（环境工程专业论文）超声对含油浮渣脱水性能的影响.pdf

硕士学位论文 摘要 炼油厂在进行含油废水处理的同时，通常会产生大量的含油浮渣，如不加以 重视，则会造成对环境的二次污染。实验研究的含油浮渣样品取自扬子石油化工 股份有限公司炼油厂( 以下简称扬子石化炼油厂) 水汽车间的污水单元。浮渣一 般是水包油型乳状液，并且成分复杂，通常含有9 0 左右的水分、4 左右的油 份以及6 左右的固体。 目前，含油浮渣脱水的主要方法包括离心法和板框压滤法，但通常都会使用 一定量的絮凝剂，故会限制处理后泥饼的再次利用；同时，离心法和板框压滤法 的设备投资也较大。近年来，有关超声波破乳脱水研究的报道越来越多，无论是 在处理效率还是设备投资方面，超声脱水都显示出了一定的优越性。 超声波脱水是基于超声波作用于性质不同的流体介质产生的“位移效应 来 实现的。利用声空化所引起的微射流使含油浮渣絮体破坏，并进一步导致絮体内 水分的释放；再通过热沉降作用，可以充分降低浮渣的含水率。因油、水的密度 差异，大水珠迅速下沉，油珠上浮，从而达到油、水分离的目的。 本课题采用单独超声波( 一次超声辐照和二次超声辐照) 来处理炼油厂含油 浮渣，研究超声辐照对浮渣脱水性能的影响。实验的研究内容包括： 1 ) 研究各操作参数对脱水效果的影响，其中包括声强、频率、超声辐照时间、 沉降温度及沉降时间等等。得到了最佳的工艺参数：声强5 0 0 w m 。，频率2 0 l 洲z ， 超声辐照时间7 m i n ，沉降温度为7 0 以及沉降时间6 h 。在上述操作条件下，浮 渣含水率可从原先的6 3 1 降低到5 8 6 。在单因子实验的基础上，进行相关因 素的正交实验，优化各工作参数。 2 ) 考察超声波声强在液体体系( 含油浮渣和水) 中传播时的衰减情况，结合小 试得出的最佳工艺参数值，进行适当放大，同时加工设备，进行中试实验。 3 ) 浮渣经超声破乳处理之后，再进行二次超声破乳辐照，考察上述操作参数 对浮渣含水率的影响。 通过对比实验研究可以发现：与原有采用添加絮凝剂过滤工艺相比较，超声 摘要 波脱水法具有一定的优越性：即在达到相同效果下，无需使用絮凝剂，从而降低 含油浮渣的脱水成本：同时，在同样的沉降条件下，经短时间低频率超声波辐照 后的浮渣含水率更低。 关键词：含油浮渣脱水超声破乳 硕士学位论文 ab s t r a c t a m o u n t so f o i l ys c 啪c a nb ep m d u c e dw h e nt r e a t i n gt l l eo i l yw 弱t e w a t e r ，w h i c h c o u l di n d u c es e c o n dp o l l u t i o ni fn o tb ef o c u s e do n t h eo i l ys c 哪、v 弱拓i l ( e n 舶m y 如舒z ep e t m c h e m i c a lc o r e f i n e 巧i nt h i st h e s i s t h ew a t e ri no i l ys c u m w 嬲a b o u t 9 0 ，m o s to f w h i c he x i s t e di nt h ef o n no ff r e e d o mw a t e r o “c o n t e n tw 弱a b o u t4 锄dt h er e m a i n i n gs 0 l i dc o m p o u n d sw e r ea b o u t6 a tp r e s e n t ，t h em a i n 、a y so fo i l ys c 啪d e w a t e r i n gi np l a n ta r ef i l t e r - p r e s s i n g 觚dc e n t r i 如g 撕o n ，啪l l ya d d i n gi ns o m ef l o c c u l 锄t sw l l i c hr e s t r i c t st l l em r t h e r u t i l i z a t i o no fs c m n ；o nt i l eo t i l 既l i 乏m d ，t l l ei 1 1 v e s t m e n t so ff i l t e r - p r e s s i n g 锄d c e m r i 凡g a t i o na r e 伊e a t r e c e n t l y t 1 1 er e p o r t so fd e m u s i f i c a t i o nb yu i 嘞u n da r e m o r e 锄dm o r e ，i n d i c a t i n gm a tt 1 1 eu l t r a s 0 n i cd e w a t e r i n gi so b v i o u s l ys u p e r i o rb o t l li n t h e 锨；a 恤e n te f f i c i e n c ya n di i lt l l ed e v i c ci n v e s n n e n t s t h em e c h a i l i s mo fd e h y d r a t i o ni sa c h i e v e db 弱e do nt h e “d i s p l a c e m e n te 脏c t ”t 0 t l l el i q u i dm e d i 啪o fd i 脏r e n tc h a m c t e 体u s e db yu l t 删沁岫d t h ev o i c ee m u x 鲫d c a v i t a t i o n sc 锄d e s 廿d y 锄dd e c o m p 0 t h eb l e n d i n g ，陀l e 鹬i n gm ew a t e rc o n t a i n i n gi n t h eb l e n d i n g n ew a t e h o n t a i n i n gc 锄b ed e c r e a s e db yt h e 讯组t m e n to fg r a v i t y d i m e n t a t i o n t h ew a t e rd r o p l e t s 锄do i ld r d p l e t sc a n p a r a t e 触) me a c ho t l l e r b e c a u s eo ft 1 1 ed e n s i t yo fw a t e r 卸do i l i nt h i st h e s i s ，e x p e r i m e n t su s i n gu l t 豫s o u n d ( f i r s tu l t r 硒o n i ci m a d i a t i o na n d s e c o n du l t r 笛o m ci 1 1 r a d i a t i o n ) f o rp r e - p r o c e s s i n gt or e d u c et h ew a t e r - c o n t a i l l i n gw e r e p r e s e n t e d 部f o l l o w s ： u s i n gs i n 刨e f a c t o re x p e r i m e n t st 0s t u d yt h ee a e c t so f e a c hf a c t o rt h a tc o u l d i n f l u e n c et h ew a t e 卜c o n t a i n i n go fs c 啪i n c l u d i n gi n t e n s i 以f i r e q u e n c y l a s t i n gt i m eo f u l t r 够o u n d ，s e d i m e n t a t i o nt e m p e r a t u r e 锄dt i m e ，e t c t h r o u g ht h et e s t s ，t h eb e s t c o n d i t i o n so fu i t r a s o u n dw e r ef 0 山1 dt 0b e ：u l t r a s o n i cf r e q u e n c yw a s2 0l ( h z ，s o u n d i n t e n s i t y 、忱s5 0 0 w - m ，i n a d i a t i o nt i m ew 硒7m i n ，s e d i m e n t a t i o nt e m p e m t u r ew 硒 7 0 锄ds e d i m e n t a t i o nt i m ew 嬲6 h u n d e rt h ec o n d i t i o no fu i t r a s o u n d ，t h e a b s t r a c t 、v a t e 卜c o n t a i n i n go ft h eo i l ys c 眦c o u l db ed e c r e a s e d 胁m6 3 1 t 05 8 6 b 弱e do n t h e s i n g l e - f a c t o r sr e s u l t s ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t sw e 托c a u r r i e d o u ti no r d e rt 0 o p t i m i z ee a c hf a c t o r 2 ) t h ea t t e n 眦i o no fu l t r 髂o u n dw h e ns p r e a d i n gi nt h es c u n l 孤l dw a t e rw e r e 2 l l s os t u d i e di nt h ee x p e r i m e n t s c o m b i n e dw i t ht h er e s u l t so fs i n g l e - e x p e r i m e n t s ， m a k et l l ed e v i c eo f d e h y d r a t i o nb yu l t r 弱o u n d 3 )e r a d i a t et h es c u mu s i n gu l t r _ a s o u n ds e c o n d l y ，a n ds t u d yt h ee f r e c t so f d e h y d r a t i o nb ye a c hf a c t o r c o m p a r e d 诵t l lt l l eo r i g i n a lt e c h n o l o g yo fa d d i n gf l o c c u l 柚t si nm es c 哪，m e u l 的s o i l i cm e t l l o di so b v i o u s l ys u p e r i o ri n 髭v i n gt h ed e p l e t i o no fn 0 c c u l 勰t st 0m a k c 吐圮p r o c e s s i n gc 0 s tm u c hl o w e rf o rt i l es a m ee 仃e c t 锄dm e a n t 沛ei nm a i 【i n gt l l e w a t e r c o n t 蛐go fm eo i l ys c u ml o 、e ro nt h es 锄ec o n d i t i o no fs e d i m e n t a t i o n k e y w o r d s ：o i l ys c u m ；d e h y d r a i i o n ；u 1 t r a s o u n d ；d e m u l s i f i c a t i o n l v 硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 炼油厂含油浮渣的背景知识 1 1 1 含油浮渣的产生 炼油厂废水处理工段中，含油浮渣的形成缘于在浮选池中投加絮凝剂，在高 压状况下，废水中溶解的大量气体在骤然减压时，释放出无数细微气泡，与经过 混合反应的水中杂质颗粒粘附在一起，使得含油废水混凝气浮，细小的空气泡携 带含油污泥上浮而产生，该过程称为气浮。根据含油废水来源的不同和油类在水 中的存在形式，可分为浮油、分散油、乳化油和溶解油等四类，而炼厂含油废水 的油一般以浮油、溶解油和乳化油这三种状态存在于水中【i j 。前两种比较好处理， 而乳化油的油分是以微米数量级大小的粒子存在的，故分离难度比较大。目前， 乳化油废水的处理方法有盐析法、絮凝法、浮选法、膜分离法、吸附法和生物法 垒窑【2 j 寸。 由于沉淀池为矩形，且尺寸比较大，不能设置螺旋输送器，浮渣只能是以 水为载体的自流方式流入沉淀池浮渣槽内的，因此沉淀池浮渣槽内的浮渣含水 率很高，通常高达9 9 左右，其体积大，性质粘稠比水稍轻，从而增加了运输、 贮存及利用的处理费用，为此必须对含油浮渣进行脱水预处理，为后续处理和 利用过程提供更为适宜的流体特性条件。 1 1 2 含油浮渣的处理 长期以来，扬子石化炼油厂水汽车间产生的浮渣，不易处理，污染严重，如 不及时排出污水处理系统，则会造成污水的恶性循环，使处理后的水质恶化。浮 渣通常处理方法是：在重力沉降脱水后委托外单位外运出厂处理。由于在外运处 理过程中有可能出现二次污染或污染转移现象，这样无论在经济上还是环保上都 有较大的压力。因而亟待寻求一种资源再利用的途径解决相应问题。 近年来，有关浮渣再利用的科研技术纷纷被报道，其中与延迟焦化处理技术 第一章文献综述 相结合是一个很好的研究方向。但是，由于含油浮渣本身的高含水率，其利用也 受到了一些影响。无论是当前处理还是后续处理，脱水在浮渣预处理中均起了关 键性作用。因为脱水后浮渣的体积将大大减小，如果能将含水率由9 9 降到8 0 ， 则体积可减少到原来的二十分之一，大大有利于运输、填埋及进一步从中回收油 相、絮凝剂铝盐，具有明显的经济和环保优势。 1 1 3 含油浮渣中水的存在形式 含油浮渣中水的存在形态通常有四种：自由水、表面吸附水、毛细结合水 和内部结合水。生产过程中含油废水组成多变，性质不同，含有成分复杂的油、 易挥发组分硫化氢、重金属、烃类、芳香族化合物等和过量的絮凝剂，比重比 水轻，含水率一般在7 0 9 9 ，其中自由水占整个水体积的7 0 左右，是脱 水的主要部分【3 1 。 1 2 含油浮渣的脱水方法 1 2 1 常规脱水方法 脱水是用来减少污泥和生物固体湿度的一个物理操作单元，脱水具有以下 几个方面的优点：当通过脱水使污泥体积减少时，将污泥和固体运送到最终的 处理站所消耗的费用可以大大降低：一般来说，污泥和生物固体的脱水可以使 污泥增稠，使得液态的污泥更容易处理：去除过量的水分可以去除生物固体的 气味，同时防止其腐败。 脱水方法按其有效的水分脱出对象可分为：浓缩、机械脱水、干化、干燥 和焚烧等不同的类型【4 i 。其中，浓缩仅对自由水的脱出有效，主要利用的是重 力场和低强度离心力场的作用进行脱水：机械脱水对自由水和部分间隙水的脱 水有效，主要是利用人工压应力场和高强度离心力场的作用进行脱水；干化是 用各种污泥自然干化场、塘进行的脱水操作，按操作方式和历时的不同，其脱 水机制复合了重力场和太阳辐射热致水分挥发两个方面的作用：干燥指的是利 用热源，通过热致水分蒸发汽化作用，对污泥进行脱水处理的过程，主要用于 脱出污泥中的间隙水分、吸附水分；与上述各种脱水过程基本不引入化学过程 2 硕士学位论文 不同，焚烧利用污泥固相可燃物的热化学反应，使之释放大量化学能以提供水 分汽化的能量，同时破坏固相物质的持水结构来实现脱水目的，它对各种结合 状态水分的去除均有效，但由于化学过程比较复杂，一般不作为污泥预处理的 方法。 1 2 1 1 浓缩 浮渣浓缩就是通过去除浮渣颗粒间的自由水分，以达到减容的目的，从而 减轻浮渣后续处理、处置和利用的压力。由于浮渣的含水率很高，一般都应进 行浓缩处理。其基本方法有重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩等。 重力浓缩是利用浮渣中的固体颗粒与水之间的密度差来实现的，通常借助 于重力浓缩池来实现，其特征是区域沉降。气浮浓缩是使大量的微小气泡附着 在浮渣颗粒的表面，从而使浮渣颗粒的密度降低而上浮，实现泥水分离的目的。 离心浓缩是根据各种物质密度的不同，在离心力的作用下将物质分开的方法。 因其可连续运行、占地面积小、工作场所卫生条件好、造价低等特点被广泛地 用于各种工业中。 1 2 1 2 机械脱水 机械脱水是污泥脱水的主要方向，它以过滤介质两面的压力差作为推动力， 使污泥水分强制通过过滤介质从而形成滤液，而固体颗粒被截留在介质上形成 滤饼，从而达到脱水的目的。根据造成压力差方法的不同，可以将机械脱水分 为三类： 1 ) 真空吸滤脱水：在过滤介质的一面形成负压进行脱水： 2 ) 压滤脱水：在过滤介质的一面加压进行脱水； 3 ) 离心脱水：造成离心力实现泥水分离。 机械脱水主要是去除污泥颗粒间的毛细水和颗粒表面的吸附水。 1 2 1 3 干化 干化是污泥深度脱水的一种形式，所应用的污泥脱水能量( 推动力) 主要是 热能。通常可分为传统自然干化和强化自然干化，其主要构筑物均为干化场。 污泥干化床是在美国应用最广泛的污泥脱水方法，通常用于处理好氧污泥工艺 3 第一幸 文献综述 的未经浓缩的消化生物固体及沉降污泥。干化后，固体或运至填埋场或作为固 体填充物处置。 干化的主要优点有：运行费用低、无需特别管理、干化后密实性较好；缺 点有：占地面积大、劳动力强度大、受气候条件影响大、易滋生蚊蝇、有臭味 等等引。 1 2 1 4 干燥 污泥干燥是利用人工热源对污泥进行深度脱水的处理方法。按照热介质是否 与污泥相接触，现行的污泥热干燥技术可以分为三类：直接热干燥技术、间接热 干燥技术和直接一间接联合式干燥技术l 们。 直接热干燥技术又称对流热干燥技术1 7 1 。对流热干燥是通过热空气从污泥表 面去除水分。干燥的效率取决于如下两个因素：空气运行条件( 稳点、相对湿度、 速度) 和污泥的自身结构及特征。在操作过程中，热介质( 热空气、燃气或蒸汽等) 与污泥直接接触，热介质低速流过污泥层，在此过程中吸收污泥中的水分，处理 后的干污泥需与热介质进行分离。排出的废气一部分通过热量回收系统回到原系 统中再用，剩余的部分经无害化后排放。由于与污泥直接接触，热介质将受到污 染，排出的废水和水蒸气须经过无害化处理后才能排放：同时，热介质与干污泥 需加以分离，给操作和管理带来一定的麻烦。闪蒸式干燥器( f l 弱h d r y 神、转筒 式干燥器( r o t a r yd 叮e r ) 、带式干燥器( b e l td 巧e r ) 、喷淋式干燥器( s p r a yd d ，e r ) 、螺 环式干燥器( t o r o i d a ld 拶e r ) 和多效蒸发器( m u l t i p l ee f r e c te v a p o r a t i o n ) 等都属直接 热干燥装置类【引。 在间接热干燥技术中，热介质并不直接与污泥相触，而是通过热交换器将热 传递给湿污泥，使污泥中的水分得以蒸发，因而热介质不仅仅限于气体，也可用 热油等液体，同时热介质也不会受到污泥的污染，省却了后续的热介质与干污泥 分离的过程。过程中蒸发的水分到冷凝器中加以冷凝。热介质的一部分回到原系 统中再用，以节约能源。由于间接传热，该技术的热传输效率及蒸发速率均不如 直接热干燥技术，操作设备有薄膜热干燥器、盘式热干燥器等。 直接一间接联合式干燥系统则是对流一传导技术的整合，如v o 眦l l l 9 1 设计的 高速薄膜干燥器，s u i z e r i l o l 开发的新型流化床干燥器以及e n v i 陀x i 。】推出的带式干 燥器就属于这种类型。在所有提及的这些干燥器中，闪蒸式干燥器是目前应用最 4 硕士学位论丈 广的一种f 2 1 。 尽管污泥干燥的直接结果是污泥含水率的下降，但与机械脱水相比，其应用 目的与效果均有很大的不同。污泥机械脱水( 也包括污泥浓缩) ，其应用目的以减 少污泥处理的体积为主( 机械脱水和污泥浓缩通常均可使污泥体积减少4 倍左 右) ，但脱水污泥饼除了含水率和相关的物理性质，如流动性与原状污泥有差异 外，其化学、生物等方面性质并不因脱水而产生变化。 污泥干燥通常使用人工热源，以提高水分蒸发强度，其操作温度( 对污泥颗 粒而言) 通常大于1 0 0 ，干燥对污泥的处理效应，不仅是深度脱水，还具有热 处理的效应：加之，污泥干燥处理的产物，其含水量可控制在2 0 以下，即达 到抑制污泥中的微生物活动的水平，因此污泥干燥处理可同时改变污泥的物理、 化学和生物特性。故干燥不仅可在污泥焚烧和热化学转化等工艺体系中作为预 处理技术单元应用，也可以通过直接将干燥污泥产物出售给农业部门当肥料或 土壤改良剂，或出售给建材制造等工业部门当辅助燃料。 1 2 1 5 焚烧 污泥焚烧始于1 9 3 4 年美国密歇根州安装的第一台多膛炉。 污泥焚烧的原理是在一定温度、气相充分有氧的条件下，使污泥中的有机 质发生燃烧反应，使有机质转化为c 0 2 、h 2 0 和n 2 等相应的气相物质，反应过 程释放的热量则维持反应的温度条件，使处理过程能持续地进行。 1 2 2 目前浮渣的脱水方法 含油浮渣的脱水工艺通常也称为浮渣的减量化工艺。为了提高浮渣浓缩和 脱水效率，通常都需预处理。通过调整固体粒子群性质及其排列状态，以改变 浮渣的理化性质，减小其与水的亲和力，使水滴问凝聚力增大，从而颗粒变大， 加速其重力沉降过程。 通常的处理方法有：生物调理法、化学调理法和物理调理法三类1 1 3 l 。目前 最常用的是化学调理，其典型工艺为混合和絮凝。国内对于浮渣减量化的研究 主要集中于减量工艺的选择，即选择不同的机械压滤工艺、不同的化学调理剂 和投加工艺；而国外在此基础上还对新兴的处理方法有所研究，如热力学法、 第一幸文献综述 电子脉冲法和超声处理法等1 1 4 i 。 鲁伟1 1 5 】等采用“风送渣浆，橡胶板框压滤脱水 的机械脱水工艺，取得了 较好的效果。生产实践表明：该流程处理含油浮渣具有工艺简捷，设备运行可 靠，能耗费用低廉，泥饼含水率低，滤液澄清度高且对污水处理过程无冲击的 优点。但该方法生产能力略低，工人劳动强度偏大，仅适于中、小型污水处理 厂使用，同时脱水车间的空气有一定程度的污染，故应完善通风排气措施。 于庄子1 1 6 】研究了离心脱水机对含油浮渣的脱水作用。其处理工艺是：油泥、 浮渣用提升泵输送到浓缩罐脱水，首先在浓缩罐里进行浓缩脱水，然后在离心 脱水机前1 3 米处添加有机絮凝剂聚丙烯酰胺( p a m ) ，最后加入助滤剂石灰乳。 泥靠自流进入离心过滤机进行过滤。实验过程运行良好，滤后液含水率达 9 9 9 9 ，达到了泥水分离的目的，并且滤后液c o d 的含量也不高，随后将其 输送到污水处理系统。 孙晓娟【17 l 等对浮渣采用絮凝、破乳、离心的方法进行脱水处理，考察了絮凝 剂、破乳剂及其用量，探讨了离心脱水机械用于该浮渣的可行性，并提出了温度、 转速、分离时间等最佳操作参数。具体处理方法为：先加浮渣量的1 o 的破乳剂、 7 o 的絮凝剂，常温下搅拌l o m i n ，最后在离心转速4 0 0 0 r m i n 下离心分离2 0 m i n 。 脱水后浮渣的体积减少到原浮渣体积的1 ，4 左右，含水率6 0 左右，含油率l o 左 右，基本成型，运输方便。脱出水c o d c ，为2 3 2 m g l ，油含量为2 1 9 m l ，稍加 处理即可达标排放。在处理浮渣的同时，还回收了浮渣中的油分。 g o d i n o 硒n ol 1 1 8 】等开发了把湿含油污泥直接输送到焦化装置上部急冷罐来 处理污泥的工艺在此罐内污泥和从焦炭塔出来的热油混合。混合物一部分送入 焦炭塔转化成焦炭，其余循环。进入装置的含油污泥先用于分馏塔的低温位热能 预热，再利用循环的其余混合物进一步加热和干燥。蒸发的水分可作为冷焦水或 切焦水。 吴芳云【9 】等用物理、化学方法研究了浮渣的脱水和固化问题。先加入l o o 3 0 0 m g l 无机絮凝剂硫酸铝，再加入5 1 0 m g l 阴离子型有机分子絮凝剂s 4 1 7 ， 然后经砂床过滤，收到了较好的效果。浮渣中的含水量在l h 内从9 0 降低到5 0 ， 脱水率为5 6 。从显微镜放大观察到，浮渣中细小分散的固体颗粒逐步长大，并 连成大颗粒，这对于污泥的过滤和脱水十分有利。 6 硕士学位论文 罗德春1 2 0 l 发明了一种用于石化工业含油废水浮选处理过程中所产生浮渣中 所含的油、水、固体物的分离处理技术。该技术所用的具体方法是将浮渣酸化至 p h 为2 0 3 0 之间，然后将浮渣加热至7 5 8 5 ，使浮渣中的氢氧化铝固体颗粒 在酸性条件下分解成为可溶性的高价铝离子。处于加热、加酸酸化和有高价铝离 子存在的破乳环境条件下，原浮渣中的油类物质迅速聚集并上浮，而原浮渣中的 其它悬浮固体则开始向下沉积。让该混合液静置4 h 后，将油层下面的水溶液排入 中和池中，实现含油浮渣中油和水及固体物质的分离。然后向该水溶液中加入碱 性物质；其中的铝离子又反应生成了氢氧化铝沉淀，采用厢式压滤机将该混合物 过滤，就实现了水和固体物质的分离。借助上述操作，实现了含油浮渣中所含的 油、水、固体物质的分离。 姜启文【2 l 】发明了一种浮渣和油污泥的处理方法。利用不相溶液体混合物温度 特性和精馏原理热裂化反应及旋风分离器原理，将浮渣和油泥经沉淀脱水，经加 热炉对流室加热送到分馏塔进行蒸馏。顶部蒸馏出轻质油与水，再经冷却沉淀分 离。底部蒸馏出重质油及无水泥渣，通入高温蒸汽，经加热炉辐射室加热裂化反 应后进旋风分离器进行油渣分离，分别冷却得重质油、焦碳和水。轻质油和重质 油回炼后得成品油。焦碳可作工业和民用燃料，含硫污水可送回收装置提取硫磺。 浮渣和油污泥的处理方法及装置特别适用于石油化工和炼油厂污水处理过程中 产生的有毒、污染性强的浮渣和油污泥。 游同想【冽等发明提供一种炼油浮渣池浮渣处理工艺，该工艺包括下列步骤： 1 ) 炼油浮渣泵入一冷冻挤压搅拌式脱水机进行冷冻搅排脱水处理；2 ) 从冷冻剂压 搅拌式脱水机的出料口排出的炼油浮渣落到一皮带输送机上，油水在皮带输送机 上初步分离，分离水后炼油浮渣从皮带输送机的上端送入炼油浮渣精制槽进行精 制处理：3 ) 炼油浮渣在精制槽中加热搅拌进一步脱水处理，脱水后的合格炼油浮 渣在精制槽的上部由泵送炼油工序炼油；4 ) 精制槽下部的不合各炼油浮渣在精制 槽的下部由循环输油泵送回冷冻挤压搅拌式脱水机重新冷冻搅拌脱水处理。 鉴于浮渣中含有油分，其脱水过程与原油的破乳脱水有一定的相似性，所以 考虑将研究较成熟的超声原油破乳方法应用到浮渣的脱水过程当中。 7 第一幸 文献综述 1 3 超声波 1 3 1 超声波定义 超声波是一种在媒质中传播的弹性机械波。人耳能听到的声波的频率范围通 常在2 0 h z 1 8 k h z 范围内。物理学中规定：频率高于2 0 l 出z 的是超声波，上限可 高至与电磁波的微波区( l o g h z ) 重叠，但一般认为对气体为5 0 m h z ，对液体为 5 0 0 m h z 。化学化工中常用的超声波的频率为2 0 k h z 2 m h z ( 由于历史的原因， 一些频率低于2 0 l m z 的声波也归于超声应用范围) ，其中2 0 l m z 1 0 0 l m z 之问的超 声波应用又称为功率超声。 由于超声波在化学化工中的应用而形成了一门新的学科声化学l 。 1 3 2 超声波的作用机制 超声波的作用机制通常被归为三种：力学机制、热学机制和空化效应【2 4 2 卯。 1 3 2 1 力学机制 力学机制主要考虑到了质点位移、振动速度、加速度及声压与超声效应的 关系，超声波能迫使介质做激烈的机械振动，并能产生强大的单向力作用。如 超声波的频率为2 0 l z 的时候，在水溶液中移幅值为2 0 “m ，由声学原理可求 得其振动速度和加速度分别为2 5 以和3 2 1 0 5 n 1 s 2 3 2 1 0 4 9 ( g 为地球的重力 加速度) ，此时介质中的最大加速度为重力加速度的3 2 万倍，这会大大加快化 学反应的传质效果，从而加快声化学反应速率。 1 3 2 2 热学机制 超声波在介质中传播时，其振动能量不断被介质吸收，从而会导致介质发 热。热学机制对声化学反应比较复杂，因为反应介质的升温会减弱其中的空化 强度，故在声化学反应过程中，常常要采用一定的防止温升的措施。但是大部 分声化学反应由于温度的升高，其反应的速率往往会加快。因此，综合作用的 结果往往难以定量化描述。 8 硕士擘位论文 同时，介质的升温会导致含油浮渣粘度的降低，从而有利于脱水过程。 当强度为，的平面超声行波在声压吸收系数为a 的媒质中传播时，单位 体积媒质中超声波作用f 秒产生的热量q 为： q = 搬， 即热量与媒质的吸收系数、超声强度及辐照时间成比例。 1 3 2 3 空化效应 超声空化是指：液体中的微小泡核在超声波作用下被激活，它表现为泡核 的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。附着在固体杂质、微尘或容 器表面上及细缝中的微气泡或汽泡，或因结构不均匀造成液体内抗张强度减弱 的微小区域中析出的溶解气体等都可以构成这种微小泡核。该过程能够集中声 场能量并迅速释放，即空化气泡吸收声场能量并在极短的时间内( 1 1 0 0 “s ) 崩 溃同时释放能量。在空化气泡崩溃的极短时间内，处于正常温度和压力的液体 环境在微观局部产生异常的高温高压( 5 0 0 0 k 、 5 0 m p a ) ，并伴有强烈的冲击 波和微射流等现象。这就为在一般条件下难以实现的化学反应提供了一种非常 特殊的物理环境，打开了化学反应的通道。因此，空化气泡也被看作是具有极端 物化条件和含有高能量的微反应器。 1 3 3 声化学反应器的类型 声化学反应器【2 4 l 是指将超声波引入并在其作用下进行化学反应的系统，其 核心是超声发生器，超声发生器通过超声换能器将电能转变为声能。其中常见 的有超声清洗槽式声化学反应器、变幅杆式声化学反应器等。 1 3 3 1 超声清洗槽式声化学反应器 超声清洗槽式声化学反应器是最早、最普通的声化学反应器。超声清洗槽 式声化学反应器是由一个不锈钢水槽和若干个固定在水槽底部的超声换能器所 组成。根据声波的一般理论，在清洗槽内进行声化学反应实验时，应使用平底 容器，因为声波是从槽的底部向上发射并穿过烧瓶底部作用于反应液体，当烧 9 第一章文献综述 瓶取平底时，声波垂直入射：当烧瓶取球形底时声波是斜入射。垂直入射进入 反应液体中的声波能量比斜入射时有效得多。其结构如图1 1 所示： 清洗憎 水 蹿沓渔i f 乏器 图1 1 超声清洗槽式反应器 f i g 1 - lu i 临o u n dc l e 柚i n g 溉i c t o r 1 3 3 2 变幅杆式声化学反应器 变幅杆式声化学反应器是将发射超声波的“探头 ( 超声换能器驱动的声变 幅杆的发射端，可由不锈钢、铝合金、钛等制成) 直接浸入反应液体中，这是将 超声能量传递到反应液的一种很有效的方法，在辐射端面上可以获得较大的声 强。可由改变输入换能器的电功率来控制变幅杆端面的质点振动幅度或声强。 另外一种控制辐射声强的办法是调换所使用的探头，目前多数用于声化学反应 的超声辐照系统，都备有一些直径不同，可随时装卸的金属探头。变幅杆式声 化学反应器在声化学中应用较为广泛，结构如图1 2 所示： 生器 图1 2 超声变幅杆式反应器 f i g 1 - 2u i t r a s o u n dp r o b en e a c t o r 它的原理是因为压电晶体本身的振动幅度一般很小，如果把它直接放在反 应液中可能不足以引起空化现象，所以需要对其进行放大，变幅杆正是起这个 l o 硕士学位论文 作用。变幅杆强度高，耐腐蚀，低声学损耗。由于能量集中，使得探头小端面( 接 触反应液的端面) 的振幅增大，增大倍数为大端面和小端面面积之比。 1 3 3 3 小结 根据本实验室的使用条件，对变幅杆式和清洗槽式声化学反应器进行优劣 性能比较。 清洗槽式反应器的优点为：对反应液体容器除平底外无特殊要求：不存在 因空化腐蚀探头表面而污染反应液的问题。缺点为：反应液体中的声功率密度 不如探头浸入式的强；反应液体中的声强与反应容器在水槽中的位置有关。 变幅杆式反应器的优点为：反应液体中可以获得较高的声强：探头辐射的 声功率可以调节到最佳工作状态。缺点为：探头表面空化腐蚀可能污染反应液 体。 1 3 4 超声波的应用 自从1 8 8 0 年c “e 发现压电效应及1 9 1 7 年l 锄g e y i n 发现反压电效应后，半个多 世纪以来，超声波及其应用获得了广泛而令人瞩目的成就。从海洋探测、工业探 伤、医疗保健到雷达、电视和通讯中的声电子器件，人们几乎处处都会感受到超 声技术与现代生产、生活的密切关系。 超声有强化传质、有机物降解、降粘和絮凝脱水等效应【2 纠。 1 3 4 1 超声在清洗方面的应用 目前超声波用于工业清洗方面是最为广泛的，也是最成功的。超声波清洗的 物理机制归结为声空化、冲击波、微声流以及清洗液超声振动本身的效应，主要 表现在1 3 0 1 ： 1 ) 存在于液体中的微气泡( 空化核) 在声场的作用下振动，当声压达到一定值 时，气泡将迅速变大，然后突然闭合，在气泡闭合时产生的冲击水波能在其周围 瞬间产生上千个大气压的压力，以此破坏不溶性污物而使它们分散在清洗液中。 2 ) 蒸气型空化对污物层的直接反复冲击，一方面破坏污物与清洗件表面的吸附； 第一章文献综述 另一方面也会引起污物层的疲劳破坏而与清洗件表面脱离。3 ) 气体型气泡的振动 对固体表面进行擦洗，污物旦有缝，气泡就可以“钻入”裂缝中振动，使污层 脱落。4 ) 对于有油污包裹的固体粒子，由于超声空化的作用，两种液体在界面迅 速分散而乳化，固体粒子即脱落。对于精密工件上的空穴、狭缝、微孔及小洞等 死角，通常的洗刷很难起作用，利用超声波清洗则可达到理想效果。 超声波与其他清洗手段相比具有以下优点1 3 i l ：1 ) 清洗效果优于其他方法，如 若超声清洗效果定为l o o ，则刷洗、蒸汽清洗、溶剂压力清洗和浸泡分别为9 0 、 3 5 、3 0 和1 5 ；2 ) 清洗质量高，清洗效果均匀，一致性好；3 ) 缩短清洗时间 并节能，降低生产成本；4 ) 降低工人的生产强度，改善劳动条件：5 ) 绿色环保， 超声波清洗所采用的洗涤剂为低污染型，易于降解。 崔运花p 2 j 研究了不同条件下的超声波洗毛效果，并与传统乳化洗毛进行了对 比。研究结果表明，利用超声波洗毛可以降低洗毛温度、缩短洗毛时间、降低洗 剂和助剂用量。利用超声波所得的洗净毛蓬松性好，羊毛之间不发生纠缠，白度 高且洗净毛中几乎无细小杂质。另外，超声波在洗毛的同时，对羊毛鳞片有蚀刻 作用。经过超声波洗毛所得洗净毛纤维鳞片变钝、变光，摩擦效应降低。且超声 波洗毛所得洗净毛纤维细度分布更趋集中，长时间超声波洗毛会使羊毛纤维直径 变小，断裂伸长增大，但对纤维断裂强力无明显损伤。 目前，超声波技术在环境领域中的应用还处于早期阶段。在国外，超声波技 术作为一种新的水处理技术已经有大量的实验室的基础研究成果，并有部分进入 实际应用。而国内，这方面的工作开展得还非常有限。 1 3 4 2 超声在废水处理中的应用 超声技术作为一种新型的氧化方法，能提高难降解有机物的降解率和增强水 处理中的生物活性，在废水处理中已经发挥了一定的作用并有广阔的发展前景。 超声降解水中有机物主要是通过热分解、羟基自由基氧化和等离子化学和高级氧 化，通过声空化将水中的有毒、难降解有机污染物转化为二氧化碳、水和毒性更 低的小分子物质。影响降解率的主要因素有：超声波频率、超声波声强、溶液的 p h 值、溶解气体的物理性质和污染物自身性质p 引。 g t h o m a l 3 4 l 用超声波辐照法对含有苯和甲苯的废水进行了实验研究。流量 1 2 硕士学位论文 为3 l o m l m i n ，处理液体积为2 2 l ，整个处理过程中以氧气曝气。试验结果表 明：初始质量浓度为4 8 m g l 的苯和甲苯废水经声强为0 6 5 3 6 w c m z 的超声波 处理后，两者的降解均呈一级反应，反应速率常数为o 0 0 2 7 0 0 3 7 0 m i n 。 程爱华3 5 1 等用腐殖酸、f e 离子、s i 0 2 、阴离子洗涤剂、苯酚等配成一定浓度 的模拟微污染水，在不同的反应容器( 烧杯、圆盘、圆桶) 中用频率为2 0 k h z 2 4 k h z 、功率5 0 0 w 的超声波处理一段时间。结果表明：超声波对微污染水的色度、 浊度、有机污染物均具有一定的去除作用。对降解色度来说，圆桶中实验效果最 好，圆盘中实验效果次之，烧杯实验效果最差；对去除浊度而言，烧杯实验效果 最好，圆桶中实验效果次之，托盘实验效果最差。 a t e i h 【3 6 】等研究表明用3 l z 、声能密度o 1 1 w c m 3 的超声波处理可以有 效打破菌胶团。处理3 0 s 后污泥平均尺寸从1 6 5 眦n 下降到1 3 5 m m ，处理9 6 s 后下降 到8 5 m m 。同时发现污泥菌胶团的解构效率随超声波频率的升高而降低，最佳分 解频率为4 1m z 。超声波破坏菌胶团结构后，大量被挟裹在菌胶团内的有机物被 释放到水中，从而易于为微生物所用。 y c h i u f 3 7 1 等研究发现：频率2 0 m z 、声能密度o 1 2 w c m 3 的超声波处理4 h 将污泥中可溶性c o d 占总c o d 的比值( s c o d 厂r c o d ) 从3 6 提高到8 9 ，可溶性 氮的比值从3 4 提高到4 2 ，基本取代了污泥水解过程，从而极大的缩短污泥厌 氧发酵时间并提高了污泥可生化性。 u n e i s 【3 8 1 等研究表明用频率4 1 l m z 、声能密度0 1 0 w c m 3 的超声波处理3 0 1 2 0 m i n ，可以使污泥厌氧发酵时间从2 2 d 降到8 d ，比容积消化速率从4 3 7 9 ( m 3 d ) 上升到l l6 6 9 ( m 3 d ) 。 t i m o t h yj m a s 0 n 1 3 9 】综述了超声波所产生的空化作用在水处理、空气除尘以 及土壤修复中的作用，同时列举了超声处理在活性污泥厌氧消化及脱水方面的应 用实例，并就声化学的发展方向进行了概括和预测。 1 3 4 3 超声在有机合成方面的应用 李德湛等研究了用超声促进对二溴苯的合成。实验结果表明：在没有超声 波作用的情况下，只有在较高温度及较长时间时，才可合成得到对二溴苯，且产 率较低。相反，采用超声波合成对二溴苯有较佳效果，不但反应时间短，温度低， 第一章文献综述 而且产率高。 m c n u l t y l 4 1 l 等报道，在传统的反应中，带有给电子基的芳香醛与硝基烷烃在 醋酸和醋酸铵体系中，于1 0 0 反应数小时收率也比较低( 例如2 ，3 一二甲氧基苯 甲醛与硝基甲烷反应仅得到3 5 的收率) ，并且因非结晶型树脂状物质的形成经 常导致母液污染。在同样体系中，利用超声波在2 2 下反应3 h ，产物的收率可达 8 9 9 9 ，污染问题也随之解决。在室温时，如果没有超声辐射，该反应根本 不能发生。实验结果表明：超声波对各种带有给电子基的芳香醛与硝基烷烃的 v e n a g e l 缩合都有促进作用。 p 一萘乙醚是一种人工合成的香料，广泛用于肥皂和化妆品，也是生产乙氧 基萘青霉素的原料。目前的合成方法有硫酸催化法、w i l l i 锄s o n 法和相转移催化 法。前两种方法是在强酸或强碱体系中进行，反应温度较高，产率较低( 5 0 6 0 ) ，限制了工业化应用。在相转移条件下，反应温度较低，反应产率( 8 4 ) 仍不很高。乔庆东【4 2 】等采用超声波作用下的相转移催化技术合成了d 一萘乙醚， 产率提高到9 4 2 ，纯度达9 9 8 ，催化剂用量减少l 2 ，反应时间缩短为5 h 。 1 3 4 4 超声在医学医药中的应用 超声医学技术是通过超声波与组织的物理( 力学) 特性发生作用而对组织成 像或进行手术治疗的技术。它是继x 射线技术后，在医学中发展最为迅速，应用 又十分广泛的，多学科渗透的生物医学工程分支。因为无损伤、无痛苦、可以反 复进行检查和治疗的优点使得其特别适合针对软组织操作。医学诊断上使用的能 级为l 1 0 m w c m 2 左右。超声波在临床中的应用主要在于诊断和治疗两个方面 【4 3 】 o 超声诊断以其安全、方便、价廉及对软组织分辨率高等优点，在现代医学诊 断中占有十分重要位置，特别是b 超图象诊断技术，在现代图象诊断技术中常常 被列为临床上的首选技术；超声诊断技术的另一个重要优点是，它可以利用的诊 断参量的多样性及其工程上实现的灵活性。现在超声诊断被广泛用于颅脑、心脏、 肝脏、胆囊和眼科疾病等方面1 2 4 l 。 超声治疗迄今已有5 0 多年的历史，已广泛用于各种疾病的治疗。超声在内科 疾病方面可用于治疗脑血管病、冠心病、高血压、椎一基底动脉缺血性眩晕；在 1 4 硕士学位论文 外科疾病方面可用于瘢痕、网球肘、输精管绝育术后并发症、大动脉类、外周神 经损伤；在妇科疾病方面可用于子宫内膜异位症、输卵管妊娠流产；在眼科疾病 可用于角膜血染症、外伤性眼肌麻痹。州。超声在牙科方面可用于沽齿、抛光、除 垢、打孔或加工根槽。另外体外超声波碎石技术用于治疗人体内的结石，它不