噴氣燃料聚結(jié)脫水影響因素分析

張相陽(yáng) 侯建紅 宋磊磊

(1 駐中石化荊門石化公司軍代室，湖北 荊門 448039；2 駐中石油撫順石化公司軍代室，遼寧 撫順 113008；3 駐中石油獨(dú)山子石化公司軍代室，新疆 克拉瑪依 833600)

論 文 綜 述《Reviews》

噴氣燃料聚結(jié)脫水影響因素分析

張相陽(yáng)1侯建紅2宋磊磊3

(1 駐中石化荊門石化公司軍代室，湖北 荊門 448039；2 駐中石油撫順石化公司軍代室，遼寧 撫順 113008；3 駐中石油獨(dú)山子石化公司軍代室，新疆 克拉瑪依 833600)

聚結(jié)脫水是噴氣燃料生產(chǎn)和加注過(guò)程中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，圍繞油液分離過(guò)程詳細(xì)闡述了噴氣燃料聚結(jié)脫水工作原理，從聚結(jié)脫水分離器纖維表面性質(zhì)、纖維尺寸、纖維布置，以及油液流速、溫度變化等多個(gè)方面分析了影響聚結(jié)脫水的因素，最后提出了噴氣燃料聚結(jié)脫水過(guò)程中應(yīng)當(dāng)采取的對(duì)策，對(duì)噴氣燃料質(zhì)量管理提供一定參考。

聚結(jié)脫水 噴氣燃料 油水分離 分離效率

作為飛機(jī)主要能源的噴氣燃料，除了要求其本身理化性能符合要求外，其水含量是作為潔凈性要求必須嚴(yán)格控制的指標(biāo)之一?，F(xiàn)有研究表明，噴氣燃料中溶解水(或自由水因泵送擾動(dòng)形成的乳化水)的存在，在含有鐵、銅等金屬微粒時(shí)會(huì)加速燃料氧化速度，產(chǎn)生粘稠狀化合物，改變理化性能；會(huì)滋生大量微生物，進(jìn)一步導(dǎo)致燃料污染懸浮物聚集；降低燃料粘度，干擾抗靜電添加劑效果，容易聚集自由電荷從而導(dǎo)致爆炸危險(xiǎn)；產(chǎn)生低溫結(jié)冰危害飛行安全等等[1，2]。

噴氣燃料在生產(chǎn)、儲(chǔ)存和加注過(guò)程中，進(jìn)行油水分離是不可避免的常見(jiàn)現(xiàn)象。目前，常用的油水分離方法主要有，重力沉降法、化學(xué)吸附分離法、電場(chǎng)分離法、離心分離法、真空分離法等。但這些傳統(tǒng)方法普遍存在分離效率低，適應(yīng)能力差，耗能較高等問(wèn)題，特別是在分離尺寸較小的分散相時(shí)較為困難，很難將油水分離開(kāi)[3]。與上述方法相比，噴氣燃料主要采用聚結(jié)分離技術(shù)進(jìn)行油水分離，利用油水兩相對(duì)聚結(jié)材料親和力的不同來(lái)達(dá)到油水分離，通常采用裝有聚結(jié)濾芯和分離濾芯的聚結(jié)分離器(如圖1)，其中聚結(jié)濾芯是整個(gè)裝置核心濾芯，油液從內(nèi)到外流過(guò)聚結(jié)濾芯過(guò)程中，分散相水和聚結(jié)濾芯接觸碰撞，聚結(jié)成較大的液滴，并從其表面脫落。然后聚結(jié)過(guò)后的液體從外到內(nèi)通過(guò)分離濾芯，但聚結(jié)變大的分散相水則無(wú)法通過(guò)分離濾芯，從而達(dá)到聚結(jié)脫水的目的。此類方法具有油水分離效果好，適用性廣，處理效率高，維護(hù)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在噴氣燃料生產(chǎn)和加注過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用。

圖1 聚結(jié)脫水分離器示意圖Fig 1 Clustering and dewatering separator

1聚結(jié)脫水技術(shù)

聚結(jié)分離技術(shù)在環(huán)保、煉油等領(lǐng)域應(yīng)用較廣，其聚結(jié)分離機(jī)理的研究還沒(méi)有形成一套大家普遍接受的理論體系。對(duì)于纖維床聚結(jié)分離油中水的過(guò)程，目前大量研究者比較認(rèn)同的是Hazlett等人聚結(jié)脫水理論，該理論包含的三個(gè)過(guò)程較好地描述了液滴聚結(jié)脫水過(guò)程(如圖2)，即分散相液滴“捕獲--附著”、“碰撞--聚集”和“脫離--沉降”。從宏觀上描述液滴從聚結(jié)材料上脫離過(guò)程，聚結(jié)材料表面先捕獲分散相液滴，從而聚結(jié)成尺寸較大的液滴并通過(guò)聚結(jié)材料在重力作用下將油水分離[3-4]。

其中“捕獲--附著”過(guò)程，一般液滴通過(guò)攔截、沉淀、擴(kuò)散、慣性碰撞和范德華吸引力等方式捕獲，附著過(guò)程必須依靠水滴擊破纖維與油液之間既存的油膜才能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于不同大小液滴，擴(kuò)散影響作用不同，隨著液滴尺寸增加，擴(kuò)散作用逐漸減弱，攔截作用增大。“碰撞--聚集”過(guò)程，在油水混合液中，水滴分散相與聚結(jié)纖維接觸時(shí)發(fā)生碰撞，通常發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上液滴間碰撞聚結(jié)形成大水滴，達(dá)到聚集的目的，同時(shí)需要相應(yīng)作用力才能實(shí)現(xiàn)，作用力過(guò)大或過(guò)小，都不利于油水分離?！懊撾x--沉降”過(guò)程，碰撞聚集的大尺寸水滴以水線形式穿過(guò)纖維床，到達(dá)纖維床出口表面后在液體曳力的作用下，由于油水間存在的密度差而沉降下來(lái)，并在重力的作用下，最終從纖維床表面完成油水脫離的過(guò)程。

圖2 液滴聚結(jié)脫水過(guò)程Fig 2 Droplet coalescence dehydration process

2聚結(jié)分離影響因素

針對(duì)噴氣燃料這一特定化工燃料，這里排除燃料自身油水混合液成分、粘度、密度等理化特性影響因素，重點(diǎn)分析噴氣燃料聚結(jié)脫水過(guò)程中所使用的聚結(jié)分離器的性能因素，包括聚結(jié)纖維表面性質(zhì)、纖維布置、纖維尺寸等，以及油液流速、溫度變化對(duì)聚結(jié)脫水效果的影響。

2.1 聚結(jié)纖維表面性能的影響

聚結(jié)纖維表面性能是影響分離效果的關(guān)鍵因素之一，而良好的纖維表面潤(rùn)濕性對(duì)分散相液滴吸附具有很好捕獲效果。潤(rùn)濕性是固液兩相間相互作用的結(jié)果。C.Shin等人[5]研究發(fā)現(xiàn)，纖維表面潤(rùn)濕性越強(qiáng)，越有利于小液滴聚結(jié)，聚結(jié)效果也越好，否則纖維聚結(jié)效果越來(lái)越差，甚至將不會(huì)產(chǎn)生聚結(jié)效果。劉亞莉等[6]和J.Schultz等[7]研究表明，聚結(jié)纖維表面潤(rùn)濕性過(guò)大將不利于聚結(jié)后的液滴從纖維中分離，要綜合考慮聚結(jié)和分離兩方面因素，選用潤(rùn)濕性中等的纖維材料。

2.2 聚結(jié)纖維尺寸的影響

一般來(lái)說(shuō)，聚結(jié)纖維直徑越小，聚結(jié)效果也會(huì)越好，這是因?yàn)橹睆叫〉睦w維表面積相對(duì)較大，能夠有更多的機(jī)會(huì)與油液中液滴充分接觸，從而達(dá)到提升聚結(jié)分離效率。但越小尺寸的纖維會(huì)增加液滴流動(dòng)阻力。劉亞莉等人通過(guò)油液聚結(jié)分離試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚結(jié)纖維直徑從11 um降低到7 um時(shí)，其聚結(jié)脫水效率可提高18%。Magiera等人[8]選用不同直徑大小聚結(jié)纖維檢驗(yàn)不同液滴的聚結(jié)效果，結(jié)果表明在同等條件下，直徑越小的纖維對(duì)液滴的聚結(jié)效果越好。

2.3 聚結(jié)纖維布置影響

聚結(jié)材料對(duì)油水分離具有很好作用，理論上可以采用增加聚結(jié)纖維厚度來(lái)提高油水分離效果，但現(xiàn)有研究試驗(yàn)表明，當(dāng)聚結(jié)材料厚度增加到一定程度時(shí)，油液聚結(jié)分離的效果不再提高，同時(shí)纖維厚度與纖維直徑大小也存在一定關(guān)聯(lián)性[4]。由于噴氣燃料生產(chǎn)工藝及其自身組分復(fù)雜性，決定了實(shí)際使用中不再采用單一聚結(jié)材料，往往采用不同材料組合搭配使用，通常聚結(jié)濾芯采用破乳層，過(guò)濾層、聚結(jié)層多層布置。

2.4 油液流速影響

油液流速是影響分散相液滴聚結(jié)性能的重要因素，連續(xù)相通過(guò)聚結(jié)材料的速度越快，因慣性碰撞而引起的聚結(jié)分離的液滴相應(yīng)會(huì)迅速增加，但液滴沉積、擴(kuò)散、釋放等分離效應(yīng)會(huì)變?nèi)?。研究發(fā)現(xiàn)，液滴聚結(jié)分離效率會(huì)隨著油液流速增大而逐漸降低，但油液流速與聚結(jié)分離效率之間并不是成線性變化關(guān)系，存在一個(gè)臨界流速值。即當(dāng)油液達(dá)到某個(gè)流速時(shí)，從聚結(jié)材料中排除分散相的濃度將逐漸趨于一個(gè)固定值，不再變化[9]。

2.5 溫度的影響

溫度的變化也會(huì)影響油液中水的聚結(jié)分離。對(duì)于噴氣燃料這種油水混合物，連續(xù)相油所占比重遠(yuǎn)大于分散相水，一般油液的粘度會(huì)隨著溫度的升高而不斷降低，從而降低乳化穩(wěn)定性提高聚結(jié)效率，但是溫度的升高會(huì)加速水在油液中的溶解，促使水的溶解度變大，導(dǎo)致油液中水聚結(jié)分離困難。因此，要控制合適的溫度范圍來(lái)去除噴氣燃料中含水量，這樣才能取得較好地聚結(jié)脫水效果。

3總 結(jié)

1)噴氣燃料在生產(chǎn)、加注過(guò)程中，要選用質(zhì)量可靠的聚結(jié)脫水分離器，應(yīng)當(dāng)考慮多級(jí)設(shè)置，一開(kāi)一閉，并優(yōu)選選用國(guó)家航空鑒定委員會(huì)推薦廠家目錄產(chǎn)品。

2)要做好聚結(jié)脫水分離裝置的日常維護(hù)工作，監(jiān)測(cè)聚結(jié)脫水分離器壓差變化及排水情況，在濾芯更換、例行排水等活動(dòng)中做到專人負(fù)責(zé)，并做好維護(hù)記錄。

3)噴氣燃料在聚結(jié)脫水過(guò)程中，要控制合理的油液流速、作業(yè)溫度等，保持裝置始終處于最佳工作狀態(tài)，避免由此帶來(lái)的聚結(jié)脫水效率下降，有條件的還可以引入自動(dòng)化控制設(shè)備，減少人為操作誤差。

4)加強(qiáng)噴氣燃料成品質(zhì)量監(jiān)控，根據(jù)質(zhì)量異常情況研判油品中含水量影響，由此分析評(píng)判聚結(jié)脫水效果。

[1] 孫必旺. 基于聚結(jié)分離和膜分離技術(shù)的油水分離試驗(yàn)研究[D].北京化工大學(xué)，2008：2.

[2] 韋公遠(yuǎn). 水混入燃油的危害及防止方法[J].廣東農(nóng)機(jī)，2004,4：39～40.

[3] 高智芳，劉進(jìn)立，王篤金，等.聚結(jié)分離技術(shù)在油水分離中的應(yīng)用[J].過(guò)濾與分離，2014,25(1)：21～24.

[4] 華廣勝.噴氣燃料過(guò)濾聚結(jié)脫水關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].北京化工大學(xué)，2010:5～8.

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

[6] 劉亞莉，吳山東，董華東，等.膜聚結(jié)法及油品脫水研究[J].過(guò)濾與分離，2005,15(4):4～6.

[7] J.Schultz，C.Cazeneuve.et al.Fiber Surface Energy Characterization[J].Adhesion，1981，12：221～231.

[8] Magiera R，Blass E. Separation of liquid-liquid dispersion by flow through fibre beds[J]. Filtration & Separation,1997，34(4):369～375.

[9] 劉亞莉，吳山東，戚俊清，等.用于油水分離的聚結(jié)脫水技術(shù)極其進(jìn)展[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008,30(1):129～132.

AnalysisofFactorsAffectingCoalescenceofJetFuel

Zhang Xiangyang1Hou Jianhong2Song Leilei3

(1.Military Delegate Office of Jingmen Sinopec Chemical Company， Hubei Jingmen，448039；2. Military Delegate Office of Fushun Petroleum Chemical Company， Liaoning Fushun，113008；3.Military Delegate Office of Du-shanzi Petroleum Chemical Company， Xinjiang Kelamayi，833600)

The coalescence and dewatering are the essential links in the process of jet fuel production and filling. The principle of coalescence of coalfill was discussed in detail. The surface properties, fiber size and fiber arrangement of coalescence dehydration separator were discussed in detail. And the factors influencing coalescence and dewatering were analyzed. Finally, the countermeasures to be taken in the process of coalescence and coalification were put forward, which provided some reference for jet fuel quality management.

Coalescence dehydration Jet fuel Oil and water separation Separation efficiency

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.11.010

2017-08-09

張相陽(yáng)(1974～)，男，本科，工程師，從事石油產(chǎn)品生產(chǎn)管理工作。通訊聯(lián)系人：侯建紅(1983～)，碩士，工程師，主要從事煉油質(zhì)量管理工作，E-mail：jds2011@126.com。