旋流氣浮工藝接觸區氣泡-顆粒碰撞理論研究

韓嚴和 ,陳家慶*,阮修莉 ,王春升,王建文,張 明

(1.北京石油化工學院環境工程系,北京 102617；2.中國環境科學研究院,北京 100012；3.中國海洋石油研究總院,北京 100027)

氣浮分離技術最初應用于選礦行業,是目前國內外不斷深入研究與推廣的一種高效、快速固-液和液-液分離技術.其基本原理是通過某種方式在水中產生微氣泡,使其與水中的疏水性物質(即接觸潤濕角θ＞90°的物質)黏附,形成整體比重小于水的浮體,從而使固體顆粒與氣泡的整體密度小于水而上浮,達到去除的目的[1].氣浮分離技術已經從最初的選礦行業拓展到了包括含油污水在內的各種工業污水和市政污水處理,其氣泡發生方式也從溶氣氣浮、散氣氣浮發展到電解氣浮、生化氣浮等[2].氣浮技術經過幾十年的發展出現了紊流氣浮和協同作用氣浮等新技術[3-9].紊流氣浮技術將分離區的表面負荷率從 2～3m3/(m2·h)提高到了 20～40m3/(m2·h),這就使得最初的大容積、低負荷氣浮分離池型逐漸向集成、緊湊型發展.協同作用氣浮主要是將其他技術與氣浮技術相結合形成的非常規氣浮技術[10-14],主要包括：離心氣浮和絮凝氣浮等.在含油污水處理方面,因基于離心力場的靜態水力旋流分離技術近 30年來得到了較為廣泛的應用,故利用離心力場來強化氣浮分離過程也得到廣泛關注[15-17].目前,氣浮技術研究主要通過各種技術方法來提高有效碰撞效率,從而達到處理設備緊湊型目的.

氣浮過程是一個涉及水動力學、熱動力學以及物理化學的復雜過程,迄今還不能對氣浮過程的動力學行為和氣浮分離效率進行準確預測.由于氣浮分離效率直接取決于氣泡與介質中待去除分散顆粒的碰撞效率,研究者先后提出了多種形式的碰撞效率模型,這些模型主要是在重力場下通過一定假設提出的,難于適合離心力場作用下的氣泡與顆粒/油滴的碰撞行為研究[18-20].同時,本課題組實驗研究發現隨著流體物理性質,旋流氣浮運行參數和旋流器的結構參數等不同,旋流氣浮的除油效率有明顯的差異.基于這兩方面,研究氣泡在離心場作用下的運移過程中與分散相顆粒/油滴的碰撞機理就成為必要.本論文在詳細分析各種碰撞機理的基礎上,分析計算了旋流氣浮接觸區的碰撞效率和主要作用機制.

1 各種碰撞機理分析

在旋流氣浮工藝接觸區,油滴之所以能被捕集到氣泡上,主要是靠截留碰撞、慣性碰撞、擴散碰撞、離心沉降碰撞等多種機理綜合作用的結果[21-23].

1.1 截留碰撞

截留碰撞理論認為,油滴有大小而無質量,隨著液體的流線而流動.在旋流氣浮接觸區,液體相對于氣泡向周邊輻射流動,液流繞氣泡流過.某一流線上的油滴中心正好使dp/2能接觸到氣泡,則該粒子被截留,如圖 1所示.則該流線以下,大小為dp的所有油滴均被截留.因此,該流線是氣泡能夠截流油滴的極限軌跡.設氣泡直徑為db=2a的球體,對于繞球體的勢流,用球坐標表示的流函數為：

因此速度分量為：

在球的表面

式中：r為球坐標的半徑,此處為油滴與氣泡間的距離;θ為球坐標的方位角 1,此處為油滴和氣泡間連線與液相主流線的夾角.

根據流線函數和一定假設,Weber-Paddock計算獲得的截留碰撞效率如式(4),其適合氣泡表面的雷諾數Reb＜200條件下的碰撞[23-24].因此,該碰撞效率可以用來計算低旋流氣浮一體化處理接觸區的截留碰撞效率(EI).

因此,截留碰撞與雷諾數、顆粒/油滴的直徑和氣泡直徑有關.截留碰撞效應隨著雷諾數和顆粒/油滴直徑的增大而增大,但隨著氣泡直徑的增大而減小.

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

1.2 慣性碰撞

截留碰撞效率模型是假設顆粒/油滴沒有質量,只有體積,而慣性碰撞正好相反.在慣性碰撞效應中,假設有質量為mp的顆粒/油滴粒子沿流線運動繞流時,由于慣性作用而偏離流線,與氣泡相碰撞而被捕集,如圖2中虛線所示.慣性碰撞效率的求解方法是建立顆粒/油滴粒子運動方程,由運動方程求極限軌跡,再求出偏軸距b,然后由b2/a2求得繞球體的慣性碰撞效率.由于軌跡方程很難求解,以及偏軸距b不易確定,故無法得到慣性碰撞效率的解析解.理論與實驗分析發現,慣性碰撞效應(EIN(r))可以用慣性參數St表示[25],即為：

圖2 慣性碰撞示意Fig.2 Schematic diagram of inertia collision

對于水流態處于過度區時,水介質對于氣泡的流速uwb為：

將式(6)和ρw-ρb≈ρw代入式(5)得：

因此,慣性碰撞與顆粒/油滴密度和直徑、雷諾數、氣泡直徑、水流速度、介質水的黏度和旋流器的半徑有關.其效率隨著顆粒/油滴密度和直徑、雷諾數和水流速度的增大而增大,但隨著介質水的黏度、氣泡直徑和旋流器半徑的增大而減小.

1.3 擴散碰撞

微細顆粒/油滴在液流中受到熱運動的液體分子撞擊后,并不跟隨流線,而是在液體中作布朗運動,由于布朗運動作用而偏離流線,與氣泡相碰撞而被捕集,如圖3中虛線所示.當這種不規則的熱運動,在緊靠氣泡附近時.微細顆粒/油滴可能與氣泡相碰撞而被捕集,稱為擴散效應.隨著顆粒/油滴直徑減小,流速減慢,溫度增加,顆粒/油滴的熱運動加速,從而與氣泡的碰撞概率也就增加,擴散效應增強.根據單個捕集體效率概念和EDZWALD建立的擴散效率模型[26-27],可得出旋流氣浮接觸區的擴散碰撞效率(ED)模型為：

將式(6)和ρw-ρb～ρw代入式(8)得：

因此,擴散碰撞隨著溫度和旋流器半徑的增大而增大,但隨著顆粒/油滴直徑、氣泡直徑、水流速度和雷諾數的增大而減小.

圖3 擴散碰撞示意Fig.3 Schematic diagram of diffusion collision

1.4 離心沉降

在離心力作用下,氣泡和顆粒/油滴由于密度差而以不同的速度向離心設備中心運動.沉降速度與粒子的密度、油滴直徑以及介質的密度和黏度有關,并隨離心力亦即離心加速度的增大而加快.由于離心力作用,顆粒/油滴偏離流線發生沉降作用,與氣泡相碰撞而被捕集,如圖4中虛線所示.在重力場下的氣浮中,重力沉降碰撞效率通過顆粒相對于介質的沉降速度與氣泡相對于介質的沉降速度的比值來表示[28].因此,對于旋流氣浮,離心沉降碰撞效率(EC)也可以采用顆粒/油滴相對于介質水的沉降速度與氣泡相對于介質的沉降速度的比值來進行計算,其計算式可表示為.

對于水流態處于過度區時,介質水相對于顆粒/油滴的運動速度為：

將式(6)和式(11)代入式(10)可得：

因此,離心沉降碰撞效率隨著介質與顆粒密度差、介質流過氣泡的雷諾數和顆粒/油滴直徑的增大而增大,但隨著介質密度、介質流過顆粒/油滴的雷諾數和氣泡直徑的增大而減小.

圖4 離心沉降碰撞示意Fig.4 Schematic diagram of sedimentation collision

2 總碰撞效率的計算分析

大部分研究者認為,總碰撞效率應該是各種碰撞效率的直接疊加,但這種簡單的疊加往往呈現較大的誤差,甚至出現總碰撞效率大于 1的情況[22-23].因此,本研究擬采用較為符合實際的串聯模型來處理總的碰撞效率.

為了確定旋流氣浮接觸碰撞區中的主要碰撞機理,利用計算軟件編程計算了不同油滴尺寸對應的各單獨碰撞效率數值(平均水溫 25℃,油滴密度 850kg/m3(以柴油計),氣泡直徑 100μm,旋流速度 10m/s,離心半徑為 0.1m)[29],其計算結果如圖5所示.計算結果表明,油滴大小和碰撞類型對總的碰撞效率有較大影響.當油滴很小時(1nm,此粒徑接近于部分物質分子尺寸),碰撞過程主要受擴散碰撞所控制,即溶解性油主要以擴散碰撞形式發生去除;當油滴大于 1nm 而小于10nm 時,碰撞過程受擴散碰撞和離心沉降效應所控制;當油滴大于10nm而小于1μm時,碰撞過程主要受離心沉降效應所控制;當油滴大于 1μm時,碰撞過程受截留效應、離心沉降效應和慣性效應聯合作用.與王靜超等[21-22]獲得的重力場下的碰撞效率相比可以看出：(1)離心力場下的擴散效應小于重力場下的情況;(2)離心力場下的截留效應與重力場下的基本相同;(3)離心力場下的慣性碰撞效應大于重力場下的情況;(4)離心沉降效應遠大于重力沉降效應.

圖5 各機理碰撞效率隨粒徑的變化關系Fig.5 Relationship between collision efficiency of all types of mechanism and oil-particle diameter

3 結論

3.1 基于低強度旋流氣浮的實際運行情況,首次將表征流態的雷諾數(Re)引入到各種碰撞效應中,推導建立了該工藝中的顆粒/油滴和氣泡的碰撞效率模型.從模型來看,氣泡與顆粒/油滴的碰撞是各個不同機理共同作用的結果.低強度旋流氣浮工藝中顆粒/油滴和氣泡的各種碰撞效應主要與雷諾數,顆粒/油滴和氣泡直徑有關,同時它還與介質的運動速度及顆粒/油滴密度有關.

3.2 從理論模型來看,當顆粒/油滴很小時(1nm),油滴和氣泡之間的碰撞主要受擴散碰撞所控制;當顆粒/油滴大于1nm而小于10nm時,油滴和氣泡之間的碰撞主要受擴散碰撞和離心沉降效應的共同作用所控制;當油滴大于 10nm 而小于1μm 時,油滴和氣泡之間的碰撞主要受離心沉降效應所控制;當油滴大于 1μm 時,油滴和氣泡之間的碰撞受截留效應、離心沉降效應和慣性效應聯合作用.實際過程中油滴的尺寸基本上都大于0.1μm,因此擴散碰撞作用可以忽略不計.

[1] Ralston J, Fornasiero D, Hays R. Theory of flotation of small and medium size particles [J]. Int. J. Miner. Process, 1999,56(1)：133-164.

[2] 王玉恒,王啟山,吳玉寶,等.絮凝方式對藻類絮體形態、強度及氣浮的影響 [J]. 中國環境科學, 2008,28(4)：355-359.

[3] Kiuru H J. Development of dissolved air flotation technology from the first generation t o the newest (third) one ( DAF in turbulent flow conditions) [J]. Water Sci. Technol.,2001,43(8)：1-7.

[4] Miller J D, Hupka J. Water de-oiling in an air-sparged hydrocyclone [J]. Filtr. Separat., 1983,20(4)：279-282.

[5] 王嘉麟,陳春茂,楊雙春,等.充氣水力旋流器凈化含油污水的實驗與應用研究 [J]. 現代化工, 2008,28(3)：62-66.

[6] Niewiadomski M, Nguyen Anh V, Hupka J, et al. Air bubble and oil droplet interactions in centrifugal fields during air-sparged hydrocyclone flotation [J]. Inter. J. Environ. Pollut., 2007,30(2)：313-331.

[7] 裴世瑜,汪華林,李小勇,等.含油污水氣浮旋流耦合分離方法的研究 [J]. 華東理工大學學報(自然科學版), 2005,31(3)：376-378.

[8] 王 洪,李海波.沉降/旋流分離/氣浮工藝預處理稠油廢水 [J].中國給水排水, 2010,26(6)：72-74.

[9] 王 波,陳家慶,梁存珍,等.含油廢水氣浮旋流組合處理技術淺析 [J]. 工業水處理, 2008,28(4)：87-92.

[10] 潘利祥,孫國剛.充氣水力旋流器用于油水分離的試驗研究 [J].化工機械, 2004,31(5)：259-263.

[11] 尚 超,陳家慶,王春升,等.離心氣浮技術及在含油污水處理中的應用 [J]. 環境工程. 2011,29(增刊)：32-40.

[12] Rubio J, Souza M L, Smith R W. Overview of flotation as a wastewater treatment technique [J]. Miner. Eng., 2002, 15(2)：139-155.

[13] 余仁煥,李新國.利用充氣旋流器凈化含油污水的研究 [J]. 礦冶, 1996,5(3)：94-99.

[14] Miroslav C, Wade M, Miller J D. The development and application of centrifugal flotation systems in wastewater treatment [J]. Int. J. Environ. Pollut., 2007,30(2)：296-312.

[15] 潘利祥,孫國剛.充氣水力旋流器用于油水分離的試驗研究 [J].化工機械, 2004,31(5)：259-263.

[16] 蔣明虎,王學佳,趙立新,等.氣攜式水力旋流器分離性能試驗[J]. 大慶石油學院學報, 2006,30(1)：53-56.

[17] 白志山,汪華林,裴世瑜,等.用于含油污水處理的氣浮旋流耦合技術研究 [J]. 環境污染治理技術與設備, 2006,7(8)：86-89.

[18] Liu S, Zhao X, Dong X, et al. Experimental research on treatment of produced water from a polymer-flooding process using a double-cone air-sparged hydrocyclone [J]. SPE Projects, Facilities and Construction, 2007,2(3)：1-5.

[19] Jiang M, Zhao L, Sun F, et al. Characteristic research of air injected hydrocyclonic separators [C]//2008 SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Denver： USA, 2008.

[20] James K E. Dissolved air flotation and me [J]. Water Res.,2010,44(7)：2077-2106.

[21] 王靜超,馬 軍,劉 芳.氣浮接觸區氣泡-顆粒碰撞效率影響因素分析 [J]. 工業水處理, 2008,28(9)：66-69.

[22] 王靜超,馬 軍.氣浮接觸區氣泡-顆粒碰撞效率模型研究 [J].哈爾濱工業大學學報, 2006,38(1)：31-34.

[23] Dai Z, Fornasiero D, Ralston J. Particle-bubble collision models-a review [J]. Adv. Colloid Interface Sci., 2000,85(2)：231-256.

[24] Weber M E, Paddock D. Interceptional and gravitational collision efficiencies for single collectors at intermediate Reynolds numbers [J]. J. Colloid Interface Sci., 1983,94(2)：328-335.

[25] Dai Z, Dukhin S, Fornasiero D, et al. The inertial hydrodynamic interaction of particles and rising bubbleswith mobile surface [J].J. Colloid Interface Sci., 1998,197(2)：275-292.

[26] Edzwald JK, Malley JP, Yu C. A conceptual model for dissolved air flotation in water treatment [J]. Water Supply, 1990,8：141-150.

[27] Edzwald JK. Principles and Applications of dissolved air flotation[J]. Water. Sci. and Technol., 1995,31(3-4)：1-23.

[28] Malley JP, Edzwald JK. Concepts for dissolved air flotation treatment of drinking water [J]. J. Water SRT-Aqua, 1991,40(1)：7-17.

[29] Roshni M., Richard A D. Gas attachment of oil droplets for gas flotation for oily wastewater cleanup [J]. Sep. Purif. Technol.,2003,33(3)：303-314.