韩严和 ,陈家庆*,阮修莉 ,王春升,王建文,张 明

(1.北京石油化工学院环境工程系,北京 102617；2.中国环境科学研究院,北京 100012；3.中国海洋石油研究总院,北京 100027)

气浮分离技术最初应用于选矿行业,是目前国内外不断深入研究与推广的一种高效、快速固-液和液-液分离技术.其基本原理是通过某种方式在水中产生微气泡,使其与水中的疏水性物质(即接触润湿角θ＞90°的物质)黏附,形成整体比重小于水的浮体,从而使固体颗粒与气泡的整体密度小于水而上浮,达到去除的目的[1].气浮分离技术已经从最初的选矿行业拓展到了包括含油污水在内的各种工业污水和市政污水处理,其气泡发生方式也从溶气气浮、散气气浮发展到电解气浮、生化气浮等[2].气浮技术经过几十年的发展出现了紊流气浮和协同作用气浮等新技术[3-9].紊流气浮技术将分离区的表面负荷率从 2～3m3/(m2·h)提高到了 20～40m3/(m2·h),这就使得最初的大容积、低负荷气浮分离池型逐渐向集成、紧凑型发展.协同作用气浮主要是将其他技术与气浮技术相结合形成的非常规气浮技术[10-14],主要包括：离心气浮和絮凝气浮等.在含油污水处理方面,因基于离心力场的静态水力旋流分离技术近 30年来得到了较为广泛的应用,故利用离心力场来强化气浮分离过程也得到广泛关注[15-17].目前,气浮技术研究主要通过各种技术方法来提高有效碰撞效率,从而达到处理设备紧凑型目的.

气浮过程是一个涉及水动力学、热动力学以及物理化学的复杂过程,迄今还不能对气浮过程的动力学行为和气浮分离效率进行准确预测.由于气浮分离效率直接取决于气泡与介质中待去除分散颗粒的碰撞效率,研究者先后提出了多种形式的碰撞效率模型,这些模型主要是在重力场下通过一定假设提出的,难于适合离心力场作用下的气泡与颗粒/油滴的碰撞行为研究[18-20].同时,本课题组实验研究发现随着流体物理性质,旋流气浮运行参数和旋流器的结构参数等不同,旋流气浮的除油效率有明显的差异.基于这两方面,研究气泡在离心场作用下的运移过程中与分散相颗粒/油滴的碰撞机理就成为必要.本论文在详细分析各种碰撞机理的基础上,分析计算了旋流气浮接触区的碰撞效率和主要作用机制.

1 各种碰撞机理分析

在旋流气浮工艺接触区,油滴之所以能被捕集到气泡上,主要是靠截留碰撞、惯性碰撞、扩散碰撞、离心沉降碰撞等多种机理综合作用的结果[21-23].

1.1 截留碰撞

截留碰撞理论认为,油滴有大小而无质量,随着液体的流线而流动.在旋流气浮接触区,液体相对于气泡向周边辐射流动,液流绕气泡流过.某一流线上的油滴中心正好使dp/2能接触到气泡,则该粒子被截留,如图 1所示.则该流线以下,大小为dp的所有油滴均被截留.因此,该流线是气泡能够截流油滴的极限轨迹.设气泡直径为db=2a的球体,对于绕球体的势流,用球坐标表示的流函数为：

因此速度分量为：

在球的表面

式中：r为球坐标的半径,此处为油滴与气泡间的距离;θ为球坐标的方位角 1,此处为油滴和气泡间连线与液相主流线的夹角.

根据流线函数和一定假设,Weber-Paddock计算获得的截留碰撞效率如式(4),其适合气泡表面的雷诺数Reb＜200条件下的碰撞[23-24].因此,该碰撞效率可以用来计算低旋流气浮一体化处理接触区的截留碰撞效率(EI).

因此,截留碰撞与雷诺数、颗粒/油滴的直径和气泡直径有关.截留碰撞效应随着雷诺数和颗粒/油滴直径的增大而增大,但随着气泡直径的增大而减小.

图1 截留碰撞示意Fig.1 Schematic diagram of interception collision

1.2 惯性碰撞

截留碰撞效率模型是假设颗粒/油滴没有质量,只有体积,而惯性碰撞正好相反.在惯性碰撞效应中,假设有质量为mp的颗粒/油滴粒子沿流线运动绕流时,由于惯性作用而偏离流线,与气泡相碰撞而被捕集,如图2中虚线所示.惯性碰撞效率的求解方法是建立颗粒/油滴粒子运动方程,由运动方程求极限轨迹,再求出偏轴距b,然后由b2/a2求得绕球体的惯性碰撞效率.由于轨迹方程很难求解,以及偏轴距b不易确定,故无法得到惯性碰撞效率的解析解.理论与实验分析发现,惯性碰撞效应(EIN(r))可以用惯性参数St表示[25],即为：

图2 惯性碰撞示意Fig.2 Schematic diagram of inertia collision

对于水流态处于过度区时,水介质对于气泡的流速uwb为：

将式(6)和ρw-ρb≈ρw代入式(5)得：

因此,惯性碰撞与颗粒/油滴密度和直径、雷诺数、气泡直径、水流速度、介质水的黏度和旋流器的半径有关.其效率随着颗粒/油滴密度和直径、雷诺数和水流速度的增大而增大,但随着介质水的黏度、气泡直径和旋流器半径的增大而减小.

1.3 扩散碰撞

微细颗粒/油滴在液流中受到热运动的液体分子撞击后,并不跟随流线,而是在液体中作布朗运动,由于布朗运动作用而偏离流线,与气泡相碰撞而被捕集,如图3中虚线所示.当这种不规则的热运动,在紧靠气泡附近时.微细颗粒/油滴可能与气泡相碰撞而被捕集,称为扩散效应.随着颗粒/油滴直径减小,流速减慢,温度增加,颗粒/油滴的热运动加速,从而与气泡的碰撞概率也就增加,扩散效应增强.根据单个捕集体效率概念和EDZWALD建立的扩散效率模型[26-27],可得出旋流气浮接触区的扩散碰撞效率(ED)模型为：

将式(6)和ρw-ρb～ρw代入式(8)得：

因此,扩散碰撞随着温度和旋流器半径的增大而增大,但随着颗粒/油滴直径、气泡直径、水流速度和雷诺数的增大而减小.

图3 扩散碰撞示意Fig.3 Schematic diagram of diffusion collision

1.4 离心沉降

在离心力作用下,气泡和颗粒/油滴由于密度差而以不同的速度向离心设备中心运动.沉降速度与粒子的密度、油滴直径以及介质的密度和黏度有关,并随离心力亦即离心加速度的增大而加快.由于离心力作用,颗粒/油滴偏离流线发生沉降作用,与气泡相碰撞而被捕集,如图4中虚线所示.在重力场下的气浮中,重力沉降碰撞效率通过颗粒相对于介质的沉降速度与气泡相对于介质的沉降速度的比值来表示[28].因此,对于旋流气浮,离心沉降碰撞效率(EC)也可以采用颗粒/油滴相对于介质水的沉降速度与气泡相对于介质的沉降速度的比值来进行计算,其计算式可表示为.

对于水流态处于过度区时,介质水相对于颗粒/油滴的运动速度为：

将式(6)和式(11)代入式(10)可得：

因此,离心沉降碰撞效率随着介质与颗粒密度差、介质流过气泡的雷诺数和颗粒/油滴直径的增大而增大,但随着介质密度、介质流过颗粒/油滴的雷诺数和气泡直径的增大而减小.

图4 离心沉降碰撞示意Fig.4 Schematic diagram of sedimentation collision

2 总碰撞效率的计算分析

大部分研究者认为,总碰撞效率应该是各种碰撞效率的直接叠加,但这种简单的叠加往往呈现较大的误差,甚至出现总碰撞效率大于 1的情况[22-23].因此,本研究拟采用较为符合实际的串联模型来处理总的碰撞效率.

为了确定旋流气浮接触碰撞区中的主要碰撞机理,利用计算软件编程计算了不同油滴尺寸对应的各单独碰撞效率数值(平均水温 25℃,油滴密度 850kg/m3(以柴油计),气泡直径 100μm,旋流速度 10m/s,离心半径为 0.1m)[29],其计算结果如图5所示.计算结果表明,油滴大小和碰撞类型对总的碰撞效率有较大影响.当油滴很小时(1nm,此粒径接近于部分物质分子尺寸),碰撞过程主要受扩散碰撞所控制,即溶解性油主要以扩散碰撞形式发生去除;当油滴大于 1nm 而小于10nm 时,碰撞过程受扩散碰撞和离心沉降效应所控制;当油滴大于10nm而小于1μm时,碰撞过程主要受离心沉降效应所控制;当油滴大于 1μm时,碰撞过程受截留效应、离心沉降效应和惯性效应联合作用.与王静超等[21-22]获得的重力场下的碰撞效率相比可以看出：(1)离心力场下的扩散效应小于重力场下的情况;(2)离心力场下的截留效应与重力场下的基本相同;(3)离心力场下的惯性碰撞效应大于重力场下的情况;(4)离心沉降效应远大于重力沉降效应.

图5 各机理碰撞效率随粒径的变化关系Fig.5 Relationship between collision efficiency of all types of mechanism and oil-particle diameter

3 结论

3.1 基于低强度旋流气浮的实际运行情况,首次将表征流态的雷诺数(Re)引入到各种碰撞效应中,推导建立了该工艺中的颗粒/油滴和气泡的碰撞效率模型.从模型来看,气泡与颗粒/油滴的碰撞是各个不同机理共同作用的结果.低强度旋流气浮工艺中颗粒/油滴和气泡的各种碰撞效应主要与雷诺数,颗粒/油滴和气泡直径有关,同时它还与介质的运动速度及颗粒/油滴密度有关.

3.2 从理论模型来看,当颗粒/油滴很小时(1nm),油滴和气泡之间的碰撞主要受扩散碰撞所控制;当颗粒/油滴大于1nm而小于10nm时,油滴和气泡之间的碰撞主要受扩散碰撞和离心沉降效应的共同作用所控制;当油滴大于 10nm 而小于1μm 时,油滴和气泡之间的碰撞主要受离心沉降效应所控制;当油滴大于 1μm 时,油滴和气泡之间的碰撞受截留效应、离心沉降效应和惯性效应联合作用.实际过程中油滴的尺寸基本上都大于0.1μm,因此扩散碰撞作用可以忽略不计.

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