备) 未见 相关的报道。查到国外一家有关移动式的油水分离装置的文献，该文 献报道其利用专利的特殊材料，对于水质预处理要求严格，体积庞大， 价格非常高。 实际工业运行要求的移动式油水分离装置( 设备) 采用的工艺要 较为简单、体积要相对较小、能够处理机械性乳化油以及处理效果能 够适应不同工业运行场合，而且投资要相对较少，处理成本相对要低， 这类设备才会有广泛的市场推广前景。 1 - 5 本课题的研究概况 本课题来源于某公司委托开发项目一一移动式油桶清洗含油污水 处理装置。为了解决含油污水排放达标问题，用户提出该项目的方案 设计和实施须遵循下列原则： 选用技术先进可靠的原则。 综合治理与经济效益相统一的原则。 工艺技术路线符合国家有关规范和设计标准原则。 在查阅大量的相关文献和实地调研的基础上，提出了如下技术方 案和技术路线，并在此基础上确定了研究的内容。 1 5 1 课题研究的技术方案 本课题研究的移动式油水分离装置是主要针对含机械性乳化油的 含油污水的油水分离装置，采用的技术方案是：工艺采用纯物理方法， 不加任何药剂和不用反冲洗，具体地说即旋流+ 过滤+ 阻截除油的工艺 流程，整套处理装置固定在成型挂车底盘上来实现移动。 1 5 2 课题研究的技术路线 技术路线：查阅相关文献资料叶确定技术方案。构建模拟 实验装置一对工艺和装置进行模拟_ 采集必要数据_ + 针 1 机械科学研咒i 甓硕士学位论文 对含机械性乳化油的污水进行模拟试验，为工业产品设计、运用提供 参考数据_ 结合工程实例完成移动式油水分离装置的设计、制造 和装配斗对移动式油水分离装置进行实际工况试验，对出水水质 进行检验 1 5 3 课题研究的内容 本课题研究的重点内容有主体技术一一纯物理方法类的油水分 离技术，可以直接处理含机械性乳化油的污水，适应处理污水温度较 高的工况，整套处理系统能够做成移动式，具体通过以下方面实现。 1 、通过研究确定合适的物理分离方法，并据此确定相应的工艺路 线一一阻截除油的工艺路线。 2 、通过实验室研究分析，选取合适的阻油材料，作为本方法的核 心材料，探索适于设备化的结构形式，并完成相关结构设计。 3 、移动系统装置的设计。采用现代人机工程学原理和经验，将该 工艺系统设计成结构尽可能简单、操作尽可能简便、维护尽可能方便、 使用场合尽可能广泛的油水分离装置，包括根据不同性质和不同含油 浓度的污水，通过模拟实验选择并确定适用于工业运行的、结构合理 的装置。 4 、应用实验研究，包括根据不同性质和不同含油浓度的污水，通 过试验确定处理效果、工艺设计和结构设计能否满足工业运行的要求， 同时确定能否满足用户的实际要求。 1 6 本章小结 本章首先回顾了油水分离技术领域的研究历史，分析了油水分离 技术的研究应用现状以及现存油水分离装置的主要缺陷，指出了油水 分离技术发展中值得注意的两个研究动态。在此基础上论述了油水分 离技术发展中面临的问题，这些也是研发移动式油水分离装置面临的 问题。根据课题要求提出了技术方案和技术路线，最后给出了本课题 的研究内容。 机械科学研究院硬士学位论文 第二章移动式油水分离装置用工艺研究 2 1 传统的油水分离工艺不适用于移动式油水分离装置 工业含油污水的含油量及其特征随工业种类不同而异，即使是同 一种工业污水也因生产工艺流程、设备和操作条件等不同而相差较大。 对于这类含油污水的分离处理，传统的处理方法主要有：机械物理法 除油、物理化学法除油和生物化学法除油三大类，在实际工业运用中， 据工艺的需要往往是组合方法。 针对常见的各类含油污水，如含矿物油、动物油、植物油、混合 油以及各种机械性乳化油的含油污水，同时结合产生污水的具体场合， 为了满足不同的处理要求，形成了一些比较稳定的处理工艺，这些工 艺在常见的文献中都有介绍，在此就不再转述。 纵观我国含油工业污水处理，通常采用“老三套”处理工艺，即 隔油池一混凝气浮好氧生物处理，这套工艺是处理含乳化油的常用工 艺，其主要缺点是占地面积较大、工艺过程需要加药、辅助设备较多、 处理耗时较长、管理较为复杂等，这就决定了该工艺不适于应用于移 动式的设备。 对于目前各类油水分离器所采用的工艺而言，正如前文分析，虽 然有些采用了物理方法的分离工艺，但是也存在诸如1 2 中所阐述 的各种缺陷，因此也不适用于移动式的油水分离装置的工艺要求。 传统的物理分离工艺不能满足移动式油水分离装置的要求，必须 寻找一种纯物理的分离方法，来满足移动式油水分离装置的特别需要， 这种分离工艺基本要求是：不需要加药、辅助设备较少、设备总体较 小、处理耗时较短和管理较为简单，这样便于适应移动性的作业。这 就促使我们将目标转向该领域最新的研究方向一一阻截除油原理和材 料新特性研究成果的应用。 2 2 阻截除油的工作机理研究 对含油污水进行分离，最简单、最直观的方法就是利用油水互不 相溶和油水存在密度差的特性使它们自然分离。对于水系统中的油而 言，由于油水存在密度差及互不相溶的特性，浮油及部分大油滴能够 1 4 机械科学研究院硕士学位论文 自然上浮到液体表面，逐渐形成油水界面，随着这个过程的不断完成， 最终完成油水分离。浮油及部分大油滴的物理分层很容易而且也很快 能够实现，而分散的细小油粒要自然上升到水表面则需要很长的时间， 当微油粒小到一定程度就不会自然上浮，如由于机械作用形成的乳化 液，其中的细微油粒和水已经形成稳定的体系。由此可见这种利用油 水自然分离过程是以油滴直径迅速增大到一定范围为前提条件，否则 油水界面不能形成也就谈不上进行油水分离。 2 2 1 油水分离的数学模型介绍 对于单液滴运动规律的情况一般用斯托克斯公式来描述。在低雷 诺数下，直径为d 。的小球在粘性液体中沉降，称为极慢运动。这时惯 性力可以忽略不计，而粘性力起主要作用，由此出发可以推导出著名 的斯托克斯公式。【z 5 1 斯托克斯定律公式： i u v t 。 iid p u 入p w 。p o 么 一 机械科学研究院硕士学位论文 不均匀以及液滴群的浮升行为等特点，要对式( 2 - 1 ) 进行修正。 y ：旦v ( 2 - 2 ) 【1 9 】 一 巾 式中：y ：一油滴实际上升速度，m s ； b 浑浊污水中油粒上浮速度的降低系数，一般为o 9 0 9 5 ： 中一考虑水流不均匀时，如紊流等因素的修正系数，一般 取1 3 5 1 。5 0 。 式( 2 - 2 ) 是油粒在污水中的实际上浮速度的修正值计算公式，工 业运行可根据此式进行估算。 2 2 2 界面现象1 8 1 1 ) 表( 界) 面张力表面张力是液体( 或) 固体表面的一种性 质。液体( 或) 固体的分子在体相内部与表面所受吸引力是不同的， 如将液体内部分子搬到液体表面而增大表面积时，需要克服内部分子 的吸引力而消耗功。因此，表面张力可定义为增加单位面积所消耗的 功，其s i 单位为n m 。有许多因素可以影响物质的表面张力。表面 张力与物质本性有关。温度升高时，一般液体的表面张力都会降低， 且成线性关系。表面张力一般随压力的增大而减小。当两相互不相溶 的液体或液体与固体时，作用在界面上的张力一般称为界面张力。 2 ) 润湿润湿是常见的界面现象。常见的润湿过程往往涉及气、 液、固三相，因此存在着气液、液固与气固三个相界面，但三相之 间的直接接触是在一条三相线上。在气。液。固系统的三相线上作用的 三种界面张力0 。、0 。、o 。一般服从下列y o u n g 方程 os g = os l + ol 6 c o s0( 2 - 3 ) 式中：0 称为接触角。 接触角( 又称润湿角) 是自液固界面经过液体到气液界面之问 的夹角，如图2 2 接触角示意图所示，即在三相接触点上，由固液界 面与气液界面构成的0 角叫做接触角。( 2 - 3 ) 式是研究润湿的基本公 式，又称为润湿方程。此式适用于均匀的表面及固液间无其它特殊作 1 6 机械科学研究院硕士学位论文 用的平衡系统。 对材料的润湿性指被液体润 湿的程度，一般用接触角来表示。 接触角e = o o 时液体对固体完全润 湿，接触角在范围内0 。 9 0 。时为疏水材料( 液体为水时) ，接触角o = 1 8 0 0 时液体对固体不润湿。同理当液体是油时，相应地称之为亲油材料、 疏油材料。 接触角的测定方法对于大块固体的接触角，通常用液体法或气 泡法做直接测量，一般资料均有介绍。根据式( 2 - 3 ) 可知，当固体、 液体表面张力及固一液界面张力的数值一定时，接触角的数值也一定。 但是许多试验表明，无论用什么方法测量接触角，都会发生一个现象： 当增加干净固体表面上液滴的体积时测量的接触角比减少干净固体表 面上液滴体积时测量的接触角大。前者称为前进接触角，以0a 表示； 后者称为后退接触角，以or 表示。两者的差值( oa 0r ) 称为接触 角滞后。产生接触角滞后的主要原因是：固体表面的粗糙不平与表面 不均匀，表面受到了污染。 固体粉料和液体润湿问题粉料的比表面大，直接测量接触角困 难。目前应用较多的是w a s h b u r n 的动态法测量前进接触角。此法系 称一定量粉料( 样品) 装入下端用微孔板封闭的玻璃管内，并压紧至 某固定刻度。然后将测量管垂直放置，并使下端与液体接触，记录不 同时间t s ) 下液体润湿粉料的高度h ( c m ) ，h 和t 的关系可用下列 w a s h b u r n 公式表示： 2 ：c f o c o s 8f 2 野 ( 2 4 ) 式中： 一液体润湿粉料的高度，c m ； c 一对毛细管的无规取向的校正因子： f 一粉料间空隙的毛细管平均半径，c m ； 一1 7 - 机械科学研究院硕士学位论文 盯液体的表面张力，n m ； 口一液体对该粉料的接触角，。； 刁一液体的粘度，p a s ； ，一液体润湿粉料的时间，s 。 由式( 2 - 4 ) 可知，以h 2 _ t 作图可以得到一条直线，由直线斜率可 求出接触角0 ，其中cf 可选用一种渗入速度最快的液体做标准通过 实验测定。 织物的润湿，其接触角仍可用( 2 4 ) 式求取，由于该式在推导过程 中考虑了毛细管中的渗透过程。织物是由无数纤维组成，纤维问构成 了大量毛细管，式( 2 - 4 ) 可适用于毛细管半径小于0 5 m 的情况。 如果织物由两种细纤维织成，设一种纤维所占面积分数为f t ，另 一种为f 2 ，则有 c o s 0 一 c o s s l + ，2c o s 8 2 ( 2 - 5 ) 式中：b ，吼一液体在二种纯纤维上的真接触角，。； 目一两种纤维组成的复合表面的实际接触角，。 如果织物为种纤维的网状织物，则正为纤维间的空隙面积分数， 式( 2 - 5 ) 可写成 c o s 8 = c o s o j 一，2( 2 - 6 ) 式中其余字母含义同( 2 5 ) 式。 实验证实，水在纤维织物上的接触角口随五变化规律服从式( 2 - 6 ) 的描述。 2 2 3 阻截除油工作机理分析 由( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 可知，对于同一种含油污水，在其它条件不变 的情况下，可以把p 。p 。g 和“视作常数，那么雌与d ，2 成正比关系， 即畦“d ，2 。引入系数k ，令k = 蒿( p ，一p 。) ，则有 v ：，k d 。2 ( 2 7 ) 由式( 2 - 7 ) 可知，如果能够让污水中的小油滴直径变大1 0 倍的 话，那么其在污水中的上升速度可以提高1 0 0 倍，这样就很快形成油 机械科学研究院硕士学位论文 水界面，然后就可以进行油水分离。所以使用物理方法的关键就转化 成如何使污水中的小油滴直径变大的问题。 目前人们通过各种办法来实现油滴直径增大，如延长浮升时问、 增设各种复杂的流道、多层波纹斜板聚结、利用粗粒化材料以及通过 吸附材料的吸附作用等方法使小油滴聚集成较大的油滴，以提高油水 界面的形成速度，从而实现油水分离的目的。 但是通过不断实践，人们发现采用这些方法对含油污水分离存在 先天的弱点，如建立在吸附除油基础上的分离方法，人们总是想方设 法增大吸附材料4 的比表面积5 以增强其吸附能力，然而在静态条件下， 有些材料吸附油量是其本身重量的1 6 倍，甚至有的材料可以达到1 8 倍，这些方法处理效果是明显的，但是在动态条件下即当处理污水的 流速大于0 5 m s 时，材料的吸油能力便由1 6 倍或者1 8 倍急剧下降至 2 倍甚至更低。造成其吸油能力急剧下降的原因是工艺装置不可能做 得很大，装置中的处理污水的流速增大使水流对吸附材料表面形成的 油薄膜的冲击力增大，油膜的吸附力不足以抵抗水流的冲击力被破坏 或脱离吸附材料，这样就没有油膜来吸附和粘结小油粒，从而导致设 备的除油能力降低。另外凡是建立在吸附技术上的材料，必然会存在 一定的饱和界限，吸附材料饱和后必须及时更换处理，否则会变成新 的油污染源。而且有些吸附材料再生困难，如果不处理就丢弃会造成 二次污染。 通过研究克服这些弱点的方法人们受到了启发，既然这些方法存 在一些先天的弱点，是否应该从另外的角度去研究油水分离的机