聚結元件性質對水-柴油混合液聚結分離效果的影響

張　哲，王日杰，楊曉霞

作為柴油發動機的燃料，柴油在我國有著廣泛的應用。柴油本身含水量極低，但在存儲運輸的過程中有可能會混入水，對于船用柴油機更是如此。水的存在不僅會縮短柴油的保存時間，降低柴油的品質，還會對發動機造成潛在的危害［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的乳化態液滴，布朗運動的影響使得重力沉降分離法失效［2］。為了解決這一問題，許多對其進行替代或強化的方法應運而生，聚結法具有分離效果好、投入少、能耗低等優點，因此受到了人們越來越多的重視。

所謂聚結是指多個小液滴融合成1個較大液滴的過程，而聚結分離法是指將混合液通入纖維聚結材料，使其中分散相的液滴由微米級聚結增大至毫米級［3］，從而實現聚結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。雖然聚結的機理尚未完全闡明，但仍可根據現有的機理對聚結過程做如下簡單描述［4-5］。混合液進入聚結床后，其中的分散相液滴與纖維發生碰撞進而在其表面鋪展，后續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動，最終從聚結床中脫離。

影響聚結分離效果的因素可分成混合液性質、聚結元件性質以及工作參數3大類。本研究的聚結元件的性質包括水對纖維表面的潤濕性、聚結元件的長度［6］和空隙率［7］。關于纖維表面潤濕性對分離效果的影響，人們的觀點并不一致:一些學者［2，8］認為可被分散相潤濕的聚結元件具有更好的分離效果;但也有學者［9-10］認為分散相對纖維表面潤濕性并不會對分離效果起到決定性的影響。對于元件長度的影響也存在著分歧:有人認為存在著最小長度，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使分離效果變差。除此之外，已有的文獻很少涉及元件空隙率對聚結分離效果的研究，而作者在初期進行實驗探索時發現空隙率對分離效果起著決定性的影響。

因此，本研究考察了聚結元件空隙率、潤濕性以及長度對水-柴油混合液聚結分離效果的影響，實驗中以分離后柴油的含水量最為評價依據。除此之外，由于本領域研究中不同學者使用的實驗裝置在幾何尺寸上差異較大(如聚結濾芯的橫截面積、長度)，并且對于流量的表示方式也不同(線速度、體積流量)，這給橫向對比造成了很多困難。為了解決這一問題，本研究將實驗裝置尺寸、空隙率和流速整合成了混合液在聚結元件中的停留時間這一參數，以期簡化實驗結論、使得不同尺寸間實驗結果的對比變得更加容易。

1　實驗

1.1　實驗流程

圖1為實驗裝置示意圖。

圖1　實驗裝置示意圖Fig．1　Schematic diagram of the experimental set-up

首先將柴油和水在均質機中乳化1 min(轉速為10 000 r/min)，將制備好的油水混合液轉移至原料儲罐1中，通過隔膜泵2將其輸送至水平放置的聚結管3內，聚結管總長0.60 m，內徑32 mm，聚結元件的長度可根據需要進行調節。油水混合液通過聚結元件后進入靜置罐4中，靜置罐高0.25 m，內徑90 mm，其中預先裝入一定量的水，使油水界面與聚結管底部平行，并保持界面在整個實驗過程中基本不變。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。為了保證分析的時效性，取樣后立即進行水含量分析。

根據相關國家標準［11］，本研究使用卡爾-費休法測定原料油以及聚結濾芯下游柴油的含水量，以百萬分率(10－6)表示，基于質量計。并使用測定得到的樣品含水量以及柴油外觀來評價聚結分離效果。根據柴油國三標準［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］)，而歐盟標準［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　聚結元件空隙率的測定

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

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

由于聚結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驗測定。具體的實驗步驟如下:

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的分析天平上稱質量，記作m1。

2)向25 mL量筒中預裝入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，記錄此時量筒的讀數V1。

3)之后根據密度的定義式 ρ1=m1/(V1－20.0)，求出樣品的密度。

4)重復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。

聚結元件在聚結管中所占據的總體積Vt則是通過測量聚結管內徑d和聚結元件在聚結管內的長度L計算得到。根據測定，聚結管內徑d=32 mm，3種聚結元件的長度均為500 mm。表1為根據上述測定值計算得到的不同材質的聚結元件在未經壓縮時的空隙率。

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

2　結果與討論

2.1　聚結元件空隙率的影響

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

圖2　聚結元件空隙率對水-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

實驗結果表明，在其他條件一定的情況下，空隙率較小的聚結元件對混合液的分離效果更好。在本實驗中，當ε=0.88時，外觀上，聚結元件下游柴油渾濁(即含有大量未聚結的乳化態水滴)，水含量分析也表明此時含水量較高，在110×10－6以上。而當ε降低至0.85后，不僅聚結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。該結果可用前文提到的聚結的原理加以解釋。當聚結元件空隙率較低時，其纖維間的空隙也較小，單位空間內纖維也就越多，因此乳化態水滴與纖維發生碰撞進而聚結的概率增大，分離效果變好。根據實驗，聚結元件空隙率是決定聚結分離效果最關鍵的因素，無論是什么樣的聚結元件、無論其他實驗運行參數如何改變，存在著1個空隙率的最大值εmax，只有聚結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和結構的聚結元件，該空隙率最大值還需要實驗予以測定。

2.2　聚結元件材質的影響

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

實驗結果表明，在上述實驗條件下，玻璃纖維聚結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，且隨著運行時間增長，分離后柴油中水含量持續升高，連續運行6 h后聚結元件下游含水量已經升高至450×10－6。

圖3　不同聚結元件的水-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長大后的水滴會不斷的從聚結元件下游表面沉降到聚結管底部，隨著實驗的進行，水滴逐漸在聚結管底部匯聚成一股水流。這一現象與Moses和Shin的模擬實驗結果相吻合，即:當分散相能潤濕聚結介質時，分散相在聚結介質內部呈膜狀連續存在;否則分散相仍是以單個的液滴形式存在于聚結介質內部。

2.3　聚結元件長度和混合液停留時間的綜合影響

研究了聚結元件長度分別為30、40和50 cm時，混合液停留時間對聚結分離效果的影響。實驗使用玻璃纖維聚結元件，聚結元件空隙率為0.85，實驗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后運行達到穩定狀態，此時取樣進行水含量分析，此后每隔1 h取樣1次，每組實驗條件下共進行3次取樣分析，最后的結果取3次的平均值，實驗結果如圖4所示。

實驗結果表明，存在著1個聚結元件的最小長度Lmin=40 cm，當L≥Lmin時分離效果較好，聚結元件下游的柴油外觀澄清，含水量較低(低于100×10－6)。此時出口處柴油的含水量與實驗范圍內的混合液停留時間基本無關。

當L＜Lmin時分離效果不佳，此時聚結元件下游柴油渾濁，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液滴沒有發生聚結就直接從聚結元件流出。并且此時隨著停留時間減小(流速增大)，聚結元件下游柴油渾濁程度加重，含水量升高。

圖4　聚結元件長度和混合液停留時間對水-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

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

3　結論

1)聚結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的聚結元件，存在著1個最大空隙率εmax，唯有聚結元件空隙率ε＜εmax時才能獲得較好的分離效果。但是該聚結元件空隙率最大值需要實驗測定。

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

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

參考文獻:

［1］李哲，艾鋼，吳建平．除水器及其在船艦燃油凈化系統中的應用［J］．過濾與分離，2004，14(4):27－29 Li Zhe，Ai Gang，Wu Jianping．Water separators and their application in the purification system for marine fuel oil［J］．Journal of Filtration and Separation，2004，14(4):27－29(in Chinese)

［2］Bansal S，Arnim V，Stegmaier T，et al．Effect of fibrous filter properties on the oil-in-water-emulsion separation and filtration performance［J］．Journal of Hazardous Materials，2011，190:45－50

［3］潘格斯圖F，施坦費爾C．尤其可用于分離具有低界面張力的水-烴乳液的分離介質和方法:CN，102665844A［P］．2012－09－12

［4］Hazlett R．Fibrous bed coalescence of water:Steps in the coalescence process［J］．Industrial Engineering Chemical Fundamentals，1969，8(4):633－640

［5］Othman F，Fahim M，Jeffreys G，et al．Prediction of predominant mechanisms in the separation of secondary dispersions in a fibrous bed［J］．Journal of Dispersion Science and Technology，1988，9(2):91－113

［6］Sokolovic R，Vulic T，Sokolovic S．Effect of bed length on steady-state coalescence of oil-in-water emulsion［J］．Separation and Purification Technology，2007，56:79－84

［7］Sokolovic R，Vulic T，Sokolovic S，et al．Effect of fibrous bed permeability on steady-state coalescence［J］．Industrial Engineering＆ Chemical Research，2003，42:3 098－3 102

［8］Shin C，Chase G．Water-in-Oil coalescence in micronanofiber composite filters［J］．AIChE Journal，2004，50:343－350

［9］Sareen S，Rose P，Gudesen R．Coalescence in fibrous beds［J］．AIChE Journal，1966，12:1 045 －1 050

［10］Clayfield E，Dixon A，Foulds A，et al．The coalescence of secondary dispersions I．The effect of wettability and surface energy［J］．Journal of Colloid Interface Science，1985，104:500－511

［11］國家技術監督局．GB/T 11133-1989液體石油產品水含量測定法(卡爾·費休法)［S］．北京:中國標準出版社，1989－03－31

［12］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．GB 19147-2009車用柴油［S］．北京:中國標準出版社，2009－06－12

［13］國家標準計量局．GB-T 260-77石油產品水分測定法［S］．北京:中國標準出版社，1977－11－08

［14］BS EN 590:Automotive fuels-diesel-requirements and test methods［S］．2009

［15］Moses S，Ng K．A visual study of the breakdown of emulsions in porous coalescers［J］．Chemical Engineering Science，1985，40(12):2 339－2 350

［16］Shin C，Chase G．The effect of wettability on drop attachment to glass rods［J］．Journal of Colloid and Interface Science，2004，272:186－190