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1、废油真空处理中真空蒸发的过程分析与数值模拟I目 录1 绪论11.1 研究背景与意义11.2 工业废油中水的危害21.2.1 油液中水的来源及水在油中的存在状态21.2.2 水污染对油液的物理化学性能及系统的影响31.2.3 油液中含水量的检测41.3 真空蒸发技术及其进展51.3.1 重力式分离51.3.2 离心分离61.3.3 电分离61.3.4 乳化水的粗粒化蒸发61.3.5 气浮分离71.4 小结92 真空滤油机的工作原理及真空蒸发系统分析102.1 真空滤油机的工作过程及原理102.1.1 真空滤油机的工作过程102.1.2 真空滤油机的工作原理102.1.3 典型真空滤油机的系统功能
2、介绍122.2 真空滤油机的真空蒸发系统142.2.1 填料型真空蒸发室142.2.2 动力型真空蒸发室152.2.3 真空喷雾蒸发型真空蒸发152.2.4 混合型真空蒸发室152.3 小结163 工业废油真空蒸发过程分析183.1 真空蒸发的原理183.1.1 饱和蒸气压183.1.2 水的汽化183.2 真空蒸发的过程研究203.2.1 真空蒸发过程研究基础203.2.2 真空蒸发的条件203.2.3 真空蒸发措施213.2.4 高效真空蒸发过程233.3 真空蒸发的理论分析243.3.1 蒸发机理243.3.2 液滴蒸发理论243.4 小结254 真空蒸发试验设备设计264.1 油中水分
3、真空蒸发过程影响因素264.1.1 真空蒸发过程影响因素264.1.2 真空蒸发效果的评价指标274.2 真空蒸发试验设备设计284.2.1 真空蒸发设备的系统功能介绍284.2.2 真空蒸发试验设备系统设计284.2.3 真空蒸发试验设备部件选择294.3 目前真空蒸发装置存在的问题314.4 试验数据的分析方法324.5 真空蒸发过程中的传热传质分析334.6 小结365 真空蒸发试验研究375.1 试验部分375.1.1 不同分离塔蒸发效果比较试验375.1.2 不同喷嘴压力真空蒸发对比试验395.1.3 高效真空脱水装置与普通真空脱水对比试验415.1.4 不同真空度下脱水效果对比试验
4、415.1.5 不同进油速率真空蒸发对比试验425.1.6 不同温度下真空蒸发对比试验475.1.7 不同粘度牌号油液的蒸发对比试验505.1.8 不同残余含水量下真空蒸发对比试验515.2 试验数据分析525.3 实例计算565.4 小结586 总结和展望596.1 全文工作总结596.2 今后工作展望59591 绪论1.1 研究背景与意义随着科学技术的飞速发展，对各种润滑油、液压油、变压器油等工业用油的净化精度要求越来越严格、用油量也日益增长。因此，工业上不仅要求将新生产的油精制以达到规定标准；而且，希望工业废油也能加以净化，重新达到规定的使用标准。此外，油在使用过程中也以较快的速度被污染
5、，所以对连续使用过程中的油也需要进行连续净化，以确保设备的正常运行。在使用过程中的油液被污染会造成很大的危害。如对液压系统而言，因油污染而形成的事故率高达82%，电气及机械故障占18%1。变压器油因污染而不合格时，变压器就有被击穿的危险。油中有害的污染物有：水、气体和固体粒子等。其中水能使油的耐压下降而不合使用要求，水还能使油的油膜强度下降或油膜破裂而加速设备的磨损，水和空气能使油中的必须化学添加剂失效，产生酸质，并加速油的老化，在运行中无水变压器油是有水变压器油寿命的56倍。对液压系统而言，水和空气使油的气穴现象严重，使系统的稳定性变差，系统的振动和噪声增加，设备寿命降低，甚至造成事故。目前
6、环境工程学科的三废治理领域主要是污水处理与资源化，固体废弃物处置与资源化以及空气污染治理。而对现代工业飞速发展随之带来的工业废油对环境的影响研究还存在很大的不足，但油液污染对环境的潜在危害正日益显现2。油液对环境的污染无论是在海洋、江湖、土壤还是大气方面，其潜在危害正在日益扩大3。如何有效地回收利用，是多年来摆在人们面前的一项课题。应用真空技术能有效去除油中的有害气体，提高油的品质；采用低温加热，蒸发，不破坏油中的有效成分，防止油品的老化，能有效地解决这些问题。因此，针对污染油液中的水分、气体等污染物，常常采用真空减压处理的方法进行油与水的分离处理，用真空油液处理设备恢复油液的使用性能4。在此
7、基础上提出建立工业废油中水分真空蒸发的数值模型，从理论的角度来解决实际生产问题。事实上，油水真空分离的质量好坏直接关系到设备、机组乃至企业的安全、经济、正常的生产。目前，真空滤油机的使用仍然主要依赖于操作人员的经验，对油处理的质量等需要进行离线实验室检测，而不能及时、准确地控制污油净化处理的质量5。由于目前污油处理设备在设计生产过程中滤油机结构参数的选定主要依据设计者的经验，而没有对滤油机真空蒸发机理进行系统的研究和分析，从而使得设计过程和产品的适用性比较粗糙。影响产品的实用性，对于最终的处理结果也存在极大的盲目性。真空滤油机的性能与效率因结构很多，也各不相同。传统真空滤油机正在逐渐被新一代体
8、积、能耗均很小的高效型设备取代6。为此，建立有指导意义的经验模型，对该领域的发展具有举足轻重的作用。油液在真空条件下，选择适当的油处理关键设备将油液进行雾化，或薄膜化，从而有利于传质7，最终达到油中水分、气体的去除。前人对油液中水分的真空蒸发的认识仍停留在经验上，本课题从机理研究的角度出发，运用建立数学模型的方法科学地阐述油液在真空条件下的水分去除问题，将经验上升到理论水平。通过本课题的调研、理论研究、实践验证，在学术理论上对污染油液真空处理这一较为普遍的工业过程进行机理分析，通过分析真空处理过程中的多个传质、传热过程，建立污染油液真空处理的经验机理模型，来提高滤油机工作效率与精度，将原本不可
9、再生的油液进行真空过滤再利用，大大节省了能源消耗，同时也减少了环境污染，并对这一研究成果进行总结形成研究报告，进行全面推广，可以有效提高污染油液真空蒸发的效率，更好地保护环境，降低污染油液对环境的损害影响。1.2 工业废油中水的危害1.2.1 油液中水的来源及水在油中的存在状态油液中水分的来源8有：（1）大气中的水蒸汽 溶解于油液内的水和大气中的水汽之间存在着动态平衡，当油液同潮湿空气接触之后，这种平衡的出现是很快的，在典型的运行温度下，一般吸水率达0.02%0.03%。（2）保存、运输、抽注和使用过程中水分浸入 在保存、运输、抽注和使用过程中由于外部条件的种种不同，或意外事故发生，如雨水的浸
10、入，水冷系统的渗漏或系统结构的欠缺，都易使水分浸入油内。在潮湿的气侯中，冷却盘管或圆盘给水管“发汗”，凝聚物跑进或掉入油箱时，会出现更复杂的污染形式。油在保管、贮存、运输、抽注和使用过程中会进入水分的。水分在油中会呈现不同的状态9。（1）溶解水 溶解于油液中的水分与油液一起为均匀的单相物质。水在油液中的溶解度主要受外部因素温度、湿度以及压力等的影响。水的溶解度一般与以上参数成递增关系。另外，油液的深度对水的溶解也有影响。油箱内油品的厚度增加，影响水分的扩散平衡，导致水溶解度的变化。 （2）游离水 游离水在油液中呈现第二相。游离水与油品中的溶解水呈平衡状态。水滴呈不同粒度大小，状态很不稳定，在各
11、种力的作用下，表现为悬浮、互相缔合或逐渐沉降以及沉淀水等状态。（3）乳化水 当游离水珠被乳化膜包围时，就形成了乳化水，乳化水会相对稳定地存在。1.2.2 水污染对油液的物理化学性能及系统的影响油内含有水分，不仅会对油品本身的物理化学造成很大的影响，而且会影响整个设备系统的正常工作：（1）生成极难破坏的乳化液 水分在油液中能成极难破坏的乳化液，当有表面活性物质时（添加剂及烃的氧化产物），乳化液的稳定性特别地得到加强。液压系统内存在油水乳化液能引起系统工作的各种故障。粘稠的有机物吸附在微小水滴的表面，乳化液生成油垢，堵塞滤油器、油泵和调节设备。（2）能大大地加速氧化过程和腐蚀过程 油液中存在的水分
12、能大大地加速氧化过程和腐蚀过程，当水分和无机污染物（金属颗粒，它们是氧化催化剂）一起作用时，工作液的烃类氧化会大大地加强。（3）使油液对金属的腐蚀作用加剧 水的存在能使油液对金属的腐蚀作用加剧，其中包括有色金属（铜、铅）。当水存在时，氧化作用加大，增加了油的酸性。（4）水分的蒸发在过热的部位 水分会蒸发，这时摩擦表面的油膜断裂，加大接触面的磨损，恶化液压系统耦合零件磨动表面的润滑。（5）不溶的水解产物 水分能使油液中生成不溶的水解产物，沉积在系统内，并因此减少了腔孔、导管等有效断面，引起工作失调。（6）污染物聚集核心 水滴具有高的表面活性，会成为污染物的聚集核心，加剧污染物的破坏作用。粘稠的污
13、染物吸附在微小水滴的表面，乳化液生成油垢，堵塞油滤、油泵和调节设备。（7）生成稳定的泡沫 含水的油液落有空气时，便会生成稳定的泡沫。这种现象会使油液的润滑性能下降，导致磨损增大38；油液同空气氧的接触表面增大，金属零件的腐蚀加剧。泡沫还会使泵的供油量剧烈下降，操纵机件的有效工作期过分延长，随系统的工作延缓，导管内产生振动，从而使液压系统的稳定性恶化。（8）溶解水 对于合成油液的使用性能有很大影响溶解水的存在能将合成油液的饱和蒸汽压提高数倍，石油基油液提高较少。饱和蒸汽压的提高会恶化油液的传输条件，在系统内产生气阻。（9）水分能促使微生物的污染 在蒸发油液内微生物几乎是不能繁殖的，而在浸水油中它
14、们生产的特别快。微生物在“油水”界面上繁殖得极为强烈，并伴随生成大量的生命活动产物：热解物质。这就大大恶化了油液的理化性能和使用性能。微生物的污染对金属的腐蚀加剧。1.2.3 油液中含水量的检测一、水含量测定法分类（1）作用原理不同 根据作用原理不同，测定油液内水含量的方法可分为直接测定法和间接测定法两类。（2)目的不同 根据目的不同可以分为：定性法和定量法。(3)取样的不同 根据取样的不同有：在线测定和实验室测定。二、水含量测定的基本方法10水含量测定的基本原理是利用水存在时石油产品的性能变化或利用水本身的性质。如密度、粘度、表面张力、介电穿透性、参加化学反应能力、蒸汽压力、各种射线的吸收能
15、量（紫外线、红外线、核射线等），具体方法的比较可由表1.1列出。表1.1 油液内水分的定量方法类别原理方法测量的参数化学同水的化学反应气体定量法、滴定法析出气体的体积、反应试剂消耗数量电化学电化学参数变化计温法、库仑计法、电导计法、电位计法析出的热量、混合液的电导率、电势物理化学油-水的内平衡变化气体色谱法、共沸蒸馏法、相滴定法、浊点法、湿度测定法分离后的水量、蒸馏后的水量、试剂（滴定）的数量、溶解（混浊）温度、蒸汽压力物理物理性能变化介电测计法、压力法、比重计法、密度计法介电穿透性、饱和蒸汽弹性、质量（重量）、密度光学射线强度或光谱变化红外光谱法、浊度计法、分光光度计法、折光测定法光谱吸收强度、光散射、光谱带的亮度、色强度、折射系数核物理原子核性能变化放射量测定法核磁共振、放射线强度、能吸收量目前常用的油液含水量的测定方法主要有蒸馏法、卡尔费歇微量水分测定法。蒸馏法所需装置简单，但测定的精确度较低，可
