（环境工程专业论文）一种波纹板聚结油水分离器的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文针对含油废水中浮油、分散油的处理，将重力法与聚结技术相结合，设计制作 了波纹板聚结油水分离器，并对其内部构件如入口构件、布液构件、聚结构件、集油构 件及出口构件等进行了刨造性的优化设计，改善了水力条件，强化了重力油水分离过程。 其中聚结构件的优化设计和聚结材料的表面改性是提高油水分离效果的关键，直接影响 到设备的除油效率。 在聚结构件结构的设计上，采用横向流进水，利用波纹板提供的曲折通道和非常大 的聚结表面，产生近似于正弦波的水流，使分散油珠发生最大程度的聚结。以斯托克斯 公式和浅层沉淀理论为依据，进行板长、板宽及板间距的选择，并以雷诺数验证水流的 层流状态；在聚结材料的选择上，通过测量油在备选材料上的接触角并考察其有效、 经济、耐久性，最终确定经改性剂a 进行表面改性后的镀锌板作为该油水分离器的聚 结板材。并通过试验验证了改性后的镀锌板具有良好的除油效果及很强的耐腐蚀性。所 设汁的装置可去除2 0 i x1 1 3 以上的油珠，出水含油量小于1 0 m g l ，基本达到设计要求。 同时本文对该装置的运行参数进行了考察，试验表明：板间流速宜控制在5 m h 左 右。该设备对进水含油量的波动适应性强，当进水在3 0 2 0 0 m g l 变化时，出水含油量 只有较小变化，一般小于l o m g l 。水温对出水含油量有一定影响，即温度升高，设备 除油率越高。 本文还将过滤、粗粒化、布气气浮三种方法分别与波纹板组聚结构件联合使用，并 首次将薄板受迫振动应用于油水分离器。试验结果表明，除布气气浮外，其他三组工艺 都可使出水含油量小于5 m g l 。其中加设过滤组件的去除效果最好。加设布气气浮后， 因为破坏了分离器内所需的层流水力条件，而使分离效果变差。加设振动与粗粒化效果 相当，说明加设振动有较好的分离效果，并且不存在粗粒化材料的堵塞、吸附饱和等现 象，具有非常广阔的应用前景。 关键词：含油废水油水分离聚结粗粒化波纹板接触角振动 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg r a v i t ya n dc o a l e s c e n c et e c h n i q u e sa r ec o m b i n e di nt h i st h e s i s t o d e s i g na n d c o n s t r u c tt h eo i l w a t e r s e p a r a t o r t h e m a i n c o m p o n e n t s o ft h e s e p a r a t o r a r em a d e o p t i m i z a t i o nd e s i g n t h es t r u c t u r ea n ds u r f a c ep r o p e r t i e so ft h ec o r r u g a t e dp l a t e sa r ec r u c i a l t oo i lr e m o v a l e f f i c i e n c yo f t h es e p a r a t o r t r a n s v e r s ef l o wi si n t r o d u c e df o rt h ed e s i g no ft h ec o a l e s c e n c ec o m p o n e n t z i g z a g c h a n n e l sa n d e x t r a o r d i n a r yc o a l e s c i n gs u r f a c e a r eu s et op r o d u c es i n u s o i d a lf l o w , w h i c h g i v e s r i s et om o r e f r e q u e n t c o l l i s i o n sb e t w e e no i l d r o p l e t s a c c o r d i n g t ot h es h a l l o wp o o l s e d i m e n t a t i o nt h e o r ya n ds t o c k sf o r m u l a ，t h el e n g t h ，w i d t h ，a n dt h es p a c eb e t w e e nt h e p l a t e s a r ec a l c u l a t e da n ds e l c c t e d ，m e a n w h i l er e n a u l tn u m b e r b e i n gu s e dt oa s s u r el a m i n a rf l o w w h i l et h es e l e c t i o no fm a t e r i a l ，b ym e a s u r i n gt h ec o n t a c ta n g l eo fo i lo nm a n yk i n d so f m a t e r i a l sr e s p e c t i v e l y , a sw e l la sc o n s i d e r i n gi t se c o n o m i cc o s ta n dw e a r , s u r f a c em o d i f y i n g a g e n t aa r es e l e c t e dt ot r e a tt h es u r f a c eo f t h e g a l v a n i z e di r o n i t sh i g ho i lr e m o v a le f f i c i e n c y i sv e r i f i e db ye x p e r i m e n ts u b s e q u e n t l y t h ed i a m e t e ro fo i ld r o pm o r et h a n2 0 l l mc a nb e r e m o v e d b y t h es e p a r a t o r , t h ec o n t e n to fo i li ne f f l u e n ti sl e s st h a n10 m g l t h ep e r f o r m a n c eo ft h eo i y w a t e rs e p a r a t o ri ss t u d i e db ye x p e r i m e n t s t h ev e l o c i t yo f t h ef l o wb e t w e e n p l a t e ss h o u l d b ec o n t r o l l e da t5 m h t h es e p a r a t o rh a st h eg o o d a d j u s t a b i l i t y t ot h ef l u c t u a t i n go i lc o n t e n ti ni n f l u e n t w h e nt h eo i lc o n t e n ti ni n f l u e n tv a r i e sf r o m3 0t o 2 0 0 m g l t h eo 订c o n t e n ti ne f f l u e n ti sg e n e r a l l yl e s st h a n lo m g l t h et e m p e r a t u r eo f w a s t e w a t e ra f f e c t st h eo i lr e m o v a le f f i c i e n c y t h eh i g l a e rt h et e m p e r a t u r eo fw a s , t e w a t e r i s ， t h eb e t t e rt h e q u a l i t yo f e f f l u e n ti s t h ef i l t r a t i o n ，c o a l e s c e n c e ，a n df l o a t a t i o na r ec o m b i n e dw i t l lt h ec o r r u g a t e dp l a t e s r e s p e c t i v e l yi nt h eo i l w a t e rs e p a r a t o r , s h e e tm e t a lc o n t a c tv i b r a t i o ni so r i g i n a l l yu s e di nt h e o i l w a t e rs e p a r a t o ra sw e l la s t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ，e x c e p tf l o a t a t i o n ，t h ec o n t e n to fo i li n e f f l u e n ti sl e s st h a n5 m g l t h ee f f e c to fa p p l y i n gv i b r a t i o nc l o s e st ou s i n gc o a l e s c e n c e ， w i t h o u tt h e p r o b l e m s o fj a l na n d a d s o r p t i o n s a t u r a t i o n i th a s p r o m i s i n ga p p l i c a t i o n f o r e g r o u n d k e yw o r d s ：o i l yw a s t e w a t e r o i y w a t e r s e p a r a t i o nc o r r u g a t e dp l a t e s c o a l e s c i n g c r u d e c o n t a c t a n g l e v i b r a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王- 5 数 日期：如4 邻弓；月工占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密彤 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者签名：主欺 日期：j 牛年彳- n a 8 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 含油废水对环境的污染主要表现在对生态系统及自然环境的严重影响。流到自然水 体中的可浮油，形成油膜后会阻碍大气复氧，断绝水体氧的来源：而水中的乳化油和溶 解油，由于需氧微生物的作用，在分解过程中消耗水中溶解氧，使水体形成缺氧状态， 以致鱼类和水生生物难以生存。含油废水排入城市排水管道，对排水设备和城市污水处 理厂都会造成影响，流入到生物处理构筑物的混合污水的含油浓度，通常不能大于 3 0 5 0 m e c l ，否则将影响活性污泥和生物膜的正常代谢过程，所以必须对含油废水加以 处理，达到标准后才能排放。 1 1 含油废水的来源及水质特征 含油废水的来源很广，石油工业的采油、炼油、贮油运输及石油化学工业都产生含 油废水，油轮压舱水、洗舱水、机械工业的冷却润滑液、轧钢水，以及食品工业等的废 水中都含有大量的油。含油废水中的含油量及其特征，随工业种类不同而异，同一种工 业也因生产工艺流程、设备和探作条件等不同而相差较大。 污水中不同形态的油有着不同的理化性质，在很大程度决定了相应处理方法的选 择。通常油类在水中主要以五种状态分布【1 1 。 ( 1 ) 浮油：这种油在水中分散颗粒较大，油粒径一般大于1 0 0ui n ，静置后能较 快上浮，以连续相的油膜漂浮在水面。 ( 2 ) 分散油：油在水中的分散粒径为1 0 1 0 0 t tm ，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。 ( 3 ) 乳化油：油珠粒径小于1 0 um ，一般为0 1 2 pm 。往往因水中含有表面活 性剂使油珠形成稳定的乳化液。乳化油的稳定性取决于废水的性质及油滴在水中分散 度，分散度愈大愈稳定。 ( 4 ) 溶解油：油以分子状态或化学方式分散于水体中，形成稳定的均相体系，粒 径一般小于凡微米。 。 ( 5 ) 固体附着油：吸附于废水中固体颗粒表面的油。 华中科技大学硕士学位论文 混入废水中的油类多数以几种状态并存，极少以单一的状态存在。般需采用多级 处理方法，经分别处理后才能达到排放标准。 1 2 含油废水的处理技术 含油废水处理的难易程度随其来源及油污的状态和组成不同而有差异。其处理方法 按原理可分为物理法( 沉降、机械、离心、粗粒化、过滤、膜分离等) ：物理化学法( 浮选、 吸附、离子交换、电解等) ；化学法( 凝聚、酸化、盐析等) ；生物化学法( 活性污泥、生 物滤池、氧化塘等) 吼下面介绍几种国内外常见的处理方法【3 羽。 1 ) 重力分离法：利用油水两相的密度差及油和水的不互溶性进行分离。沉降分离在 隔油池中进行，常见的有平流式( a p b 、平行板式( p p d 、波纹板式( c v i ) 等型式。平流式 隔油池的设计主要基于斯托克斯公式，由公式可求得一定表面积的隔油池所能除去的最 小油珠粒径。隔油池水流状态对除油能力和效果也有很大影响，最好的水流状态是层流 状态，它有利于油珠的上升和固相的沉降。根据以上理论，进而设计出了p p i 式、c p i 式、i p i 式( 斜板式) 等更为高效隔油池。这几种型式的隔油池与a p i 式相比较，占地面积 省，去油能力、排油能力及安全程度等方面明显提高，因此已被广泛应用。该类方法设 备结构简单，易操作，除油效果稳定，但对溶解性油类或乳化油是不适用的。 2 ) 聚结法( 租粒化法) ：利用油水两相对聚结材料亲和力的不同来进行分离，主要 用于分散油的处理。此法的技术关键是粗粒化材料的选择，许多研究者认为材质表面的 亲油疏水性是主要的，而且亲油性材料与油的接触角小于7 0 。为好。常用的亲油性材料 有蜡状球、聚烯系或聚苯乙烯系球体或发泡体、聚氨酪发泡体等。粗粒化法可以把5 l oum 粒径以上的油珠完全分离，无需外加化学试剂，无二次污染，设备占地面积小， 基建费用较低。但对悬浮物浓度高的含油废水，聚结材料易堵塞。 3 ) 凝聚法：也就是用絮凝剂除油的方法。常用的无机絮凝剂是铝盐和铁盐，特别 是近年来出现的无机高分子凝聚剂，如聚硫酸铁、聚氯化铝等，具有用量少、效率高的 特点，而且使用时最优p s 也较宽。虽然无机絮凝剂法的处理速度快，但药剂较贵，污 泥生成量多。有机高分子凝聚荆的研究发展很快，但目前有机高分子絮凝剂在含油废水 处理方面的应用仍然主要是用作其它方法的辅助剂。 4 ) 气浮法：通常采用的主要是加压溶气浮选法去除乳化油。因为空气微泡由非极 2 华中科技大学硕士学位论文 性分子组成，能与疏水性的油结合在一起，带着油滴一起上升，上浮速度可提高近千倍， 所以油水分离效率很高。常在含油废水中加入絮凝剂，还会进一步提高油水的分离效果。 目前该法已被广泛应用于油田废水、石油化工废水、食品油生产废水等的处理，但动力 消耗较大，构造复杂，维修保养困难。 5 ) 生物法：含油废水经隔油、浮选等处理后，出水油含量一般仍高达2 0 3 0 m g l ， 若废水中存在溶解性有机物，则c o d 和b o d 5 也很高，都达不到国家规定的排放标准， 尚需进行二级处理。二级处理主要采用活性污泥法和生物滤池法。生物处理法近年来已 有不少改进，新的发展包括曝气塔、深井曝气、纯氧曝气以及循序间歇式生物处理等， 这些方法都不同程度地提高了对含油废水的处理效率。 6 ) 电絮凝法：以金属铝或铁作阳极电解处理含油废水的方法，主要适用于机加工工 业中冷却润滑液在化学絮凝后的二级处理【7 】。国内外使用较多的是小间隙( 1 m m ) 高流速 旋转电极装置，但此种方法存在着阳极钝化问题。电絮凝法具有处理效果好、占地面积 小、操作简单、浮渣量相对较少等优点，但是它存在阳极金属消耗量大、需要大量盐类 作辅助药剂、耗电量高、运行费用较高等缺点。 7 ) 膜分离方法：膜分离法是s s o u d r a j a n 所开拓并在近4 0 多年迅速发展起来的分离 技术，用超滤法处理原油废水以及结合盐析用反渗透法处理乳状液废水的研究已有不少 报道，若采用反渗透和超滤联合处理，则在除油的同时还可降低c o d 和b o d 。膜分离 技术关键是膜组件的选择。在分离过程中极易由浓差极化等原因造成膜污染，而使通量 降低，膜的使用寿命短，膜清洗困难，操作费用高。 8 ) 磁分离法：将磁性颗粒与含油废水混合，油珠被磁性粒子吸附，然后用磁分离装 置将含油磁粒分离污水便可得到净化。针对钢铁企业废水含有氧化铁皮磁性颗粒的特 点，己研制出高梯度磁分离器和磁过滤器等装置，不仅可除去废水中悬浮物的油，还有 一定的防垢除藻作用。但因设备昂贵，动力消耗大，磁种回收循环使用困难，应用尚不 广泛。 9 ) 水力旋流：属于离心沉降，利用不同密度、不互溶的两相在水力旋流器中高速 旋转时相对产生的离心力的差异而达到分离的目的。这种分离器比传统的分离器处理效 率高、占地少、结构简单，可单级和多级串联使用。其缺点是高流速产生的紊流将部分 分散油剪碎，使之成为更细的分散物，从而使分离效率降低。其次运转费用很高【8 】。 华中科技大学硕士学位论文 综上所述，含油废水的处理方法虽然较多，但各种方法都有其局限性，在实际应用 中通常是几种方法联合分级使用，使出水水质达到排放标准。 1 3 重力油水分离技术的发展 多年来重力分离法作为一种基本而简便的物理除油方法，不消耗药剂，无二次污染， 运行维护费用低，一直是国内外学者研究的热点 9 - 1 3 1 ，下面重点介绍重力油水分离技术 的发展过程。 1 ) a p i 型油水分离池( 平流式隔油池) a p i 型油水分离池是由a p i ( a m e r i c a n p e t r o l e u m i n s t i t u t e ) 研制出来的装置。在构 造方面，为回收漂浮的油而增加了回转式集油管，其它则与平流式沉淀装置完全相同。 目前此类型装置在国内钢铁企业应用较多。平流式隔油池占地面积大，构造简单，维护 容易、使用较为方便，除油效率达6 0 7 0 ，可除去的最小油滴粒径为1 0 0 1 5 0 肛m 。缺 点是占地面积大。 2 ) p p i 型油水分离池 所谓p p i 型油水分离池( 平行板式隔油装置，p a r a l l e lp l a t ei n t e r c e p t o r ) ，是由壳牌 ( s h e l l ) 石油公司于1 9 5 0 年研制出来的斜板式油水分离池【1 4 】。它是在平流式隔油池内 沿水流方向安装数量较多的倾斜平行板，不仅增加有效分离面积，而且也提高了整流效 果。斜板间距为l o o n u n ，倾角为4 5 0 。在斜板内被分离的油，沿着斜板的下面上升，而 后收集到捕油顶盖内，再从顶盖一端的溢流管流出，从而回收原水中的油珠。这种装置 可去除大于8 0 9 m 的油珠。 3 ) c p i 型油水分离池 c p i ( c o a g u l a t e d p l a t ei n t e r c e p t o r ) 为波纹斜板式隔油装置，也是由壳牌( s h e l l ) 石 油公司研制出来的一种斜板式油水分离池。和p p i 型油水分离池一样，它也是一种斜板 式分离装置。但斜扳的形状不是平板，而是波纹板。而且，由于斜扳的间距为2 0 4 0 m m ， 所以可以使每单位容积的分离面积增大。设计分离大于6 0 p r n 的油珠。其优点是油水分 离效果好，停留时间短( 一般不超过3 0 分钟) ，占地面积小。 4 ) c p s 聚结板分离器 英国f r a m 公司于7 0 年代初开发了先进的聚结板分离器( c o a l e s c i n g p l a t es e p a r a t o r ) 4 华中科技大学硕士学位论文 1 6 - 1 7 ，其中的聚结元件为一叠v 型板，聚结板由玻璃纤维制成，板上有放液孔，允许 聚结油滴垂直穿过板。该设各主要适合处理含油量在2 0 0 1 0 0 0 m g l 的污水，出口水质 在5 0 m g l 左右 1 8 】。通过现场应用证明了其独特的优越性，使油水分离向前迈进了一大 步。 5 ) p e r f o r m a x 板式聚结器 到了8 0 年代美国c - en a t c o 公司开发了商标为p e r f o r m a x 的板式聚结器，这是 一种错流设备【1 9 - 2 0 1 。其聚结部分是由多层斜板重叠而成( 如图1 1 ) ，与单层板式聚结 器相比，可大大提高分离效率，而且不易阻塞。聚结部分可由不同材料制造，如聚丙烯、 不锈钢和碳钢。在相同的运行条件下，该装置的处理能力远远大于以往的分离器，成为 油水分离向高效、小型化发展的关键技术。 图1 1p e r f o r m a x 板式聚结器的多层斜板截面图 f i g 1 一li n c l i n e dp l a t e si np e r f o r m a xc o a l e s c i n gs e p a r a t o r ( s e c t i o n a lv i e w ) 8 0 年代以来，水力旋流分离技术的开发应用成为油水分离技术发展的标志，具有设 备体积小，停留时间短，处理效率较高的优点。但由其分离原理所决定的高流速对含油 废水会造成严重的二次乳化，要求进出口较大的压差作为运行能量，而且对排液控制要 求高，因而在一定程度上限制了该技术的工业性应用【2 m 2 1 。这期间在重力沉降分离领域， 仍以填料式分离器为主，并逐渐与聚结技术相结合口3 也4 】，在世界范围内得到广泛应用。 重力分离法主要适用于浮油和机械乳化分散于水中的油珠分离，对于含有表面活性 剂的含油污水，油珠在水中的分散状态非常稳定，几乎不受重力影响，不能应用重力分 离原理进行分离处理。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 课题来源及本文的主要工作 重力分离法是去除水中浮油、分散油的传统方法，从工业实用的角度来看，利用水 和油密度差的重力分离过程最为经济，并且国内外经验表明，这种方法处理的效果是较 好的。重力分离法经过几十年来的不断完善，以其无可比拟的优点在国内外已广泛应用 1 2 5 - 2 6 ，而重力分离与聚结技术相结合后，最大程度地提高了除油效率，成为当今油水分 离领域的研究热点。其中聚结材料的表面性质，是影响油水分离效率的重要因素。 继平流式隔油池之后，以上所提到的几种重力式分离设备，都是将重力分离与聚结 技术相结合，并且随着油水分离设备的发展，两者结合得越来越紧密，从而大大地提高 了除油效率。但同时在应用中也存在一些问题，如不能同时兼顾聚结材料的亲油疏水性、 耐腐蚀耐老化及经济性，分离器内部的水力条件仍不够理想等问题。在今后一段时期内， 减小板间距提高板式分离器的分离精度，选择适当的板材强化板式除油器的除油过程， 改善设备内部的流动特性，是优化和改进现有处理技术的思路，因此本文主要致力于以 下研究工作： 1 ) 通过对几种备选聚结材料表面性质的研究及油在材料表面形成的接触角的测 定。开发出新型的聚结材料，并制作成波纹板组。 2 ) 为验证所开发的聚结材料的性能并将其应用于实践，设计制作波纹板油水分离 器，并且在前人研究的基础上对其局部构件进行改进，提出一种优化的波纹板聚结油水 分离器的设计方案。 3 ) 对该油水分离器进行小试规模的试验研究，并初步尝试该设备与其他含油废水 处理方法联用的处理效果。 华中科技大学硕士学位论文 2 波纹板聚结油水分离器的优化设计 2 1 油水重力分离过程的强化分析 重力法脱除水中的油珠其基本原理是利用油、水密度的差异，而使油滴浮升分离。 对一定粒径的油珠来说，在层流条件下，油珠浮升符合斯托克斯( s t o c k s ) 公式： “2 击o w p 。； 式中“一油珠颗粒的浮升速度，m s ， g 一重力加速度，n a s 2 ： 2 一污水的动力粘度，p a s 几一污水的密度，k g m 3 , o o 一油的密度，k g m 】： d o 一油珠颗粒直径，l a r n 。 又由隔油池的表面积：a = d 三 w0 一隰油浊表面积，一 9 一废水设计流量，m 3 ，l l “o 一油珠的设计上浮速度，m h a 对隔油池表面积的修正系数，该值与池容积利用率和水流紊动状况有 关，q l 。 那么对某一粒径的油珠，其脱除效率可表示为： 露：豪：羔c d ，确b ；露2 i 2 而妒一一p 。o 可以看出，当c t 一定时，脱油效率只与油滴粒径d o 及表面负荷9 ，a 有关，而与油滴 7 华中科技大学硕士学位论文 浮升高度无关( 即所谓“浅池原理”) 。因此，重力法油水分离过程的强化，就集中于 以下三个方面： 1 依据“浅池原理”的改进 可以采用低浮升高度的多层结构，以提高油滴脱除效率和缩短含油采出水在设备中 的停留时间。采用多层结构可以脱除的最小油滴粒径可依下式【2 7 1 计算： l ，b 一多层板的长和宽，m n 一多层板的层数 从式可以看出，采用多层板结构，增大浮升面积从而降低表面负荷。多层板间距 越窄，表面积就越大，在相同处理量下，可以脱除粒径更小的油滴，从而提高其脱油效 率：或在相同的脱油效率条件下，处理量可以提高。多层板油水分离器的板间距一般为 4 0 6 0 m m 。斜板隔油池就属这类除油设备，但由于板间距较大，且不能十分保证水流分 布均匀，故其处理效率不高，设备也不能紧凑化。 2 采用聚结技术 从式还可以看到，油滴粒径越大，则脱油效率越高。如能使含油污水中的细小油 滴合并为大油滴，则能使脱油效率得到较大幅度的提高。采用物理方法使油滴合并，从 经济上讲是最合适的，这就是油滴的聚结，其原理是让含油污水通过由表面亲油的固体 物质构成的填充床层，水中细小油滴就会粘附在填充床层表面上，逐步积累，变成大油 滴而得以加速分离。一般来说，聚结床层所用材料应是表面亲油疏水的物质，即油、固 表面接触角应小于7 0 。，接触角越小，亲油润湿性能越好【2 8 】。当然接触角也不能过小， 否则油将难以靠水流剪切力离开材料表面，这样易造成聚结材料的堵塞。常规的聚结法 是采用亲油疏水性质的粒状或纤维状材料填充聚结床，在一定流速下，使含油废水通过 聚结床来达到油水分离的目的。为避免材料堵塞问题，需定期反冲洗。 3 减小a 由式可知，n 减小，可提高脱油效率。o 主要与池容积利用率和水流紊动状况有 关。n 是雷诺数r e 的函数 华中科技大学硕士学位论文 r e ：d o p w u 在明渠流中当r 启 3 0 0 ：在平行板间的流动中当r e 5 0 0 时，为层流。s t o c k s 公式仅 适用于水流运动为层流状态时，随着雷诺数的增大，分散油珠受水流湍动影响，运动轨 迹发生变化，导致油珠随水流发生无序运动，为了保证油珠的有效上浮，总是尽可能将 水流控制在层流区域( r e t l 时，表示油珠在板内的流动时间大于上浮时间，则油珠可以被 去除。 在实际运转过程中，油珠的上浮过程是十分复杂的，影响因素很多。如油的密度、 粘度，进出口水流得不均匀性，油珠之间的相互碰撞、干扰，污水中杂质的沉降等，因 此油珠的浮升过程决不是理想状态，所以在应用中必须修正，才使油珠上浮符台实际。 考虑上浮速度“，受水流阻力上浮速度的降低系数由，常取1 3 5 1 5e 3 4 】；及分离器内 容积利用率和水利条件的修正系数c l ，常取1 2 8 1 7 4 【3 5 l ；则1 7 8 q 中 t l 时。油珠即在板的下 表面展开成膜，认为被去除。但在实际情况下，由于水流的紊动，计算所得的t l 并不准 确，与实际相差较大，根据1 7 8 6 0 时，都可满足t 2 t i 2 。板组数太多，则处理 效率低，费用增加。因此最终取扳组层数n = 6 0 。 ( 4 ) 雷诺数r e 的校核 表2 1 中还对雷诺数r e 进行了计算。 雷诺数r e 是表征水流状态的参数。由流体力学知，流体在平行波纹板间流动时，雷 诺数 r e - - v r u = v u ，ux u 一过水断面积； u 一水在2 0 u 时的运动牯滞系数： 华中科技大学硕士学位论文 x 一湿周。 又在本设计中( i ) = xa ，x = 2 l l 贝u r e 叫( ) 1 3x = v 九a u 2 l l 一波纹板波长，3 2 m m ； ，l 一一个 的展开长度，3 8 r a m r e 2 0 0 0 ，为紊流。 从计算表中可以看出r e 均小于5 0 0 ，说明采用波纹板组能很好地满足层流运动，水 力条件较好。 ( 5 ) 油水分离器尺寸的确定 据以上分析，确定聚结板组尺寸长宽高：9 0 0 5 0 0 4 2 0 ，板组层数为6 0 块， 板间距为6 m m ，停留时间为分离有效容积与流量的比值，一般取2 0 m i n 左右。同时考虑 进、出水预留空间及布水板设置，尽量使设备结构紧凑，最终确定设备外形尺寸长宽 高：1 5 0 0 x5 0 0 x 5 0 0 。图2 5 为波纹板聚结油水分离器的设备示意图。设备箱体采用 3 m m 厚的冷轧钢板制作。 取装罱容积有效利用率为0 9 ，则实际停留时间为： t = v q = 1 5 0 5 0 5 0 9 1 x 6 0 = 1 9 6 m i n 进 集油槽 7 k 桶八a 厂八 a y r y 八八八，八八八厂八八， 。八 八八八八a 厂八八，八八 ，厂八八， 八，厂厂八八，八八 ，八，八厂八八， n n n n 以n n n 以以n a 以以n n n t n n n 以 a n a n n n a n n a n a 以n n 以 n n n n n n a n n n n n ，n 以n a a 以以n n n a n 以以n a 以 a n n a 以 以n 以n 以以n n n a n ? n n n n a n n n n n 以n n 以n a n 管放空管u 图2 5波纹板聚结油水分离器示意图 f i g 2 5s k e t c ho f c o r r u g a t e dp l a t e sc o a l e s c i n g o i l w a t e rs e p a r a t o r 表2 2 是在该装置的设计尺寸已确定的情况下，不同油珠粒径( 1 0 um 6 0 um ) 对应的t 2 t l 。t 2 t l 越大，则表示该粒径的油珠越容易被去除。 有资料3 6 1 显示，分离装置内的压力增大，会使泵的排出液乳化程度加重，并考虑检 修，节省能耗等因素，本装置设计在常压下工作。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 墨 萎。量 暮羞嚣曼墨暑毫詈 至舞叠脔高箩受璺 气一- n n 小 oo h一“n“ 嗡、。吣 西凸蚤奇昏小 譬譬2 = 兰= ht qc , i n 一“ 0 嗨on 心 璺2 “一舌 景象基鲁杀害小心小a 昏d ”卜一。帆q c ；6 一“奇2 竺箜竺竺竺竺 = 兰兰= = 888888 口吣心 量薰景量景景 晷晷蒙晷虽晷 8 翕导暑瓮宝 1 5 母n o o o n n d 0 on o ”o o 寸小o o1 o 一一o q o 1 1 口一 ( u g 一 一口一尽一 s ，暑邑 嚣。 一叠兰u暑吕一一量邑摹基v _ ； ， ； 遥羞厦曾驶 l j = 日 ，i a 垦窖妞啦 鼎姆枢 q坷垦茁需螺翟蟮叵营稃避鼙垦曾齄糟耀晕睁起赣鞲鞲曙扈辎髑 半 蚓蛙 一s，基旨一宣i彳一 t l 口 越喇齄q聪删磺漂 芒髫善2鹕ipj。羔置ipll0量mi芝_q譬一。盘趔彗g墅鲁贴=r婶垦蓉臀爆匠辎g卷震翅巢匿k n 商噼 a 一 峪昏一 口a | 崞乱i n 一 口夺一崎昏一 心乱一 l c q ， 导i i o 口 8 n o o m _ 【 瓮z o o o n = 一 n 目 g c l o h 口 o o ”o o a 一 罱n o o o h 6 6 唧t ， 8 i ： o 口 u o o m 暑a _ n h g o o h n ”寸 心一一 o ” 均 o o ” o o n n n n o o o n 口 ， 嗣n o o o ”o o a 一 霜g o o n o n 叶目 矗a n o n 口 8 n o o 口 i n n n o o o n 寸n ”叶 吼。甘寸 o n 喝 o o ”o o 盘 一 n，nr0o o n 一 ； 写 o 一 8 n o o a 一 岛g o o n 睾go口删戳馥 一v l i n n，j蛊 趔卦屋“齄 “u v z 名lxn00一j j籁峰越据r臀*一n岳譬o：趟街囊 一，奄amo=越静长 一p。n。魁啊 一u | 邑 言县 一薹县 卷v 目邑目目一冒邑孽)薯目一 冒三 日 _ 一 口 j 口 豢粜恤 一哥星富臀堰星蜷童苔臀螺fri蟮星耋爱=r趟糕蟮。r船裁蹬熹辚酬呈鼙髑 丝 嘲爆 趟缎驶叫啦删龌曩 器量鲁耍省ip若苫考2嚣u焉rn。ibu h-乙q一盘眯姆淋盎譬籁羽鼙匠峰 _ 【文僻 华中科技大学硕士学位论文 2 5 主要功能构件的改进 油水分离器的内部结构对分离性能有很大的影响，为改善了设备内部的流动特性， 创造有利的水力条件，本文对其各内部构件进行了改进。该油水分离器主要由入口构件、 布液构件、聚结构件、集油构件及出口构件组成。下面对各构件的改进将做详细说明。 2 5 1 入口构件 其功能主要是吸收进入设备高速液流的动能，稳定流态，减少入口射流对流场的冲 击。以前分离设备的研究及设计仅偏重于填料的选择和沉降区结构的设置，而忽略了入 口构件在整个分离过程中所起的作用。实际上，一台性能良好的分离设备应该是各种构 件相互协调、流场流态平稳，这样才能最大限度地发挥分离设备的潜能。所以说入口构 件也可称之为分离区的必要组成部分。事实上，入口构件设置的优劣不仅影响分离设备 的流态，而且对其分离效率也有着很大的影响。 图2 6 a 是早期设备中使用的平面挡板式入口构件。这种结构的最大不足是审液性能 较差，容易导致后继流场分布不均，甚至产生沟流、短路流等。 图2 6 a 挡板式入口 f i g 2 6 a b u f f i et y p ei n p u tc o m p o n e n t 图2 。6 b 蝶形入口 f i g 2 6 b d i s h t y p ei n p u tc o m p o n e n t 苗2 6 b 所示是典型的碟形入口构件，最早由美国的b s & b 公司率先推出【3 7 1 ，在结构 上多呈碟形或半球形，工作时以其凹面迎着设备的混合液进口，高速进入设备的液流首 先冲击到碟形人口件的内表面，使速度的大小和方向被迫发生突然变化。较重相介质因 惯性较大，沿壁面流动；较轻相相介质则被推向中心低压区域，远离壁面流动，从而有 一定的预分离效果。但顺碟碗下淌的流体对流场的冲击仍然较大删。 膏毫， 萄强 华中科技大学硕士学位论文 本文设计中采用t 型入口构件如图2 7 ，高流速来液首先进入管段1 ，进入管段2 后，其速度方向被迫发生9 0 。改变，这一过程可吸收大量动能。同时在管段2 的管壁上， 以管轴线为中心打有放射状小孔，使得管段2 沿途发生泻流，减小管末端的动能。另外 管段2 与分离器壁有一定距离，如流速仍过大，分离器壁可再次吸收来液动能，避免短 路流和沟流，减少对流场的冲击。 2 5 。2 布液构件 _ 1 。一 i 2 一 i 一 2 _ 一 l 图2 7t 型入口构件 f i g 2 7 t t y p ei n p u tc o m p o n e n t 布液构件主要起着稳定流体流态，消除或减缓流场中的沟流、短路流和涡流现象的 作用。重力式油水分离过程要求主分离区的流场应均匀、稳定，且主分离区愈大，流场 愈均匀、稳定，分离效果愈好。而入口构件只能起到消能作用，所以需设置布液构件来 均匀液流。下面介绍几种常见的布液构件。 格栅式如图2 - 8 ：对设备的流动特性并无大的改善，其原因主要在于该构件的有效 流通截面较大，而过流长度又相对较短，因而稳流、整流作用不够明显。 孔板式：该构件的引入，能将孔板前的复杂三维流动，有效地整流成相对均匀的二维平 面流动，可明显改善设备的流动特性。虽然流场中还不同程度地存在二次涡流( 局部区 域内的涡流) 现象，但回流与返混现象基本消除，且该构件具有结构简单、紧凑，便于 制造的特点1 3 。在大型的水处理设施中，广泛采用的穿孔墙也是同样作用。 华中科技大学硕士学位论文 图2 8 格栅式 f i g 2 8g d l l ed i s t r i b u t i n gc o m p o n e n t 图2 9穿孔板式 f i g 2 9h o l e p l a t ed i s t r i b u t i n gc o m p o n e n t 因此我们自行设计了穿孔布液板如图2 9 所示。其孔径6 m m ，孔中心间距2 5 m m ，穿 孔率为4 5 。在板的上下两端各留有定空间不打孔，上端不打孔是为了避免水流从板 组上方通过。当液流从管道进入分离器时，因空间的增大而使流速突然下降，必然引起 废水中一部分悬浮物的沉淀，下端不打孔可起到一个挡板的作用，防止水流将已沉淀的 物质冲入板组，使其堵塞。中间打孔部分能很好地起到均匀分布水流，将水流的三维运 动变为二维运动，确保流场的均匀稳定。 2 5 3 聚结构件 聚结构件是油水分离器的核心部分，而聚结材料的表面性质和板组结构是影响除油 效率的重要因素。关于聚结材料的选择将在第3 章做详细讨论，本节只讨论聚结构件的 结构。 e h s t o c k s 公式可以看出，油滴粒径越大，则脱油效率越高。如能使含油污水中的细 小油滴合并为大油滴，则能使脱油效率得到较大幅度的提高。采用物理方法使油滴合并， 从经济上讲是最合适的，这就是油滴的聚结。其原理是让含油污水通过由表面亲油的固 体物质构成的填充床层，水中细小油滴就会粘附在填充床层表面上，逐步积累，变成大 油滴而得以加速分离。 聚结分离法的分离元件可以是纤维状材料，也可是粒状材料，实际使用过程中这两 种形式都将不可避免地产生吸附饱和或者堵塞现象，从而导致分离设备失效，需要不断 1 9 华中科技大学硕士学位论文 更换聚结材料，这种现象发生是由其分离原理所决定的。 而与重力分离法相结合，采用板状聚结材料重叠组合来增大接触面积，促进油珠聚 结增大，可提高分离效率，避免流通通道堵塞，也不存在吸附饱和现象，因而能够实现 工艺处理过程的连续操作。 本设计采用经表面处理后的波纹板组水平放置，除具有聚结材料所要求的表面亲油 疏水的性质外，波纹板的特殊结构为油水分离提供了有利条件。它与常规重力除油技术 相比主要特征是：因为水平波纹板间距只有几毫米，上升高度小，可以分离直径为2 0 u m 以上的油珠，并且因为水流流向是不断变化的，可产生近似于正弦波的水流。使小油 珠相互碰撞成大油珠上浮得以分离去除【3 9 1 。 油珠浮集分离的过程大体是这样的，由于波纹板表面是亲油的，因此首先在波纹板 表面形成一层油膜，随着水流的不断经过，油膜逐渐加厚，借助油的表面张力形成定 大小油珠之后，受油珠本身浮力及水流的冲力使油珠脱落，随水流经波峰处浮油孔上浮。 再者由于波纹板是波浪形，其提供的曲折通道使水流呈近似于正弦波状态地流动，流向 不断发生变化，增加了油珠之间的碰撞机率，促使小油珠变大，加快油珠的上浮速度， 达到油水分离的目的。 另外，在波峰上的浮油孔可使油珠以近乎垂直的最短的距离上浮到液面，而在波谷 的漏渣孔可使沉渣下滑( 如图2 - 1 0 ) ，以确保板组的通畅，延长使用周期。反冲洗周期 视废水中悬浮物浓度而定，一般半年冲洗一次即可。 油水幌和液 凇硷聚蝴籼 少卜含 图2 - 1 0 除油漏渣示意图 f i g 2 - 1 0 s k e t c h o f r e m o v i n g o i la n d s l u d g e 处理后出水 华中科技大学硕士学位论文 波纹板的波长与波高之比，一般控制在8 0 左右1 3 ”。我们在市售波纹板中，选择了 镀锌波纹板做基材，其规格如下( 如图2 1 1 ) ： 图2 1 l波纹板尺寸参数 f i g 2 - 1 1t h e d i m e n s i o n o f c o r r u g a t e dp l a t e 长宽：9 0 0 5 0 0 波长：3 2 i t l n - i