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天津大学 | 韩芬，杨娜，张吕鸿，等：玻璃纤维聚结器脱除油中乳化水

时间：2023-02-19 来源：浏览：

天津大学 | 韩芬，杨娜，张吕鸿，等：玻璃纤维聚结器脱除油中乳化水

原创韩芬等化工进展

化工进展

微信号 huagongjinzhan

功能介绍中国化工学会会刊，EI、SCOPUS等收录，中国科技期刊卓越行动计划入选期刊，2020版《中文核心期刊概目要览》化工类第1名

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文章

信息

玻璃纤维聚结器脱除油中乳化水

韩芬，杨娜，孙永利，姜斌，肖晓明，张吕鸿

天津大学化工学院，天津 300072

● 引用本文： 韩芬, 杨娜, 孙永利, 等. 玻璃纤维聚结器脱除油中乳化水[J]. 化工进展, 2022, 41(12): 6723-6732.

● DOI： 10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0292

文章摘要

随着油水分离技术的进步及新材料的开发，聚结法脱除油中乳化水的技术得以实现。本文采用亲水性玻璃纤维作为聚结元件，脱除白油中的乳化水（ d ₉₅ =10μm）。通过实验考察聚结器中进料的表观流速（5~30m/h）、油品初始含水量（500~4000μL/L）、聚结器床层厚度（100~400mm）和玻璃纤维的孔隙率（0.80~0.95）对聚结分离效率的影响，并应用响应面法对各变量之间的协同效应进行分析，确定最佳操作条件，分析该条件下的粒级分离效率。实验结果显示，当表观流速为14m/h、初始含水量为1278μL/L、床层厚度为275mm和孔隙率为0.85时，分离效率最高，为95.18%。结果与响应面预测值（95.02%）相比，相对误差仅为0.17%，表明回归模型的可靠性高和实验的重现性较好。进出口粒径的分析表明聚结器的分离效果随水滴粒径的增加而提高，有效分离粒径>5μm。本文研究结果对采用玻璃纤维为聚结元件，分离密度差较大的成品油中乳化水的聚结器选型及操作参数设计具有实际应用价值。

由于油品中水分的存在会促进油品氧化变质和腐蚀泵、管道等相关设施，故油品脱水对于石油化工等相关行业至关重要。根据液滴的大小和稳定性，油中的水可分为游离水、乳化水和溶解水。通常输送过程和发生相变都会引起乳化现象的发生。对于滴径小于10μm的乳化水，工业上通常采用热化学+电脱水工艺脱除原油中的水；至于柴油、工业白油等成品油，仅仅依靠重力沉降难以去除油中的乳化水，当前纤维聚结分离技术处理乳化水的优势渐渐在该工程应用中得到广泛关注。与膜分离、化学破乳等方法相比，纤维聚结脱水的特点是高效、操作方便、无二次污染等。其聚结过程主要涉及三个步骤：①小水滴接近纤维床并被捕获；②收集到的液滴吸附于纤维表面并发生聚结；③增大的液滴发生迁移并从纤维表面释放出来，通过重力沉降实现油水分离。

聚结材料是实现聚结分离器高效脱水的关键，其根据润湿性可分为亲水性介质和亲油性介质。对于亲油性材料，水滴在其表面不易黏附，仅存在碰撞聚结；而水在亲水表面会很快发生黏附并扩散，润湿聚结与碰撞聚结同时存在，故聚结分离效率大幅提升。Lu等以三种纤维分离柴油包水乳液，实验表明，相同流速下，亲水性玻璃纤维的分离效率高于亲油性聚四氟乙烯纤维和聚丙烯纤维。Han等采用微细玻璃纤维脱除柴油中的乳化水，水分去除率最高可达97.1%。刘亚莉等采用三种亲水性材料分离柴油包水乳液，玻璃纤维、金属滤芯脱水效率为80%，金属θ环的分离效率最高为90%。金属材料虽耐热耐压却易被腐蚀，玻璃纤维材料则具备化学稳定性好、耐热、耐腐蚀等优势。

聚结脱水工艺中，脱水效果与操作条件（如表观流速、初始含水量）和床层性质（床层厚度、床层孔隙度等）紧密相关。流速在捕获、聚结和分离三个过程中都起着至关重要的作用，决定纤维表面液滴聚结变大以及迁移释放机理。Sokolović等通过改变聚氨酯泡沫聚结床分离水包油（O/W）乳液的条件，得到流速在一定范围内增加时对出口油浓度的影响较小的结论；而当流速超过某一临界值，出口油浓度随流速的增大而大幅增加，同时聚结性能急剧恶化。Zhou等和Zhang等都认为，由于初始含水量影响乳液中两两液滴之间以及液滴与纤维表面附着液滴间的有效碰撞频率，聚结分离效率随着初始水浓度的增大而增加。床层厚度与液滴在聚结床内的停留时间有关，Hazlett研究得出存在一个最小厚度的概念，实际厚度小于该值时分离效率随厚度的增大而增加；超过最小厚度时，聚结性能保持不变。但Sokolović等认为只有当床层厚度达到临界厚度时，聚结效率才最佳。孔隙率主要描述纤维聚结床的堆积程度，Shin等认为随着床层孔隙率的降低，聚结效率增加，但过小的孔隙率会导致液滴破裂，恶化脱水效果。尽管研究人员对聚结的影响因素进行了大量的实验和理论研究，但大多数研究都集中在单一因素的研究上，没有考虑因素之间协同作用对聚结脱水效率的影响，甚至有些研究结论还相互矛盾，缺乏普适性的结论。

本文采用亲水性玻璃纤维聚结器对粒径小于10μm的白油包水（W/O）乳液实现聚结分离，主要考察表观流速、初始含水量、床层厚度、床层孔隙率对聚结脱水率的影响。并通过响应面法构建模型，分析了各个因素间交互作用的影响以确定聚结脱水适宜的操作条件，对纤维聚结器分离密度差较大的成品油包水乳液的工艺设计具有一定的指导意义。

实验

1.1

材料与试剂

聚结材料：玻璃纤维，苏州恒通金属丝网厂提供。实验前后水滴在纤维表面的接触角分别为31.9°和92.5°，见图1。聚结器长600mm，直径27mm。3 ^# 工业白油，乳化剂Span 80购自天津江天化工有限公司。白油和去离子水的物性参数见表1。

图1 实验前后水滴在纤维表面的接触角

表1 油/水在20℃时的物性参数

1.2

分析测试仪器

由光学显微镜（xw1600，江西星微有限公司）测试乳化液中水滴粒径大小；液体黏度用黏度计（Brookfield DV-Ⅱ+Pro，上海微川精密仪器有限公司）测试，与水的接触角用接触角仪（SL200KS，美国奇诺工业有限公司）测试，纤维器两端压降由压差传感器（北京华控兴业有限公司）测试；用卡尔费休仪（AKF-2010，上海禾工科仪仪器有限公司）测定油中含水量。

1.3

W/O乳液的制备以及实验流程

油水乳液：在乳液搅拌灌内加入5L工业白油、一定量的去离子水及0.01%（质量分数）的Span 80，用搅拌器在2000r/min转速下搅拌30min形成乳白色的W/O乳液。利用Image-Pro软件对形成的乳化液水滴显微图片（图2）进行图形数据统计，制得水滴粒径为4~13μm，其中10μm以下的粒径占比达95%。

图2 初始含水量2000μL/L下的水滴显微图和粒径

具体实验流程（图3）如下。

图3 实验装置流程图

1—乳液搅拌罐；2—蠕动泵；3—纤维床聚结器；4—乳液收集罐；S—出水口；S ₁ 、S ₂ —取样口；P ₁ 、P ₂ —压力表

（1）通过蠕动泵按一定的转速将乳液注入聚结器内，乳液经过纤维聚结床后，小水滴聚结成大水滴，经过重力沉降由出水口S排出，白油经过挡板上方进入储罐。另在聚结器进出口处设置取样口S ₁ 、S ₂ ，用于测量进口、出口油中含水量以及水滴粒径分布。

（2）待实验达到平衡状态，即聚结器两端的压差传感器数值稳定30min后，每隔5min取样5mL，共取三次测出口含水量，取平均值并记录实验数据。最后根据进口、出口含水量计算聚结分离效率。其计算见式(1)。

式中， Y 为聚结分离效率，%； C _i 为初始含水量，μL/L； C _e 为出口含水量，μL/L。

根据水滴进口、出口粒径分布计算液滴的粒级分离效率，进一步评价聚结器分离不同粒径水滴的效果。其计算见式(2)。

式中， η ( d _i )为粒级分离效率，%； n _i
f 为入口处粒径为di的水滴数目； n _i
e 为出口处粒径为 d _i 的水滴数目。

1.4

单因素实验

按照上述实验流程，考察表观流速（5m/h、10m/h、15m/h、20m/h、25m/h、30m/h）、初始含水量（500μL/L、1000μL/L、2000μL/L、3000μL/L、4000μL/L）、床层厚度（100mm、200mm、300mm、400mm）和床层孔隙率（0.80、0.85、0.90、0.95）对聚结分离效率的影响，每个实验重复3次。

1.5

响应面优化实验

为了分析因素间交互作用对分离效率的影响，根据单因素试验结果并利用 Design Expert 10软件，依据Box-Behnken 试验设计原理，以分离效率（ Y ）为响应值，以表观流速（ A ）、初始含水量（ B ）、床层厚度（ C ）和床层孔隙率（ D ）为考察因素，设计四因素三水平响应面优化试验，因素水平设计和结果见表2和表3。

表2 实验水平因素表

表3 实验方案及结果

结果与讨论

2.1

单因素实验

2.1.1 表观流速对分离性能的影响

在初始含水量2000μL/L、床层厚度200mm和床层孔隙率0.85的条件下，考察了不同流速对聚结分离效率和压降的影响，结果如图4所示。图4(a)显示分离效率随着流速的增大而降低，当流速从5m/h增加到20m/h，分离效率从97.90%降为91.54%，当继续增加到30m/h时，分离效率降低至78.86%。可以推出表观流速为20m/h是分离效率变化的转折点，可将此点定义为临界表观流速。这可能是因为随着流速的逐步增加，一方面造成床层松动，减弱了纤维床对液滴的捕获能力，另一方面缩短了液滴间聚结所需的时间，使得更多液滴未完成聚结就被油相带至出口，从而恶化分离效果。因此，本实验的流速应低于20m/h。图4(b)表示床层两端压降随表观流速的增加而增大，并呈线性关系，说明该流速范围内水滴在床层内的黏附量保持恒定。

图4 表观流速对分离性能的影响

2.1.2 初始含水量对分离效率的影响

在表观流速20m/h、床层厚度200mm和床层孔隙率0.85的条件下，考察了不同初始含水量对聚结分离效率的影响，结果如图5所示。分离效率随初始含水量增加而增大，初始含水量从500μL/L增加至2000μL/L时，分离效率从68.76%增至91.54%；但当初始含水量超过2000μL/L，继续增加到3000μL/L和4000μL/L时，分离效率分别增大到93.34%和93.97%，效率值仅在1%范围内波动。换言之，含水量低于2000μL/L时，乳液中水含量的增加既增强了床层对水滴的拦截能力，也增大了液滴间的碰撞频率，从而提高效率。含水量高于2000μL/L时，液滴间都能发生两两碰撞，此时碰撞聚结的影响可忽略。因此，本实验的初始含水量应在2000μL/L左右。

图5 初始含水量对分离效率的影响

2.1.3 床层厚度对分离效率的影响

在表观流速20m/h、初始含水量2000μL/L和床层孔隙率0.85的条件下，考察不同床层厚度对聚结分离效率的影响，结果如图6所示。分离效率随床层厚度的增加而增大，床层厚度从100mm增加到200mm时，分离效率增大幅度在10%左右；但当床层厚度超过200mm时，分离效率稳定在一个较高水平，增速持续放缓，可将200mm定义为临界厚度值。床层厚度小于临界值时，厚度的增加能够延长液滴吸附于纤维床的停留时间，从而优化聚结效果；一旦床层厚度超过临界值，液滴在纤维表面的聚结行为已经完成，此时再增加厚度并不会改善脱水效果。因此，本实验的床层厚度应在200mm左右。

图6 床层厚度对分离效率的影响

2.1.4 床层孔隙率对分离效率的影响

在表观流速20m/h、初始含水量2000μL/L和床层厚度200mm的条件下，考察了不同床层孔隙率对聚结分离效率的影响，结果如图7所示。分离效率随着床层孔隙率的增大而下降，尤其是当孔隙率高于0.85时，当其从0.85增加至0.95，效率从91.54%降低至80.51%，降幅增大。孔隙率变大意味着床层有效孔径也变大，这将导致床层对液滴的捕获能力减弱，使得水滴直接被油相夹带至出口，从而降低分离效率。因此，本实验的床层孔隙率应低于0.85。

图7 床层孔隙率对分离效率的影响

2.2

响应面法模型构建以及方差分析

利用Design Expert 10软件对表3的实验结果进行回归拟合，得到分离效率（ Y ）与表观流速（ A ）、初始含水量（ B ）、床层厚度（ C ）和床层孔隙率（ D ）的二次多元回归方程，见式(3)。利用该回归方程的模型进行方差分析及可信度分析，分析结果分别如表4、表5所示。由表4可知，二次多项式回归模型 F =121.59， P ＜0.0001，表明此模型具有极显著性（ P ＜0.01）；其中 A 、 B 、 C 、 D 、 AB 、 AC 、 BD 、 A ² 、 B ² 为显著项（ P ＜0.05）。失拟项是用来评估方程可靠性的参量，如果显著，表明方程模拟的不好，需要调整；如果不显著，表明方程拟合的较好。本方程的失拟项 P 值为0.5066，为不显著，表明该模型拟合良好。

表4 响应面模型方差分析

表5 响应面模型可信度分析

决定系数（ R ² ）用于表征模型的预测值与实际值的相关度，结合图8和表5中 R ² 为0.9918，说明拟合的二次回归方程线性相关性良好；预测的 R ² 为0.9622，调整后的 R ² 为0.9837，两者差值小于0.2，说明本次模型预测值与实验值拟合程度高，可以充分解释因素对目标函数影响的过程。变异系数是表征试验是否具有很高的准确性与可靠性的参量，变异系数越小表明模型越可靠，表5中变异系数为1.54%＜15%，说明本次试验可靠性高。精密度是有效信号与噪声的比值，其值越大说明干扰因素影响越小，表5中的精密度为38.341，一般情况下精密度值大于4即可说明分析是合理的。

图8 实际值与预测值的比较

2.3

各因素间交互作用分析

通过Design-Expert 10软件得到因素间交互作用的三维响应曲面图和对应的二维等高线图（图9~图14），可通过三维响应曲面图和二维等高线图分析因素之间交互作用的强弱。响应曲面中颜色由蓝至红表示响应值从小到大的变化趋势，变化越快曲面倾斜度越高，即坡度越陡，表明因素间交互作用越显著。等高线图中等高线为椭圆形，表示这两个因素之间的交互作用显著；而等高线为圆形则表示交互作用较弱。

图9 表观流速和初始含水量的交互作用

图10 表观流速和床层厚度的交互作用

图11 初始含水量和床层孔隙率的交互作用

图12 初始含水量和床层厚度的交互作用

图13 表观流速和床层孔隙率的交互作用

图14 床层厚度与孔隙率的交互作用

图9流速与初始含水量之间存在显著的交互作用。三维立体图显示，分离效率随初始含水量的增加而显著增大。图10等高线图沿流速轴方向变化密集且对应区域的曲面倾斜程度大，表明流速与床层厚度两因素存在交互效应且流速的影响显著。由图11可知，等高线沿初始含水量轴方向变化密集，明显高于孔隙率轴方向，这意味着初始含水量与孔隙率交互效应显著且初始含水量对分离效率的影响起到了主导作用。图12~图14曲线较平缓，流速与孔隙率、初始含水量与床层厚度、床层厚度与孔隙率两两因素相互作用均较弱。

2.4

最佳操作条件及验证

根据回归模型求解得到聚结脱水最佳操作条件为：表观流速14m/h、初始含水量1278μL/L、床层厚度275mm和孔隙率0.85。预测该条件下的分离效率为95.02%。在最佳条件下进行3组平行验证实验，得到聚结分离效率平均值为95.18%；与预测值相比相对误差仅为0.17%，进一步验证回归模型的拟合性能高。

2.5

最佳操作条件下的粒径分析

在表观流速14m/h、初始含水量1278μL/L、床层厚度275mm和孔隙率0.85的最佳操作条件下，水滴的出口粒径分布以及粒级分离效率如图15所示。图15(a)中出口水滴粒径在0~10μm之间，其中5μm以下粒径的占比达到75%；图15(b)显示水滴粒径在5μm以下的粒级分离效率均为负值，表明床层中存在大液滴剪切破碎为小液滴并进入下游的情况。当液滴粒径大于5μm时，随着粒径的增加，粒级分离效率也随之提高；其中粒径大于8μm的粒级分离效率达到了80%以上。