废油三场破乳脱水装置的单元分离特性与仿真分析

发布时间：2020-05-15 11:11

【摘要】：由于工业快速发展,工业废油发生量巨大,对自然环境、资源安全等提出了新挑战。然而,目前单一工艺手段及其装置难以满足废油资源化工艺环节中实现高效破乳脱水的需求。三场协同破乳脱水工艺及装置融合了高压脉冲电场、旋流离心场和真空温度场的各自优势,很好地解决了现有常规工艺装置难以实现的分离过程。因此,设计和开发高性能三场协同破乳脱水装置对废弃物循环利用、生态环境保护及节约能源资源等方面具有重大的现实意义。本研究依托重庆市自然科学基金项目“基于三场耦合的废油高效破乳机制与实验研究”和国家自然科学基金项目“面向工业废油资源化的三场耦合高效破乳脱水机制与方法研究”,以三场协同破乳脱水装置单元为研究对象,建立了同轴柱形电场油中液滴变形动力学模型、耦合单元本体数值计算模型、耦合场分离数值计算模型;通过同轴圆形电场油中液滴极化特性、耦合单元本体分离特性、双场耦合分离特性和三场协同分离特性的仿真分析,为设计研制新型高效的废油资源化工艺装置及其应用提供了理论指导。首先,研究了同轴柱形电场中液滴动力学基础理论。以同轴柱形电极电场中变形液滴为研究对象,建立了长球液滴极化模型,借助椭球坐标系,计算得到液滴内部电场分布及其极化率;分析了同轴柱形电场作用下极化液滴的受力平衡关系,建立了液滴变形动力学模型,运用电流体动力学(EHD)理论得出液滴所受电应力和内外流动应力的解析表达式,计算得到了液滴最大拉伸变形量;实验结果表明,液滴变形动力学模型能够准确有效地预测同轴柱形脉冲电场作用下液滴的拉伸变形量。其次,通过建立耦合单元本体数值计算模型,仿真分析了单元本体分离特性。考虑到耦合场中高压脉冲电场和旋流离心场需要实现有效融合,采用双锥段双切向入口的脱水型水力旋流器作为耦合场单元本体;根据预设参数,建立了单元本体分离数值分析模型;通过模型,计算分析了单元本体公称直径等主要结构参数以及入口流量等主要操作参数对油水分离效率的影响,为设计高效分离单元本体提供了依据;单元本体油水分离实验表明,数值分析模型的计算结果是可靠的。再次,通过建立双场耦合分离数值计算模型,仿真分析了耦合场单元分离特性。针对耦合单元对乳化油液滴的电场力作用,推导出液滴电场力的麦克斯韦应力张量矩阵形式,依据流体力学N-S方程、连续方程、电场控制方程等,建立了双场耦合分离数值分析模型;通过编译用户自定义函数(UDF),计算分析了入口流速、脉冲电场电压、脉冲电场频率等主要操作参数对耦合场内部流场分布及油水分离效率的影响,为确定耦合单元高效破乳脱水操作条件提供了指导。最后,仿真分析了三场协同单元分离特性,并通过实验进行了验证。综合分析了三场协同破乳脱水装置中真空加热单元对油液黏度产生的影响以及耦合单元电场对液滴的结聚作用,建立了黏温控制方程和分散相粒径控制方程,结合耦合场分离数值分析模型,分析了在特定加热条件下装置主要操作参数对脱水单元内部速度场分布及油水分离效率的影响,为确定废油三场协同破乳脱水装置最佳工作条件提供了指导;通过乳化油三场协同破乳脱水四因素五水平正交实验,明确了四个操作参数对装置单元分离性能的影响次序,通过单因素实验得到最佳分离实验操作参数,分析表明仿真计算所得结果是合理可靠的。
【图文】：

油机,真空,真空滤油机

普遍采用真空减压处理的方法进行油与水的分离处理，利用真空滤油机（如图1.2）恢复油液的使用性能。真空滤油机是根据油与水存在较大的挥发度差异，在高真空状态下水的沸点大大下降的真空干燥原理，结合精密过滤等其它技术来设计的[17]。也要看到，真空滤油机处理乳化油时存在两个突出缺点：一是能耗高，二是效率低；真空滤油机的优势在于能够脱出油中极微量的水分，所以在处理变压器油时效果较好，处理透平油的效果往往很差，原因是变压器油中待处理的水分往往很少(一般要求待处理的变压器油处理前的含水量小于50 ppm)，而透平油中的水分往往较多。那么，对于含水率普遍较高的工业废油，，真空滤油机难以满足油液净化的高效性、经济性要求。

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/X脱水效率影响曲线图3.18中，可清晰看变化趋势。无论是溢流口脱水率，还是底呈现先上升后下降的现象，均在Lu=40率的影响更为明显。究其原因，主要是因流管内获得稳定的流场，造成分离效率下元本体压降增大，不利于油水分离，尤其度取400mm。得到最佳分离效率的脱水型旋流器结构参效率进行数值仿真，其结果如图3.19。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X74;TE96

【参考文献】