1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 船用油污水分离装置的设计 1、传统的船用油污水分离技术 船舶所产生的油污水，主要有舱底油污水、燃油舱或油船产生的压舱油污水以及清洗时产生的洗舱油污水，俗称“三水” .这类油污水除含有石油和石油产品之外，还含有固体物质和固体悬浮物，是从许多地方来的含污染物的淡水和海水的混合物 .典型的污染物包括燃料、油类、液压机流体、清洁剂和含水膜、发泡剂（ AFFF）、黑水 /灰水系统的泄漏污水等，也可能包括腐蚀产物，油漆和溶剂 .传统的油污水分离装置是利用重力分离的原理进行油和水的分离的 .其分离原理可以通过斯托克斯 (stocks)公式确定： 0 0 2( ) /
2、(1 8 )llu g d u 式中， 0u 为在静水中直径为 d 的油滴的上浮速度； l 为水的密度； 0 为油的密度； lu为水的动力粘滞度 . 可见只要油水间存在密度差，就可以进行油水分离 .但实际上不是任何大小的油滴 都可以通过重力分离的，这是因为任何分离设备的容积都有限度 .实验表明，通过重力分离，只能去除水中油滴直径在 245 m 以上的油滴 .为加速和提高油水分离的效果，一个有效的途径是促使小颗粒的油滴不断地聚集成大的油滴，也就是增加水中油滴碰撞接触的机会，使油滴上浮速度不断地增加 .常用的聚集手段包括斜板 (管 )和多孔油滴聚合器 . 油滴的聚合过程大致可以分为截留、附着、展开
3、和脱浮等过程 .水中微细油滴在流过多孔材料组成的无数微小通道时，被多孔介质首先截留住，油滴的直径越大越容易被截住 .被截住的油滴在油滴的浮力和流体流动压差 的作用下，克服水相的阻力而附着于多孔材料的表面或者融合于材料表面的油层内 .附着于多孔材料表面的油滴，在毛细作用下，扩展到材料表面的其他部分 .随着上述过程的不断进行，微小的油滴逐渐被附着于材料表面的油层融合，在多孔材料出口面油滴越集越多，最后克服油水界面张力的油滴就与多孔材料分离而上浮。 （如图一） 脱浮后的油滴大小与界面的张力以及油滴聚合器出口处的孔隙大小成正比 .孔隙越大，毛细压力越小，油滴也就越大 4.脱浮油滴大小可以用下式计算：
4、d 集 =2f/Pc 式中， d 集为聚合后脱浮的油滴直径； f 为油水界面张力； Pc 为油滴在饱和临界状态下的毛细压力 . 从理论上说，无论多细小的油滴都可以通过油滴聚合器进行去除，但这样会使聚合元件的密度很高，孔隙率很低，阻力很大，如果存在固体物质就极容易造成元件的堵塞，导致元件寿命大为缩短 .对于工程应用是不切实际的 .通常工程上利用油滴聚合的方法去除油滴所能分离的理论最小颗粒直径为 5 m，实际出水约为 10 m，此时的填充密度为 0.15g/cm3. 非乳化状态 的油污水经过多孔油滴聚合器的处理以后，已经达到排放要求 .但在实船运行过程中，可以发现油污水的乳化情况其实是相当普遍的
5、.一般乳化油中微小油滴的直径非常小，因此不能简单地利用重力进行分离 . 表 1 不同重力分离方法能分离的最小油滴直径 ( m) 分离方法 重力分离 斜板 (组 ) 斜管(组 ) 多孔油滴聚合器 最小直径 230250 100120 7080 20 2、 乳化液对现有油污水分离装置的影响 油和水混合时，由于两者密度的不同，会很快会分成明显的两层，一层是水，另一层是油 .但是，如果有乳化剂存在，油滴和水滴表面上就会由乳化剂形成一层稳定的薄膜，这时的油和水就不会分层，而是呈一种不透明的乳化液 .当分散相是油滴时，称为水包油乳状液；当分散相为水滴时，称为油包水乳状液 .胶体化学的研究表明，乳化液的类型
6、是由乳化剂的性质决定的 .乳化剂通常有两类，一类是表面活性剂，另一类是小颗粒的固体粉末 .常见的表面活性剂是磺酸、环烷酸等有机酸的盐类，其分子为两亲分子，它的一端伸入水中，而另一端伸入油中 .伸入水中的部分成离子态，油水界面上形成双电层，使油滴呈现带同性电荷现象而相互排斥形成乳化液 .固体颗粒 不会聚合，油滴被固体颗粒包裹后也就不会聚并，从而稳定地悬浮在水中形成乳化液 .乳化液油滴直径在 0.510 m 的范围内，利用传统的重力式油污水分离装置是无法实现油水分离的 . 对于乳化状态的油污水分离效果在原来制订的国际公约里并未考虑，即使在 73/78 国际防污染公约中也是这样 .但实际使用情况让
7、IMO 逐渐认识到乳化油污水的危害，于是通过了 MEPC107.(49)决议 .新决议比原 MEPC.60(33)决议增加了试验液 c，即油水乳化液的分离要求 .要求油污水分离装置能够有效分离在额定转速不小于 3000r/m 的离心泵规 定搅拌强度下，由 94.78%的淡水、 2.5%的重油、 2.5%的轻油、 0.5%的清洗用去垢剂 (清洁剂 )和 1.7%的铁锈组成的混合物 3.该种混合物是一种化学稳定状态的油 /水乳胶液，这种乳胶液不能用油水密度差进行有效的分离，用现有的油污水处理装置处理这种乳胶液，出水含油浓度大于 50mg/L，远高于现行 15mg/L 的排放标准 .。 二、 新的油
8、污水分离技术发展趋势 为满足新决议的要求，国内外开发了许多新型油污水分离装置，这些装置都是在原处理系统的后阶段加装了深化处理系统，深化处 理系统主要包括 膜分离系统和吸附系统等 . 1 膜分离系统 美国海军开发的一系列横流薄膜处理系统以及 德国 DVZ-SERVICES 公司于 2004 年研发的 PCM 系列装置都是以膜分离系统作为深化处理系统的 . 其处理流程如图 2 所示： 上述处理流程的核心是膜分离系统 .使用的膜具有不对称结构，在膜的工作面上有一层极薄的致密分离层，下部是结构疏松的指状支撑层 .由于采用错流工艺，在分离过程中，含油污水切向流经膜表面，液体的快速流动使得油滴既不能进入致
9、密的细孔，引起膜的内部堵塞，也不会停留在膜表面造成膜表面的堵塞 .而水分子在侧压作用下将穿过致密 层上的微孔，再穿过下部的疏松支撑层，进入膜的另一侧 .实验表明，薄膜过滤后的出水含油量平均浓度为 2.2mg/L. 在膜分离系统上，国外一般采用管式膜组件 (如图 3 所示 ).管式膜组件是由圆管式的膜以及膜的支撑体构成 .圆管式的膜的内径通常在 6mm20mm 之间，最常见的是 13mm.由于膜本身的机械强度不高，因此在压力下工作时需要良好透水性和高强度的材料支撑 .分离皮层在膜的内侧 .管式膜组件的水力流动条件是所有膜组件形式中 最好的，膜面不易 污染，具有相当的可靠性 . 图 3 管式膜组件
10、结构图 中国船舶重工集团公司第 704 研究所在采用膜 分离油污水上也取得了一定成果 .试验表明，采用卷式膜组件出水含油量在 1.5mg/L 以下 .卷式膜组件的结构如图 4 所示 .表 2 是两种膜组件的比较 . 4.2 吸附分离系统 为满足新决议的要求，英国 RWO 公司和 LASCAI 公司开发了用于后续处理的吸附式油污水处理系统，其处理流程如图 5 所示 . 吸附技术的关键是吸附剂的选择 .最常见的吸附剂是活性炭， 但活性炭对油的吸附容量一般只有 3080mg/g.吸附法最新的研究体现在对高效经济的吸油剂的开发和应用方面 .新型吸油剂由具有吸油性能的无机填充剂（一种镁或铁的盐类、氧化物
11、，质量分数为 5%80%）与交联聚合剂（可用聚乙烯、聚丙烯，质量分数为 95%20%）组成的，对油的吸附容量一般只有 600880mg/g，但这种吸油剂的吸油接触时间一般较长，需要 28 小时 .笔者认为吸附式成本较高，回收困难，在通常情况下不宜提倡 . 参考文献 1高廷耀 .水污染控制工程 M.北京：高等教育出版社， 1996. 2IMO MARPOL73/78 MEPC107.（ 49）， 2004. 3中国船级社译 .国际海事组织 73/78 防污公约 .2003. 4卓诚裕 .海洋油污染防治技术 M.北京：国防工业出版社， 1996. 5蒋明虎，赵立新，李枫等旋流分离技术哈尔滨：哈尔
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