油水分离充气旋流器的研究进展.pdf

2 O 0 2 年第 2 l 卷第 2期 化 工 进 展 C HE MI CA LI N DU S TRY A N D E N G[ N EE R ．G P ROG e∞々 ‘ l 工艺装备i 蛆 00 00 ， 拙03 油水分离充气旋流器的研究进展 钟月华陈文梅王广金肖新才 四川大学化工学 院 ，成都 ，6 1 o 6 5 摘要充气旋 漉嚣是 利用 离心惯 性 力强化 浮选效果 的 新型设 备 ，综 述 了用 于油水 分 离的充 气旋 流 器的结 构、 分离机理和移响因素的研究进展．并提出展望。 关键词充气旋流 嚣 ．油水分 离，浮选 中圈分类号T Q 0 5 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 06 6 1 3 2 0 0 2 位一0 1 4 3 0 4 含油废水的处理一直是油田开采和加工行业中 的一个大问题，尤其是在中、高含水期的油田开发 中。油水分离的方法很多 ，气浮法是其中常用的一 种 。它工艺成熟、成本低廉 、处 理量大、效果 好， 适合于分散油和乳化油的分离，去除最小粒径 可达 1 0Ⅲ ⋯。 目前该 法已被广泛应用于油 田废 水、石 油化工废水 、食品油生产废水等的处理。其主要缺 点是浮油难处理 ，浮选停留时间较长 ；在处理量大 的时候 ，必须建造大型的气浮设备 ．占地面积 大， 投资费用高。为了克服传统浮选的缺点，进一步强 化气浮法的油水分离效果 ，近年来已有研究者将一 种新型 的浮选 设备充气旋 流器 a i r s p B I 窘 e d h y d i x y c l o n e ．A S H 用 于油水分离。从 目前 的文 献 报道来看 ，国内外对油水分离充气旋流器的研究 已 取得 了一定的研究成果。 1 结构和机理的研究 充气旋流器是研 究者最初为 了强化矿物浮选 ， 提出用离心力场强化浮选 的观点 ，利用水力旋流器 不仅能够提供离心力场 ，而且具有体积小、结构简 单、成本低等优点，把水力旋流器同泡沫浮选结合 起来研制 出的一类新型浮选设备，目前在选矿工业 中已被广泛应用 2 J 。正是基于充气旋流器在固体浮 选中的以上优点和油田所需处理的含油废水流量较 大的特点 ，研究者们才试着把用于矿物浮选的充气 旋流器应用于油水分离。 1 9 8 3年 ，Mi l l e r 和 Hu 口 k 设计 了一 台用于油 水分离的充气旋流器，其结构示意 图如图 1 所示 。 该设备 的切 向进料 口是在其底部 ，分离后的油相和 水相都从顶部流出，并且顶部有一个可调间隙，以 调节 溢 流 和 底 流 的 分 流 比。 1 9 9 3年 ．B e e b y和 N i c o l E 4 设计 了如图 2所示的油水分离充气旋 流器结 构 ．其切 向进 口是在顶部 ，底部有一底座 ，用以支 撑气泡粘 附油滴后形成的含油泡沫柱，所以也被称 为泡沫底座；同时因底座上部设计为锥形 ．所 以可 以通过升 降底座来 诃节 它与多孔 圆柱 间的环 踪大 小，从 而改变溢 流和底流 的分流 比。1 9 9 6年 ．余 仁焕等_ 5 _5 设计 了一台上部双对称配制的切 向进料方 式的充气旋流器，如图3 所示。此旋流器的另一结 构特点是在其顶部设计了一个溢流节流室，利用溢 流导管把 溢流排 除，这样可 以使含油泡沫及 时排 除，有利于泡沫柱的稳定。无论充气旋流器的结构 如何 ．它都有两个基本特点 一是有一个用于充气 的多孔 圆柱，二是切 向进料流与空气流相互垂直。 空气 混合坡 圈 1 M i ll e r 和 HL耳 l 设计 的油水 分离 充气旋流 器 其中多孔柱直 径 D5 0mm，高 上2 5 0m m， 平均孔径 d1 0邶1 ，产生的气泡直径 O 20 ． 5 ma t 收穑日期2 0 0 1 0 9 1 1 {修改穑日期2 0 0 1 1 2 0 9 。 簟一作者筒介钟月华 1 9 7 } 一 ．女，在读博士生。电话 0 2 8 5 4 0 1 0 7 。 维普资讯 化 工 进 展 2 0 O 2 年第 2 1 卷 图 2 B e e b y 和 N i o l 设计 的油水 分离充气旋流器 其 中溢流管直径 2 5m m 图 3 余仁焕等设计的油水分离充气旋流器 l 一节流室 ；卜 溢流导 曾卜 进料管 ； 孔 管；卜 泡津座 6 一底潍室 ；7 一 底流管 ；8 一充气室；9 _ _ 进气嘴；l 0 一溢潍管 充气旋流器分离油水的原理 是所需分离的 油水在一定压力下切 向进入旋流器 ，由于器壁限制 而高速旋转下 ，并沿器壁展开成如图 4所示的旋流 层。与此同时 ，由多孔器 壁挤入旋流层 的压缩空 气，被高速旋转 流体的剪切作用分割成大量的细小 气泡并沿径 向进入旋流层。水中的油滴与气泡相互 碰撞和吸附 ，在离心力作用下进人中心 的泡沫柱， 进而垂直向上流人溢流管形成溢流 ，而靠近器壁的 大部分液流则流人底流管形成底流。楮良银等l 6 对 充气旋流器内流场的研究结果表明充气旋流器内 应划分为上部周边的薄流层区、上部 中央的泡沫柱 区和下部的液柱区 ，如图 4所示 ；而且还指出下部 液柱的存在是形成泡沫柱的必要条件，即充气旋流 器能正常工作 的必要条件 ，是液柱高度为 1～ 2倍 充气旋流器直径较佳 。同时，旋流层的厚度也是影 响 A S H水流分布与浮选效 果的重要参数L 7 。 目前 为止 ，人们还只是研究 A S H进行矿物 浮选 时影 响 旋流层厚度 的因素 ，它与矿浆压力 、矿浆粘度、充 气量及起泡剂耗量有关l 8 J ，另外还取决于底流排出 口的尺寸大 ,j d 9 J ，并经 验性认为其厚度为 A S H半 径的 8 ％ ～1 2 ％时 比较好 ， 1 0 J 。也 有研究者用层 析 x射线摄影法对矿物浮选 A S H中的旋流层厚度 进行了非 破坏性 的在线 测试【 l l j 。对油水 分离 A S H 中旋流层厚度还只是沿用矿物浮选中的经验值 j 底流 图 4 油水分离机理示意图 与矿物浮选一样 ，气泡的产生和气泡与油滴的 相互作用也是油水在 A S H中的分离机理 研究 中必 不可少的内容 ，在 A S H中的矿 物浮选和 油水分离 有一定的相似性。 研究表明，气泡的大小不仅影响浮选速度和 回 收率 ，而且还 影响浮选 的选择性_ 1 。测 定气 泡大 小的方法主要有光学、声学探测和电子探测等 _ 】 。 1 9 8 5年，Mj U e r等一 用高速 运动 分析视 频 系统对 A S H中水流 的测量表 明气泡尺寸与多孔壁孔径的 尺寸成正 比，表面张力 对气泡尺 寸的影 响可 以忽 略，气泡在形成地 点未发生合并现象 ，气泡随充气 速度与液流粘度 的增加而增加，单个气泡的运动遵 循斯托克斯定律 。 研究气泡与颗粒问的相互作用有两种方法，即 热力学方法和动力学方法 。前者注重宏观判断气泡 矿化过程 的方 向和趋势 ，后者侧重过程 的机理、实 现条件和过程 的速度，但往往将 两者有机结 合起 来 。褚 良银等【 2 J 通过分析认为 ，在 A S H内气泡 和矿粒之间的相互运动基本上属于正交错流 ，它们 是靠强制碰撞接触而附着的。可用斯托克斯准数， 即作用于颗粒 的惯性力 偏离流线运 动 与粘 滞力 同介质一起沿着流线运动 之比作为气泡 和颗粒能 否碰撞 附着的依据 ，由此存在一个临界斯托克斯准 维普资讯 第 2 期 钟月华等 油水分离 充气 旋流器 的研 究进展 1 4 5 数。根据这个 临界准数和其他物理量 ，计算出一个 使惯性碰撞刚好发生的临界粒径 这个惯性碰撞临 界粒径便是颗粒浮选中有效浮选的颗粒粒径下限。 油水分离与矿物浮选的不 同点在于 1 矿粒 与水的密度差较大，而油水密度相差却很小 一般 矿粒密度大于水，而油的密度却小于水 ； 2 在充 气旋流器 内的旋流层中，因油滴的密度 比水小，在 离心力 的作用下其运动趋势是 向圆柱中心的，而矿 粒却相反 因此 Mi l l e r [ 指出，在充气 旋流器进行 油水分 离时 ，没有 充气 却仍 有一 定 的分离 效果 ； 3 油滴在湍动激烈时容易破碎乳化 ，当形成乳化 油后其化学稳定性非常好 ．很不容易与水分离。 B e e b y和 N i c o l t 在研究用絮凝剂进行化学稳定 后的油水乳液 在 A S H中分离 的实验结果 表明在 进 E l 流量和空气 流率与进料流率的 比值 Q逐渐由 小到大变化时 ，油滴聚集机理不一样。在低进口流 量和小 Q值时 ，浮选区域 中的湍动减 到最小 ，此 时被絮凝的油滴保 持不变并随时准备与气泡吸附。 这与 Mi l l 3 J 的研究结论和 S c h u b e r t E 1 4 3 的浮选大颗 粒时需要湍动小 的理论一致。在高进 口流率下，因 旋流器中存在更 大的湍动，絮凝 了的油滴被破碎成 更小 的油滴。要想有效地去除这些破碎了的更小絮 片 ，就需要更多的表面活性剂生成更小的气泡和提 高气泡 和油滴 问的静电吸引力。因为通常气泡越 小 ，则小颗粒的去除效率越高。阳性絮凝剂使油滴 絮片带正电荷 ，因此通过增加阴性表面活性剂来增 加气泡表面的负 电荷 ，则增加了油滴与气泡问吸附 作用 ，进而提 高底流质量。 2 影响因素的研究 影响 A S H浮选性能结 构参数 和操 作参 数主要 包括多孔圆柱长径 比、溢 流管直径和底流环 隙之 比、溢流管插人 深度、多孔壁的孔径与充气面积 、 进料压力、充气速率 和药剂制度等。 2 ． 1 多孔圆柱长径比 日／ D 多孔圆柱的长径 比 H／ D与液体在旋流器中的 停留时问密切相关。停 留时间长，则油滴和气泡可 以充分接触 以提高油的去除率。如图 4 所示 ，可通 过升降泡沫底座调节旋流器 的有效高度 来保证 液体在旋流器 中有足够的停 留时间。Mi 11 3 认为 多孔 圆柱的长径比 H／ D 应该为 1 1 ，这样就 可以 得到更静态的分离环境 ，此结论是在油水 中不加表 面活性剂的前提下提出的。B e e b y和 N i c o l L 研究了 泡沫底座的升降对底 流浓度和溢流分流 比的影响， 认为充气旋流器除油时存在一个矛盾 要想底流浓 度低 ，则底流流量就小 ，溢流流量就大且浓度低 ； 要想溢 流浓度高 ，则底 流浓度就 高，就需二次循 环，增加 了操作费用。余仁焕等【 J 研究表 明A S H 的除油率随着 H／ D的增 大先升高后 降低 ，其问存 在一个最佳 的长径 比。其原 因在于 H／ D过小 时， 液体在旋流器 中的停留时间不够 ，油滴没能与气泡 充分碰撞附着就随底流流 出；H／ D过大时 ，则环 形底流口附 近的旋流层厚度要 大大超过底流 口宽 度，将有过多的液流受泡沫柱 的阻挡转为上升流 ， 破坏泡沫柱 的稳定性 ，油水分离效果急剧恶化。以 上都是在旋 流器直径 固定的情况 下调节 圆柱长度 而研究 的 。 2 ． 2 溢流管直径与底流环隙之比 溢流浓度随溢流管直径与底流环隙的比值增大 而减小 ，而底流浓度却相反。其 中底流环隙是最重 要的影 响参 数之一，其 主要取 决 于泡沫底 座的高 低。底流环隙过小时．旋流层 中将会有更多的液流 转为上升流 ，甚至转成充塞流充满整个旋流器 ，严 重恶化浮选条件 ；过大 时，含 油泡沫易从底流 流 失，同样恶化分离条件l 。 2 ． 3 溢流管插入深度 因为泡沫柱含油量 由外 向内、自下而上增高 ， 结果在进料 口下方形成 富油区 ，所以溢流管插人太 深，富含油泡沫无法顺利排出 ；太短 ，则极易形成 短路流。因此同旋流器的溢流管设计一样 ，_A S H的 溢流管插人深度也有一个最佳值 。 2 ． 4 多孔壁的孔径与充气面积 多孔壁介质孔径越小，产生的气泡越小 ，则所 能浮选的油滴粒径下限越小L 1 5 J 。孔径 的选择 与所 分 离的油水混合液的油滴粒径分布相关 。 2 5 进料压力 进料压力 是影 响 A S H内离心力场大小 的重要 因素。在矿物浮选中，文献[ 1 6 ] 表明提高进流流率 可提高细颗粒的回收 ，因为颗粒的惯性增加导致碰 撞效率提高。同样较大的进料压力将使油滴有较大 的惯性与较高 的碰撞效 率 ，将有利 于改善油 的去 除。但是进 口压力过大 ，将使液体充满旋流器不能 形成旋流薄层 ，同时过强的紊动剪切作用使含油气 泡脱 附，激烈的湍动也不利泡沫柱的稳定而使油滴 破碎 ，导致除油率降低。由此需要一个最佳进口流 率 ，即最佳进 口压力 3 _ 。 2 ． 6 充气量 在 A S H浮选 中，充气量有一个最佳值 区 ，受 维普资讯 1 4 6 化 工 进 展 2 0 O 2年第 2 1 卷 处理能力、进料中含油量等的影响。充气量过大使 气泡数量急剧增 加，严重干扰旋流层 的流动状态 ， 恶化油水分离效果 ；过小则不能形成稳定的含油泡 沫柱 ，使除油率降低。堵良银 J 指出靠近底座处的 边壁不宜继续充气 ，因为此处形成 的气泡有相当一 部分直接进入底流排走 ，造成能源 的浪费。 2 ． 7 药剂选择 对于乳化油，添加絮凝剂可以破除乳化状态或 分散状态的油滴颗粒 的稳定性【 4 , 7 一 ，添加起泡剂可 以使泡沫相稳定 。 一 ，在油水中添加一定的疏水亲 油颗粒在一定程度上可以改善充气旋流器的除油 率- 。M． I l e j 选 择 烷 基 苯 基 磺 酸 钠 ,d i u n | a l k y l p h e n y l s u l p h o n a t e 为表 面活性剂 时，发现 其对 分离结果并无影响，而且在油滴更弥散时油的浮选 量 比不加时还大大降低 了。其原因可能是 Ni l l e r 的 试验条件是在相对静止的操作条件下进行的，泡沫 柱的稳定性较高，因而添加表面活性剂对其影响不 大。B e e b y 和 N i c o l L 4 j 实验表明 当油水中添加 了絮 凝剂后，在充气量与 进料量的 比值 0及进 口流量 都很小时，底流质量相对地对表 面活性剂不敏感 。 但仍随表面活性剂 的降低略为降低；在进 口流量和 比值 Q大时 ，表面活性剂 便很重要 了，此时需要 大量的表 面活性剂 才能获得与前 面一样 的底 流质 量。 等L 1 8 ] 用 十六碳烷 和四氯 化碳进行 了浮 选条件的优选 。 3 结语 对油水分离充气旋流器的研究虽然还处于初步 试验阶段 ，内容也仅限于对旋流器性能的宏观影响 因素的研究 ，但今后的研究 内容还很多 ，例如 A S H 中的三相流场 水相、油相和气相 研究、最佳旋流 层厚度研究 、A S H所能浮选油滴粒径分布与操作参 数关系研究等等。目前 ，A S H已表现出比传统浮选 设备更好 的优点 停 留时间仅 1 s 左右 。处理能力 比常规浮选设备 高数十倍乃至上百倍【 1 5 去除率 比传统 D e n v e lr 单元高 9 5倍 1 8 ] 油的去除率甚至可 高到 8 0 ％ 1 0 0 ％ 5 ， 1 9 ] 因此对油水分离 充气旋 流 器的进一步研究是非常有意义的。 参 考 文 献 1 袁惠民． J ] ． 化工环保。 1 9 9 8 ， 1 8 1 4 6 1 4 9 2 褚良银， 罗情． [ J ] 国外盘属矿选矿，1 9 9 3 ， 3 0 『 J 6 1 5 3[v I i I ] e r J D ， J [ J ] ．F L r a t k m＆S e p a r a t ,； ．n ，1 9 8 3 ， 2 O 3 2 7 9一抛 4 B e e L y J P ， N J o o l S K ． J ] ．F ／ k r a ．q o n＆S e p a r a t ／ o r ． ，1 9 9 3 ． 3 0 Z 1 41 1 4 8 5余仁蝰， 李新国 J ] ．矿冶，1 9 9 6 。 5 3 9 4 9 9 6 褚良银， 罗情， 余仁焕[ J ] ．化工矿山拄术，1 9 9 6 。 2 3 3 2 O～2 3 7 M山 J D． L - l 。b 诅 K R，K i , l n e t ． D J ， e l F h fi d一 P b 甘 - i nth e印 h o c ⋯I n e o f x v l n te r n a li ,q o ．d IV l i l l e r a [P I D c 凹 吕 i r o r 0哪 ，1 9 8 5，2 ．8 79 9 8 Y e Y ，C ． o p a la k r i s h n S ，P u e t E ，e t J ] ／ s ， Ph o e n i x，Ag， 1 9 8 8，3 43 巧一3 1 3 9 B Mw． Gl 】 】【 B I1 啪 S ， R口 一 i z ， [ J ] A 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