CN110747005A - 一种利用微孔膜进行燃油脱水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种利用微孔膜脱除燃油中水分的方法,使用材质为PP、PE、PVDF、PTFE等低表面能的管式或平板膜脱除燃油中的水分。粒径大于膜孔径的水粒子能否进入膜孔取决于临界压力,当操作压力P小于临界压力时,粒径大于膜孔径的水粒子不会进入膜孔,采取错流操作方式这些水粒子能够被流体冲离膜表面,提高脱水效率以及元件使用寿命;操作压力P大于等于临界压力时,粒径大于膜孔径的水粒子开始进入膜孔,停留在膜孔处堵塞膜孔,或穿透膜孔使脱水效率下降;另一方面,粒径小于膜孔径的水粒子则在任何压力下都能通过膜孔。因此,本发明采用热致相分离TIPS法在低温淬冷条件下制备膜,其具有致密的皮层结构,并且在小于临界压力的条件下进行错流过滤,可以极大提高燃油的脱水效率。
Description
技术领域
本发明属于油水分离领域,具体涉及一种利用微孔膜进行燃油脱水的方法。
背景技术
汽油、煤油、柴油等燃油在开采、加工、生产、运输环节中带入的水分会对管路、设备造成损害甚至发生事故。水分在燃油中的形态可分为分子级(水粒子半径小于10-9m)、胶体级(水粒子半径10-9-10-7m)、乳状水(水珠半径10-7-10-3m)、沉降水(水珠半径大于10-3m)等形式。目前,燃油脱水主要是针对乳状水、沉降水的脱除,精度较低。
近些年来,膜分离技术在油水分离领域得到长足发展,膜法脱水具有能耗低、精度高的优点。然而滤膜易被堵塞,膜自身强度小,连续操作稳定性差,破乳效率低,膜元件需要经常更换与清洗。因此,需要开发一种高效耐用的膜分离方法。
发明内容
本发明提供了一种利用微孔膜脱除燃油中水分的方法,包括:
所述微孔膜的材质为高分子聚合物。
所述膜的表面需具有致密的皮层结构;所述的皮层结构由热致相分离(TIPS)方式形成,在所述的TIPS过程中,所述膜的皮层结构在淬冷剂中形成,所述淬冷液包括水,导热油,冷气等。
所述的膜为中空管式膜或平板膜形式。
粒径大于膜孔径的水粒子可在临界压力下开始进入膜孔;所述的临界压力由膜面积,膜孔隙率,燃油粘度,膜(壁)厚度λ,燃油/水的界面张力,膜元件特性参数k确定;所述的膜元件特性参数k由膜元件过滤燃油的流量Q、压力P根据关系式拟合得到。
采用上述方法,有利于提高燃油脱水效率。
附图说明
图1为膜法燃油脱水过程示意图。
图2为膜法油水分离流程示意图。
具体实施方式
利用膜法进行燃油脱水,需采用亲油疏水的低表面能材料作为膜材料,如聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚偏氟乙烯PVDF、聚四氟乙烯PTFE等高分子聚合物。当含水燃油与膜接触后,燃油迅速在膜材料表面铺展、润湿、渗透通过膜孔,而水分对这些聚合物不润湿,此时的膜孔具有“燃油特性”。
将具有“燃油特性”的膜孔假定为大小相等、均匀分布且垂直于膜面的半径为r[m]的毛细管,半径大于r的水粒子受到临界压力Pc [Pa]的作用后即将进入膜孔,如图1所示,根据毛细管原理,临界压力Pc与r有如下关系
θ为水分与“燃油特性”膜孔壁的接触角,[N/m]为燃油/水的界面张力。通过实验发现,柴油、煤油环境下,水滴在PP、PE、PVDF、PTFE等聚合物表面能够长时间保持球状且油/水界面清晰,利用孔径为0.2、0.4微米的上述材质的膜,可以有效去除柴油、煤油中的水分;然而对于汽油,水滴不能长时间保持球形且油/水界面不清晰,使用同样的微孔膜对汽油中的水分脱除效率极低。因此规定膜法燃油脱的前提条件:燃油环境下水分与聚合物材料是不润湿的,接触角近似为180°,即cosθ≈1。然而毛细管半径r不易确定,因此根据Poiseuille定律,将一定压力[Pa]下,透过膜的燃油通量Q[m3/s],膜孔半径r之间的关系表达为
k值由不同压力下燃油透过特定膜元件的流量数据拟合得到。结合式(3)、(4)可得到使用特定膜元件时,半径大于r的水粒子即将进入膜孔时的临界压力表达式:
对于孔径为r的膜元件,当操作压力 P小于临界压力时,即,半径大于r的水滴不会进入膜孔,采用错流过滤方式,这些停留在膜表面的水粒子会被带离膜表面,发生碰撞、聚结,形成较大的水滴,通过简单聚结沉降可以去除,提高操作稳定性,延长膜元件的使用寿命;当时,半径大于r的水粒子开始进入膜孔,停留在膜孔处堵塞膜孔,或穿透膜孔使脱水效率下降;而半径小于r的水滴,在任何压力下都不能被截留,这些水粒子可通过布朗运动、扩散或压力驱动进入、穿过膜孔。因此,减小膜孔径有利于提高截留水粒子的精度。
PP、PE、PVDF这些材料的成孔方法宜采用热致相分离(TIPS)法,TIPS法制备的膜孔径均匀,膜强度大。这是一种通过冷却聚合物溶液引发相分离的成孔方法,冷却速率对膜的表面结构影响很大,当铸膜液被冰水混合物或更低温的冷却剂冷却时,表面会形成致密的皮层结构,这种紧密的小孔结构对提高燃油脱水精度十分有利,从而获得了小孔径膜,然后利用这种微孔膜进行高效的燃油脱水。
实施例一
使用内径为3.5mm的热致相PP管式膜,该膜通过TIPS法在冰水混合物中成孔,孔隙率为65%,壁厚λ为1mm,将这种管式膜制成有效面积为0.15㎡膜元件,在20℃条件下使用该膜元件对柴油进行压力流量测试,拟合得到膜元件参数k为4.14×10-10[m3 / (Pa·S)]。
将0#柴油混入水分至含水量2000ppm,在20℃条件下的使用上述膜元件进行脱水,实验流程如图2所示,操作压力范围:0.65-1.45×105Pa。
表1 2000ppm含水柴油实验数据
操作压力P[Pa] | 通量Q[L/h] | 维持时间[h] | 滤液含水量[ppm] |
0.65×10<sup>5</sup> | 15.6 | >72 | 88 |
0.85×10<sup>5</sup> | 15.4 | >72 | 89 |
1.05×10<sup>5</sup> | 15.5 | >64 | 89 |
1.25×10<sup>5</sup> | 14.1 | 10 | 93 |
1.45×10<sup>5</sup> | 13.5 | 8.5 | 97 |
由表1可以看出,膜分离法可以将2000ppm的含水柴油脱至含水量100pm以下。在操作压力1.25×105Pa以下,膜元件可以长时间维持稳定的通量以及脱水效率;当操作压力升高至1.25×105Pa时,膜元件的通量下降,并且维持这一通量的时间仅为10h,同时滤液含水量也有所上升,说明膜元件发生了污堵;进一步增大操作压力至1.45×105Pa,膜元件通量进一步下降,维持时间也缩短至8.5小时,滤液内含水量进一步上升,但并未达到大量水粒子透过的程度。
实施例二
使用内径为3.5mm的热致相PP管式膜,该膜通过TIPS法在冰水混合物中成孔,孔隙率为65%,壁厚λ为1mm,将这种管式膜制成有效面积为0.15㎡膜元件,在20℃条件下使用该膜元件对柴油进行压力流量测试,拟合得到膜元件参数k为4.14×10-10[m3 / (Pa· S)]。
将0#柴油混入水分至含水量6500ppm,在20℃条件下的使用上述膜元件进行脱水,实验流程如图2所示,操作压力范围:0.65-1.45×105Pa。
表2 6500ppm含水柴油实验数据
操作压力P[Pa] | 通量Q[L/h] | 维持时间[h] | 滤液含水量[ppm] |
0.65×10<sup>5</sup> | 14.4 | >64 | 98 |
0.85×10<sup>5</sup> | 13.5 | >64 | 101 |
1.05×10<sup>5</sup> | 12.7 | >48 | 104 |
1.25×10<sup>5</sup> | 11.2 | 8.2 | 110 |
1.45×10<sup>5</sup> | 10.5 | 7.1 | 116 |
由表2可以看出,膜分离法可以将6500ppm的含水柴油脱至含水量120ppm以下。
在操作压力1.25×105Pa以下,膜元件可以长时间维持稳定的通量以及脱水效率;当操作压力升高至1.25×105Pa时,膜元件的通量下降,并且维持这一通量的时间仅为8.2h,同时滤液含水量也有所上升,说明膜元件发生了污堵;进一步增大操作压力至1.45×105Pa,膜元件通量进一步下降,维持时间也缩短至7.1小时,滤液内含水量进一步上升,但并未达到大量水粒子透过的程度。
Claims (4)
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述微孔膜的材质为聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚偏氟乙烯PVDF、聚四氟乙烯PTFE。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述膜的皮层结构在-10℃—10℃的淬冷剂中形成。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述管式膜的内径大于2mm,膜厚为0.5-5mm,或者,所述平板膜厚度为0.5-5mm。
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