加壓溶氣氣浮氣含率分布與氣泡聚并規(guī)律研究

王其玉，雷毛，肖小龍，姚明修，高佳璇，李強(qiáng)*

(1.中石化新疆新春石油開發(fā)有限責(zé)任公司，東營(yíng) 257026；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院，青島 266580；3.山東省油田采出水處理及環(huán)境污染治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東營(yíng) 257026；4.中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，東營(yíng) 257026)

隨著工業(yè)的發(fā)展，油品的消耗日益增長(zhǎng)，而在石油開采、煉制及化工生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的含油污水，若不能有效對(duì)其處理將會(huì)對(duì)水體和環(huán)境造成污染[1]。傳統(tǒng)的污水處理方法一般采用重力沉降法[2]，隨著工業(yè)污水處理技術(shù)的發(fā)展，高級(jí)氧化技術(shù)[3]、三維生物膜電極技術(shù)[4]等高效水處理技術(shù)更受青睞，而氣浮法常用于高效處理含溶解性油類或乳化油污水。

氣浮法是通過(guò)在水中產(chǎn)生微氣泡，使油滴粘附在氣泡上聚合絮凝并上浮至水面，達(dá)到油水分離的目的。氣浮法最早用于礦物的浮選，近些年來(lái)由于其具有除油率高、處理量大、停留時(shí)間短等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于污水除油等領(lǐng)域[5]。加壓溶氣法處理污水更節(jié)能效果，處理效率可以超過(guò)90%，加壓過(guò)程中，空氣溶解量會(huì)持續(xù)上升，氣浮中的氣泡量比較多，達(dá)到凈水的效果[6]。氣浮過(guò)程中微氣泡是影響氣浮凈化效率的關(guān)鍵，而微氣泡與液滴的黏附主要發(fā)生在氣浮器的接觸區(qū)，因此接觸區(qū)的氣泡分布和氣含率大小對(duì)氣浮的效果有著重要的影響。

中外學(xué)者對(duì)溶氣氣浮的氣泡產(chǎn)生分布情況開展了大量研究。郝夢(mèng)雨等[7]對(duì)平流式氣浮器進(jìn)行二維簡(jiǎn)化，研究了不同進(jìn)水位置下氣相分布，但二維流動(dòng)與實(shí)際差別較大，未分析釋放頭氣液比對(duì)氣泡的影響。白世興[8]通過(guò)正交試驗(yàn)法優(yōu)化溶氣氣浮回流比、溶氣量和絮凝劑濃度參數(shù)，有效提高溶氣氣浮的處理效果。時(shí)玉龍等[9]研究了微氣泡產(chǎn)生過(guò)程的機(jī)理，在理論上分析了微氣泡產(chǎn)生的過(guò)程。張義科等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析各因素對(duì)接觸區(qū)微氣泡粒徑及氣含率分布的影響，研究提高溶氣氣浮分離效率的最優(yōu)條件。陳阿強(qiáng)[11]基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)做對(duì)比，證明所采用的氣泡/油滴黏附動(dòng)力學(xué)模型的合理性，可用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氣浮除油效率及出口含油濃度。Edzwal[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，提出在氣浮過(guò)程中氣泡的聚并會(huì)引起氣泡尺寸的變化；Lakghomi等[13]研究了平流式氣浮器內(nèi)氣泡聚集，并采用PBM 模型模擬了氣浮池中氣泡/水兩相流動(dòng)，但并未對(duì)氣泡聚并情況進(jìn)行研究分析；Reali等[14]采用microADV技術(shù)測(cè)量了接觸區(qū)流動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)與分離效率數(shù)據(jù)對(duì)比，分析了水力負(fù)荷、水力停留時(shí)間等參數(shù)對(duì)分離效率的影響。

目前研究主要關(guān)注氣浮池結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)及油水種類等因素對(duì)浮選除油效果的影響，但對(duì)釋放頭氣液比、接觸區(qū)氣泡聚并和氣含率分布缺少系統(tǒng)的研究。為此，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，分析溶氣氣浮氣泡產(chǎn)生機(jī)理、氣液比對(duì)氣含率分布及氣泡聚并規(guī)律的影響，并從微觀角度分析氣泡之間的聚并行為規(guī)律與宏觀氣液兩相流場(chǎng)之間的關(guān)系，以期得到氣浮池接觸區(qū)氣含率的分布情況與微氣泡聚并之間的內(nèi)在聯(lián)系，為設(shè)計(jì)溶氣氣浮裝置提供參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，氣體通過(guò)空壓機(jī)4進(jìn)入溶氣罐3，與通過(guò)進(jìn)水泵6提升至溶氣罐的回流水混合形成溶氣水，溶氣水通過(guò)釋放頭降壓釋放產(chǎn)生大量微氣泡，在氣浮池內(nèi)進(jìn)行接觸分離，凈水回流構(gòu)成循環(huán)。

1為氣浮池；1-c為接觸區(qū)；1-s為分離區(qū)；2為回流水泵；3為溶氣罐；4為空壓機(jī)；5為水槽；6為進(jìn)水泵

1.2 氣含率測(cè)量

如圖2所示，采用實(shí)驗(yàn)室自制的氣含率測(cè)量裝置，使用前將帶刻度的玻璃管C內(nèi)充滿水，將軟管A伸入待測(cè)區(qū)域，管B放入量筒D，在水的重力及虹吸作用下，待測(cè)區(qū)域含有微氣泡的水將通過(guò)軟管A進(jìn)入玻璃管C，氣體收集在C中，水收集在量筒中，讀取玻璃管的前后液位V1、V2及量筒的讀數(shù)Vw，即可求得氣含率為

圖2 氣含率測(cè)量裝置

(1)

在溶氣壓力為0.35 MPa下，多此測(cè)量釋放頭出口氣含率，進(jìn)行重復(fù)性驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果如表1所示。最大相對(duì)偏差小于5%，測(cè)試誤差滿足實(shí)驗(yàn)要求。

表1 氣含率和相對(duì)偏差

2 數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模擬方法

2.1 控制方程

考慮到加壓溶氣后裝置中的氣含率較高，采用了雙歐拉模型對(duì)接觸區(qū)內(nèi)的兩相流動(dòng)進(jìn)行模擬，并通過(guò)相群平衡模型研究氣泡的聚并和破碎。

2.1.1 連續(xù)性方程和動(dòng)量方程

相流流動(dòng)假設(shè)在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)各相所占比例之和為1，對(duì)于第q項(xiàng)，相輸運(yùn)方程為

(2)

式(2)中：t為時(shí)間，s；q為qth相在計(jì)算單元內(nèi)所占體積分?jǐn)?shù)，其中qth表示第q相；αq為qth的相分?jǐn)?shù)；?為哈密頓算符；ρq為qth相的密度，kg/m3；vq為qth相的速度，m/s。

動(dòng)量方程為

(3)

2.1.2 相群平衡模型

由于氣浮器接觸區(qū)氣泡粒徑大小不一，并且會(huì)隨著氣泡聚并產(chǎn)生變化，因此加入離散化的相群平衡模型使模擬更加接近實(shí)際，該模型的統(tǒng)計(jì)方法為

(4)

式(4)中：v為氣泡體積，m3；u為速度矢量；n′為數(shù)量密度函數(shù)；S(v,t)為氣泡聚并和破碎得源項(xiàng)。

S(v,t)=Bc(v,t)-Dc(v,t)+Bb(v,t)-Db(v,t)

(5)

v′,t)dv′

(6)

(7)

(8)

Db(v,t)=g(v)n′(v,t)

(9)

式中：Bc與Dc分別為因聚并氣泡數(shù)目的增長(zhǎng)率與消亡率；Bb、Db分別為因破碎氣泡數(shù)目的增長(zhǎng)率與消亡率；v′為不同時(shí)刻氣泡的體積；a為氣泡聚并速度函數(shù)；β為氣泡體積位于v～v′破碎的概率密度函數(shù)；g為氣泡破碎速率函數(shù)。

2.2 幾何模型

數(shù)值計(jì)算幾何模型對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)流程圖1中的平流式氣浮池結(jié)構(gòu)中的接觸區(qū)，該模型長(zhǎng)為400 mm，寬290 mm，高490 mm，其中接觸區(qū)底部寬為260 mm，具體模型如圖3所示。

圖3 氣浮池接觸區(qū)模型

2.3 氣泡生成及上浮模型

2.3.1 氣泡生成模型

在飽和溶氣水中，存在著析出的溶解態(tài)氣體分子聚集形成的氣核，壓力降低時(shí)，溶氣水勢(shì)能降低，氣體分子從水分子空隙中逃逸出來(lái)形成更多的氣核，游離態(tài)的氣核膨脹形成微氣泡[15]。在整個(gè)氣泡形成過(guò)程中，自由能的變化可表示為

(10)

式(10)中：ΔG為氣泡自由能；pc為飽和壓力，MPa；po為釋放處壓力，MPa；ngas為形成氣核的氣體分子個(gè)數(shù)；ro為初始?xì)馀莅霃剑琺；σ為液體的表面張力，N/m；r為生成微氣泡的半徑，m。

2.3.2 氣泡上浮模型

氣泡在上浮過(guò)程中所受壓強(qiáng)的計(jì)算公式為

(11)

式(11)中：σwater為液相表面張力，N/m。

由PV=nRT(其中，P為氣泡上浮過(guò)程中所受壓強(qiáng)，Pa；V為氣泡體積，L；n為物質(zhì)的量，mol；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度，K)得

(12)

式中：ρL為水的密度，kg/m3；H為水面高度，m；Z為氣泡在靜水中所處的位置高度，m。

2.4 求解方法及邊界條件

x=190 mm截面處接觸區(qū)幾何模型如圖4所示，即釋放頭中心所在截面，入口釋放頭直徑為20 mm，上表面為水面，底面為z=0截面。在z方向上確定4個(gè)接觸區(qū)不同高度的平面作為實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬過(guò)程中取樣測(cè)量的觀測(cè)平面，每個(gè)平面之間間隔為50 mm，測(cè)量結(jié)果用于分析接觸區(qū)高度對(duì)氣浮池內(nèi)氣含率分布的影響。

圖4 x=190 mm截面處接觸區(qū)幾何模型

邊界條件設(shè)置：數(shù)值模擬過(guò)程中分別設(shè)置不同入口氣液比的溶氣水在一定流速下由釋放頭流入氣浮池，釋放頭采用速度入口，出口為壓力出口，壁面采用無(wú)滑移壁面條件，氣浮池上表面設(shè)置為degassing邊界條件，水和氣泡分別設(shè)置為連續(xù)相和分散相，使用瞬態(tài)求解器進(jìn)行求解，收斂的標(biāo)準(zhǔn)是各項(xiàng)參數(shù)殘差達(dá)到10-5，具體設(shè)置如表2所示。

表2 具體參數(shù)設(shè)置

2.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置建立模型導(dǎo)入Workbench，以x=190 mm截面為對(duì)稱面將模型進(jìn)行切分，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，流體區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。為了在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下選取盡量少的網(wǎng)格數(shù)以減少計(jì)算量，需進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。圖5為不同網(wǎng)格數(shù)量下接觸區(qū)高度液相速度，可以看出，120 000網(wǎng)格數(shù)下液相速度和200 000網(wǎng)格數(shù)的相差很小，為了保證網(wǎng)格的質(zhì)量，同時(shí)減少計(jì)算資源的浪費(fèi)，最終選擇網(wǎng)格總數(shù)為120 648個(gè)。網(wǎng)格劃分情況如圖6所示。

圖5 不同網(wǎng)格數(shù)量下接觸區(qū)高度液相速度

圖6 網(wǎng)格劃分截面圖

3 結(jié)果及分析

3.1 氣液比對(duì)不同高度氣含率分布的影響

分別在釋放頭氣液比為2%、3%、4%和5%的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，得到氣液比對(duì)氣含率影響的關(guān)系，比較分析數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證。選取x=190 mm接觸區(qū)截面進(jìn)行數(shù)值模擬分析，如圖7所示，并將z方向150～300 mm高度之間設(shè)置為氣浮池接觸區(qū)不同高度截面測(cè)量位置，每間隔50 mm的高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取不同高度下的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中氣含率分布情況，如圖8所示。

圖8 氣液比對(duì)不同高度氣含率分布的影響

氣浮器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，釋放頭的高度為100 mm，由式(10)可推，自由能與氣泡半徑的關(guān)系為

(13)

式(13)中：Vo為氣泡體積系數(shù)。

由式(13)可知，當(dāng)自由能較大時(shí)產(chǎn)生的氣泡粒徑較小，因此在氣液比較小時(shí)，液體流量能夠提供較多的初始?jí)毫?，氣體溶解度變大，從而在釋放頭處產(chǎn)生粒徑更小的微氣泡。

圖7為4種氣液比下釋放頭中心截面處的氣液兩相流場(chǎng)分布情況?？梢钥闯?，當(dāng)氣液比為2%時(shí)，氣體在水流產(chǎn)生的壓力作用下在溶氣罐中幾乎完全溶解，經(jīng)釋放后在釋放頭底部形成的高濃度氣相域面積最小，當(dāng)氣液比為5%時(shí)，形成的高濃度氣相域面積最大；相同工況下氣液比越低所產(chǎn)生的微氣泡粒徑越小，2%入口氣液比產(chǎn)生的氣泡粒徑最小，小粒徑微氣泡上浮速度慢，穩(wěn)定性好，不易聚并，所以在上浮過(guò)程中會(huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象，形成更廣泛的氣相區(qū)域；隨著氣液比增加，氣泡粒徑也隨之增加，氣泡更容易發(fā)生聚并，釋放頭底部會(huì)形成更明顯的氣相域，且在氣泡上浮過(guò)程中的擴(kuò)散現(xiàn)象逐漸減弱，但當(dāng)氣液比為5%時(shí)，由于氣量增加的原因?qū)е職馀萆细〉浇佑|區(qū)約294 mm高度時(shí)會(huì)發(fā)生明顯擴(kuò)散現(xiàn)象。

圖8為不同入口氣液比時(shí)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中不同接觸區(qū)高度下的氣相體積分?jǐn)?shù)分布情況。可以看到，在入口氣液比相同時(shí)，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中接觸區(qū)的氣相體積分?jǐn)?shù)隨接觸區(qū)高度的變化趨勢(shì)一致，均隨著接觸區(qū)高度的增加而降低，但實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果在數(shù)值上有一定差距，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溶氣罐壓力為0.35 MPa，溶氣水經(jīng)釋放頭流出后還存在部分溶解氣未釋放，隨著接觸區(qū)高度增加，溶解氣含量逐漸減少，將氣浮池內(nèi)流體引入到氣含率測(cè)量裝置時(shí)，溶解氣則會(huì)進(jìn)一步釋放，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)量的氣含率偏高，隨著接觸區(qū)高度增加，這種差距會(huì)逐漸減小。150 mm高度處對(duì)應(yīng)不同入口氣液比條件下氣相體積分?jǐn)?shù)均是最大，這是由于氣泡在上升過(guò)程中，受到湍流擾動(dòng)的影響，尤其是在氣液比為4%和5%時(shí)氣泡更容易發(fā)生聚并的現(xiàn)象，形成大粒徑微氣泡，使得氣泡在水中上浮速度快、穩(wěn)定性差，當(dāng)氣量大時(shí)氣相容易發(fā)生擴(kuò)散和逸出界面，導(dǎo)致局部氣相體積分?jǐn)?shù)降低；當(dāng)接觸區(qū)高度相同時(shí)，隨著入口氣液比增加，實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果中接觸區(qū)的氣相體積分?jǐn)?shù)均隨氣液比增加而相應(yīng)升高，特別是在入口氣液比為2%和3%時(shí)接觸區(qū)氣相體積分?jǐn)?shù)上升幅度更為明顯，這是由于氣液比增加，氣泡粒徑變大，氣泡發(fā)生聚并而不易發(fā)生擴(kuò)散，同一高度截面上氣量也隨之增加，截面氣泡體積占比更多，氣泡密度更大，因此氣含率也隨之變大。

3.2 微氣泡聚并現(xiàn)象研究

為了更詳細(xì)的了解氣泡的聚并現(xiàn)象，在相同區(qū)域分別以大間距和小間距并行排列兩個(gè)相同直徑的微氣泡，模擬其上浮過(guò)程中的聚并情況，如圖9、圖10所示。另外，為了對(duì)比氣泡大小對(duì)聚并的影響，分別模擬了不同粒徑的氣泡的上升過(guò)程，其中大粒徑氣泡直徑D=500 μm，小粒徑微氣泡直徑d=60 μm。

t0為初始時(shí)刻，單位：ms；Δt為氣泡上浮的時(shí)間，單位：ms

圖10 并行排列的小間距微氣泡上浮過(guò)程

可以看出，當(dāng)500 μm氣泡間距為3D時(shí)，兩個(gè)氣泡會(huì)規(guī)律的靠近與遠(yuǎn)離，不會(huì)發(fā)生聚并，相比于60 μm的氣泡，大直徑氣泡的浮力較大，上升較快。當(dāng)大直徑氣泡間距為2D時(shí)，兩個(gè)氣泡會(huì)發(fā)生聚并，但60 μm氣泡在間距為2d時(shí)未發(fā)生聚并，氣泡直徑越小，發(fā)生聚并時(shí)的氣泡間距更小，因?yàn)楫?dāng)氣泡的物理尺度很小且上升速度很慢時(shí)，局部雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)都很小，使得上升過(guò)程中的慣性力幾乎可以忽略不計(jì)，流場(chǎng)中的擾動(dòng)很小，表面張力的作用顯著。因此，由于表面張力很大，而流場(chǎng)擾動(dòng)又很小，氣泡的形狀很難發(fā)生變形，而隨著氣泡直徑變小，表面張力更大，流場(chǎng)擾動(dòng)更小，氣泡更難發(fā)生聚并。

圖11給出了不同間距上下排列的微氣泡的上浮運(yùn)動(dòng)過(guò)程?？梢钥闯?，氣泡在間距為1.5D時(shí)發(fā)生聚并，但間距為2D時(shí)上面氣泡優(yōu)先逸出界面，可知，上下排列氣泡仍然只在較小的間距內(nèi)發(fā)生聚并。

圖11 不同間距的上下排列的微氣泡的上浮過(guò)程

4 結(jié)論

模擬計(jì)算了溶氣氣浮器內(nèi)氣液兩相流動(dòng)及氣泡聚并現(xiàn)象，從宏觀和微觀角度研究了氣泡聚并及氣含率分布規(guī)律，分析了釋放頭氣液比和接觸區(qū)高度對(duì)氣含率的影響，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算的正確性。得出如下結(jié)論。

(1)氣液比為2%時(shí)，空氣幾乎完全溶解，經(jīng)釋放頭能產(chǎn)生小粒徑微氣泡，不易聚并且會(huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象；氣液比為5%時(shí)，氣泡粒徑也隨之變大，氣泡發(fā)生明顯聚并現(xiàn)象，并伴隨氣相擴(kuò)散現(xiàn)象。

(2)當(dāng)氣液比不變時(shí)，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬中接觸區(qū)的氣相體積分?jǐn)?shù)均隨著接觸區(qū)高度的增加而降低。從微觀角度分析氣泡在上浮過(guò)程中，由于大量小間距微氣泡的存在，使氣泡之間發(fā)生劇烈聚并，氣泡粒徑逐漸增大，提高局部氣相體積分?jǐn)?shù)。

(3)當(dāng)高度不變時(shí)，實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果中接觸區(qū)的氣相體積分?jǐn)?shù)均隨氣液比增加而升高，氣液比為2%和3%時(shí)氣相體積分?jǐn)?shù)上升幅度更為明顯，由于氣液比增加，氣泡粒徑變大，氣泡更容易發(fā)生聚并而不易發(fā)生擴(kuò)散。

(4)當(dāng)氣液比或接觸區(qū)高度增加時(shí)，氣泡粒徑由于聚并和體積膨脹不斷增大。而60 μm微氣泡的局部雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)都較小，相比于500 μm氣泡較難發(fā)生聚并，氣泡粒徑越小，聚并所需距離更小。