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(guó)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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?cè)絹?lái)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(jí)聚結(jié)增大至毫米級(jí)［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(duì)聚結(jié)過程做如下簡(jiǎn)單描述［4-5］。混合液進(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(duì)纖維表面的潤(rùn)濕性、聚結(jié)元件的長(zhǎng)度［6］和空隙率［7］。關(guān)于纖維表面潤(rùn)濕性對(duì)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(rùn)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(duì)纖維表面潤(rùn)濕性并不會(huì)對(duì)分離效果起到?jīng)Q定性的影響。對(duì)于元件長(zhǎng)度的影響也存在著分歧:有人認(rèn)為存在著最小長(zhǎng)度，若要獲得較好的分離效果，選用的元件的長(zhǎng)度必須大于該最小值;而有人則認(rèn)為存在著最適宜長(zhǎng)度，選用的元件的長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(rùn)濕性以及長(zhǎng)度對(duì)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(píng)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(zhǎng)度)，并且對(duì)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(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)結(jié)論、使得不同尺寸間實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)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(zhǎng)0.60 m，內(nèi)徑32 mm，聚結(jié)元件的長(zhǎng)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［11］，本研究使用卡爾-費(fèi)休法測(cè)定原料油以及聚結(jié)濾芯下游柴油的含水量，以百萬(wàn)分率(10－6)表示，基于質(zhì)量計(jì)。并使用測(cè)定得到的樣品含水量以及柴油外觀來(lái)評(píng)價(jià)聚結(jié)分離效果。根據(jù)柴油國(guó)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(cè)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(wú)法直接測(cè)定，因此實(shí)驗(yàn)中通過測(cè)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(cè)定。具體的實(shí)驗(yàn)步驟如下:

1)將待測(cè)的纖維材料裁剪成10 mm×2 mm的長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)量聚結(jié)管內(nèi)徑d和聚結(jié)元件在聚結(jié)管內(nèi)的長(zhǎng)度L計(jì)算得到。根據(jù)測(cè)定，聚結(jié)管內(nèi)徑d=32 mm，3種聚結(jié)元件的長(zhǎng)度均為500 mm。表1為根據(jù)上述測(cè)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(zhǎng)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(duì)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(duì)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(wú)論是什么樣的聚結(jié)元件、無(wú)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(duì)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(cè)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(duì)不同潤(rùn)濕性的模擬聚結(jié)介質(zhì)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分散相能潤(rùn)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(rùn)濕性對(duì)分離效果的影響。為了找出聚結(jié)介質(zhì)潤(rùn)濕性對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(rùn)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(zhǎng)度和混合液停留時(shí)間的綜合影響

研究了聚結(jié)元件長(zhǎng)度分別為30、40和50 cm時(shí)，混合液停留時(shí)間對(duì)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(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)度和混合液停留時(shí)間對(duì)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(duì)這一結(jié)果的解釋為，當(dāng)聚結(jié)元件長(zhǎng)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(zhǎng)度并不會(huì)對(duì)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(zhǎng)度略微高于最小長(zhǎng)度Lmin即可。

3　結(jié)論

1)聚結(jié)元件空隙率對(duì)分離效果的影響最為明顯，對(duì)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(cè)定。

2)聚結(jié)材料本身的潤(rùn)濕性對(duì)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(duì)水-柴油混合液的分離效果較好。

3)以聚結(jié)元件最短長(zhǎng)度Lmin為界，混合液在聚結(jié)元件中的停留時(shí)間TR對(duì)分離效果的影響可分成2種:當(dāng)聚結(jié)元件長(zhǎng)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(zhǎng)度對(duì)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(duì)于特定體系，該聚結(jié)元件長(zhǎng)度最小值也要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

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