旋流氣浮工藝接觸區(qū)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(huán)境工程系,北京 102617；2.中國環(huán)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(shù)最初應(yīng)用于選礦行業(yè),是目前國內(nèi)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(shù).其基本原理是通過某種方式在水中產(chǎn)生微氣泡,使其與水中的疏水性物質(zhì)(即接觸潤濕角θ＞90°的物質(zhì))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(shù)已經(jīng)從最初的選礦行業(yè)拓展到了包括含油污水在內(nèi)的各種工業(yè)污水和市政污水處理,其氣泡發(fā)生方式也從溶氣氣浮、散氣氣浮發(fā)展到電解氣浮、生化氣浮等[2].氣浮技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展出現(xiàn)了紊流氣浮和協(xié)同作用氣浮等新技術(shù)[3-9].紊流氣浮技術(shù)將分離區(qū)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(fā)展.協(xié)同作用氣浮主要是將其他技術(shù)與氣浮技術(shù)相結(jié)合形成的非常規(guī)氣浮技術(shù)[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(tài)水力旋流分離技術(shù)近 30年來得到了較為廣泛的應(yīng)用,故利用離心力場來強化氣浮分離過程也得到廣泛關(guān)注[15-17].目前,氣浮技術(shù)研究主要通過各種技術(shù)方法來提高有效碰撞效率,從而達到處理設(shè)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(fù)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(yù)測.由于氣浮分離效率直接取決于氣泡與介質(zhì)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(shè)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(fā)現(xiàn)隨著流體物理性質(zhì),旋流氣浮運行參數(shù)和旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(chǔ)上,分析計算了旋流氣浮接觸區(qū)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(qū),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(jié)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(zhì)量,隨著液體的流線而流動.在旋流氣浮接觸區(qū),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(shè)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(shù)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(jù)流線函數(shù)和一定假設(shè),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(shù)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(qū)的截留碰撞效率(EI).

因此,截留碰撞與雷諾數(shù)、顆粒/油滴的直徑和氣泡直徑有關(guān).截留碰撞效應(yīng)隨著雷諾數(shù)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(shè)顆粒/油滴沒有質(zhì)量,只有體積,而慣性碰撞正好相反.在慣性碰撞效應(yīng)中,假設(shè)有質(zhì)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(fā)現(xiàn),慣性碰撞效應(yīng)(EIN(r))可以用慣性參數(shù)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(tài)處于過度區(qū)時,水介質(zhì)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(shù)、氣泡直徑、水流速度、介質(zhì)水的黏度和旋流器的半徑有關(guān).其效率隨著顆粒/油滴密度和直徑、雷諾數(shù)和水流速度的增大而增大,但隨著介質(zhì)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(guī)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(yīng).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(yīng)增強.根據(jù)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(qū)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(shù)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(shè)備中心運動.沉降速度與粒子的密度、油滴直徑以及介質(zhì)的密度和黏度有關(guān),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(fā)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(zhì)的沉降速度與氣泡相對于介質(zhì)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(zhì)水的沉降速度與氣泡相對于介質(zhì)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(tài)處于過度區(qū)時,介質(zhì)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(zhì)與顆粒密度差、介質(zhì)流過氣泡的雷諾數(shù)和顆粒/油滴直徑的增大而增大,但隨著介質(zhì)密度、介質(zhì)流過顆粒/油滴的雷諾數(shù)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(yīng)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(xiàn)較大的誤差,甚至出現(xiàn)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(lián)模型來處理總的碰撞效率.

為了確定旋流氣浮接觸碰撞區(qū)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(yīng)的各單獨碰撞效率數(shù)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(jié)果如圖5所示.計算結(jié)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(zhì)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(fā)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(yīng)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(yīng)所控制;當油滴大于 1μm時,碰撞過程受截留效應(yīng)、離心沉降效應(yīng)和慣性效應(yīng)聯(lián)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(yīng)小于重力場下的情況;(2)離心力場下的截留效應(yīng)與重力場下的基本相同;(3)離心力場下的慣性碰撞效應(yīng)大于重力場下的情況;(4)離心沉降效應(yīng)遠大于重力沉降效應(yīng).

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

3 結(jié)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(tài)的雷諾數(shù)(Re)引入到各種碰撞效應(yīng)中,推導(dǎo)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(jié)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(yīng)主要與雷諾數(shù),顆粒/油滴和氣泡直徑有關(guān),同時它還與介質(zhì)的運動速度及顆粒/油滴密度有關(guān).

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(yīng)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(yīng)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(yīng)、離心沉降效應(yīng)和慣性效應(yīng)聯(lián)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.

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