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環(huán)流浮選塔用于含油污水處理的實驗研究

文檔作者：嚴(yán)超宇劉艷升曹睿蔣晶晶文檔來源：中國石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月11日
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第10卷第6期
2010年12月
過程工程學(xué)報
The Chinese Journal of Process Engineering
Vbl．10 NO．6
Dec．2010
環(huán)流浮選塔用于含油污水處理的實驗研究
嚴(yán)超宇， 劉艷升， 曹睿， 蔣晶晶
【中國石油大學(xué)(北京)化學(xué)工程學(xué)院，北京102249】
摘要：以空氣／含柴油污水為模擬介質(zhì)體系，在環(huán)流浮選塔(外筒體內(nèi)徑100 ml'n，高932 nllll；導(dǎo)流筒內(nèi)徑59 mnl，
高780 mm)上考察了操作氣速、液相流量及浮選塔上部空間填料設(shè)置對油一水分離效率的影響．結(jié)果表明，分離效率
隨操作氣速增大先增后降，隨液體流量增大而降低；與傳統(tǒng)空筒式浮選塔相比，環(huán)流浮選塔的分離效率比常規(guī)空筒式
浮選塔有顯著提高．實驗確定的最佳操作氣速為0．015加．02 mJs，最佳液相流量為20 L／ll，在環(huán)流浮選塔上部設(shè)置填料
的情況下，油一水分離效率最高可達(dá)57．3％．基于實驗數(shù)據(jù)建立了涉及氣泡特性、液相物性、氣液相流量及油滴返混影
響因素在內(nèi)的分離效率的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，與實驗值吻合較好．
關(guān)鍵詞：浮選：環(huán)流塔；含油污水：油回收率
中圖分類號：TQ053．5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009--606X(2010)06-1110--05
1 前言
含油污水是餐飲、食品加工、紡織、印染、造紙、
石化和油田開采等過程中產(chǎn)生的一種量大而面廣的污
水體系．如果將這些含油污水直接排放，將會造成環(huán)境
污染和水資源的浪費(fèi)問題．尤其對一些用水量較大的生
產(chǎn)過程該問題更加凸顯，如國內(nèi)的油田開采業(yè)，每年高
達(dá)十幾億噸采油污水需處理，這些含油污水處理達(dá)標(biāo)
后，一部分作為二次采油的回注水，另一部分則直接排
放．因此，面對環(huán)保要求和水資源匱乏的嚴(yán)峻問題，研
發(fā)出高效處理含油污水的技術(shù)一直為人們所關(guān)注．
浮選技術(shù)最早產(chǎn)生于20世紀(jì)20年代，最初主要應(yīng)
用于礦物濃集，后來逐漸應(yīng)用于各種污水處理過程．不
僅能代替水處理上的沉淀、澄清處理過程，且可作為廢
水深度處理的預(yù)處理之用，對一些沉淀法難以取得良好
凈化效果的污水的處理，浮選法效果更好．對油一水體
系，主要用來處理含油污水中靠重力分離自然上浮難以
去除的分散油、乳化油和細(xì)小懸浮物．
浮選技術(shù)在問世之初，其設(shè)備構(gòu)型主要為矩形或方
形浮選池，隨著浮選技術(shù)的不斷發(fā)展，浮選池的結(jié)構(gòu)形
狀逐漸發(fā)展為圓柱形浮選柱．浮選柱結(jié)構(gòu)形式較多，較
常見的是空筒式浮選柱【l】．也有研究者將浮選與旋流分
離技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了旋流一充氣浮選裝型2，3】及旋流一
靜態(tài)微泡浮選柱【4】．文獻(xiàn)[5]提出通過在空筒式浮選柱內(nèi)
填充波紋填料，形成一種充填式浮選柱來解決該問題．
在上述這些類型的浮選設(shè)備中，由于存在氣泡分布
不均勻造成的流場返混、氣泡與分散顆粒間的碰撞效率
低及液體停留時間短的問題，使浮選分離效率的提高受
到限制．因此，有研究者【6'7】提出采用在常規(guī)空筒式浮選
筒內(nèi)同心設(shè)置導(dǎo)流筒內(nèi)構(gòu)件，形成一種環(huán)流浮選塔進(jìn)行
污水中的礦物或蛋白質(zhì)的濃集，及含油污水的處理【s’9J．
環(huán)流浮選塔內(nèi)置的導(dǎo)流筒將整個分離空間分為導(dǎo)流筒
區(qū)和環(huán)隙區(qū)，使環(huán)流浮選塔在塔體結(jié)構(gòu)和氣液運(yùn)動方式
上較常規(guī)空筒式浮選塔有一定的差異和改進(jìn)，其主要體
現(xiàn)在：(1)液體在環(huán)隙區(qū)和導(dǎo)流筒區(qū)之間循環(huán)流動，可延
長液體的停留時間，增加氣泡與油滴間的附著機(jī)會；(2)
將氣體分布器布置在導(dǎo)流筒內(nèi)，使產(chǎn)生的氣泡被限制在
導(dǎo)流筒內(nèi)部空間作定向向上運(yùn)動，使導(dǎo)流筒內(nèi)氣含率徑
向分布的均勻性較常規(guī)空筒式浮選塔有所改善，油滴的
返混程度較空筒式浮選塔減小，同時從環(huán)隙區(qū)上部向下
流動的液體可夾帶部分氣泡返回至導(dǎo)流筒底部，使部分
氣泡得到循環(huán)利用，從而提高浮選塔內(nèi)的氣含率；r3)
環(huán)流浮選塔內(nèi)液體在環(huán)隙區(qū)和導(dǎo)流筒區(qū)之間的循環(huán)流
動可強(qiáng)化氣泡與油滴顆粒間的接觸和碰撞效率，從而比
常規(guī)空筒式浮選塔在分離效率方面有較大提高．盡管環(huán)
流浮選塔較常規(guī)空筒式浮選塔有了較多改進(jìn)，但由于液
相主體的循環(huán)流動，難免造成油滴返混，這是環(huán)流浮選
塔需改進(jìn)的方向，也是本研究的內(nèi)容之一．
本工作在前人環(huán)流浮選塔研究的基礎(chǔ)上，以空氣／
含柴油污水為模擬介質(zhì)體系，首先考察了環(huán)流浮選塔內(nèi)
氣體速度、液相流量對分離效率的影響：然后考察浮選
塔上部空間設(shè)置填料對分離效率的影響，探索解決浮選
塔內(nèi)油滴返混的途徑；最后在實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立涉
及浮選操作條件、體系物性和返混因素影響的浮選分離
收稿日期：2010—03—27，修回日期：2010—12-09
基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(編號：20806090) 作者簡介：／噼(1977一)，男，貴州省遵義市人，博士，講師，化學(xué)工程專業(yè)，E-mail：yanchaoyu@sina．COIII；劉艷升，通訊聯(lián)系人，E-mail：wsuper@eup．edu．gn．
萬方數(shù)據(jù)
第6期嚴(yán)超宇等：環(huán)流浮選塔用于含油污水處理的實驗研究111l
效率的數(shù)學(xué)模型，以便為本課題的后續(xù)研究提供基礎(chǔ)．
2 實驗
2．1材料與試劑
實驗所用含油污水由清水與柴油按一定比例混合
而成．為使油、水混合均勻，實驗前將置于污水罐內(nèi)的
油水混合液用離心水泵連續(xù)抽吸，使污水在離心泵與污
水罐間循環(huán)流動，利用離一Ii,泵葉輪對液體的高速剪切作
用，使柴油與清水充分混合，持續(xù)該過程2 h，直到含
油污水混合液達(dá)到穩(wěn)定而不會分層狀態(tài)，再將該含油污
水進(jìn)入浮選塔進(jìn)行實驗操作．
實驗所用化學(xué)試劑有石油醚和十二烷基苯磺酸鈉．
石油醚用作污水樣品中含油濃度測定時的萃取劑，十二
烷基苯磺酸鈉作為污水體系中的表面活性劑，降低水的
表面張力，使浮選塔內(nèi)氣泡直徑減小，提高氣泡與油滴
間的相接觸面積．實驗中十二烷基苯磺酸鈉在污水混合
液中的濃度為0．33 g／L．
考察了環(huán)流浮選塔上部氣液分離空間內(nèi)設(shè)置填料
對油水分離效率的影響，所用填料介質(zhì)為孔徑20目(833
gm)的不銹鋼絲網(wǎng)填料，填料厚度20 mill．
2．2實驗裝置與分析儀器
圖l為實驗裝置及流程示意圖．環(huán)流浮選塔外筒體
直徑研10 minx5 ITlln，高932 rnn'l；導(dǎo)流簡直徑口65
mrnx3 ITll'n，高780 iTlrn；氣體分布器布置在導(dǎo)流筒內(nèi)部
底端中心位置，氣體分布器為圓柱形側(cè)面布?xì)庵?，用?
銹鋼冶金粉末燒結(jié)而成；環(huán)流浮選塔的頂部為浮油和泡
沫的溢流裝置．空氣經(jīng)氣體壓縮機(jī)進(jìn)入緩沖罐、流量計
計量后，進(jìn)入氣體分布器，再進(jìn)入導(dǎo)流筒內(nèi)的液相，產(chǎn)
1．Air compressor
4．Metering pump
7．Clear water collector
10．Slop oil collector
2．Buffer tank
5．Froth collector
8．Centrifugal pump
11．DieseI oil tank
3．Surfactant tank
6．Loop flotation column
9．Oily waste water tank
圖1實驗裝置示意圖．
Fig．!Schematic diagram ofexperimental apparatus
生微小氣泡向上運(yùn)動．表面活性劑經(jīng)計量泵計量后進(jìn)入
浮選塔下部與液相混合．含油污水經(jīng)離心泵從浮選塔中
部位置進(jìn)入塔內(nèi)．從導(dǎo)流筒底部上升的微氣泡攜帶油滴
運(yùn)動至上部溢流裝置，氣泡破碎進(jìn)入大氣，油滴聚集成
浮油并排出浮選塔體．液相主體攜帶部分氣泡從導(dǎo)流筒
頂端上部的氣液分離區(qū)進(jìn)入環(huán)隙區(qū)作向下運(yùn)動，在浮選
塔內(nèi)作循環(huán)運(yùn)動．因此，通過上述過程實現(xiàn)環(huán)流浮選塔
的連續(xù)操作．
主要分析儀器為755一B型紫外分光光度計，用于分
析污水樣品中的含油濃度．分光光度計分析的原理是利
用物質(zhì)對不同波長的光呈現(xiàn)選擇性吸收現(xiàn)象進(jìn)行物質(zhì)
的定性和定量分析．分光光度法根據(jù)相對測量原理先設(shè)
定參比樣品(如溶劑、蒸餾水、空氣等)的透射比為100％，
再測量待測樣品的透射比，從而達(dá)到分析的目的．實驗
通過測定石油醚萃取污水樣品中的柴油后溶液的吸光
度值，再根據(jù)實驗事先標(biāo)定出的吸光度與含油濃度間的
曲線換算出所測樣品中的含油濃度．本實驗所用柴油對
紫外光譜的吸收峰最高點在225 nnl，所以實驗用的紫外
分光光度計波長設(shè)在225 nln．
2．3實驗方法
實驗中通過改變浮選塔內(nèi)的表觀氣速、液體流量和
含油濃度這些操作參數(shù)，測量浮選塔內(nèi)油一水的分離效
率(或油的回收率，功，同時還考察鹽度和浮選塔上部宅
間填料的設(shè)置對油一水分離效率的影響規(guī)律．實驗中浮
選塔導(dǎo)流筒內(nèi)的表觀氣速為0．005—0．25 m／s，液體流量
為20～80 L／h，進(jìn)料含油污水中的油濃度為500—750
mg／L．
油一水分離效率采用下式計算：
薩(]-c／ci)x100％， (1)
式中，Ct為氣浮處理后液體中的含油濃度(mg／L)，Ci為
進(jìn)料含油濃度(rag／L)．
3結(jié)果與分析
3．1氣體速度的影響
圖2為操作氣速對分離效率的影響．由圖可見，隨
氣速增大，分離效率呈先增后降趨勢．這是因為在初始
階段的小氣速范圍內(nèi)，氣體流量增大使氣泡數(shù)量增加，
有利于氣泡與油滴的相互作用，因而使分離效率提高．
氣體流量繼續(xù)增大時，雖然氣泡數(shù)量增加，但氣泡間的
聚并增強(qiáng)，氣泡直徑變大，反而降低了氣泡的比表面積，
使氣泡與油滴間的吸附作用概率減?。煌瑫r氣體流量增
大時，液體流場內(nèi)的湍動增強(qiáng)易造成油滴返混，這些因
素共同造成分離效率降低．
萬方數(shù)據(jù)
1112 過程工程學(xué)報第10卷
u(×102m／s)
圖2氣體速度對分離效率的影響
Fig．2 Effect of gas velocity on recovery efficiency of oil
3．2液體流量的影響
圖3給出了液體流量對分離效率的影響．由圖可
知，在氣體速度一定和進(jìn)料含油濃度相近條件下，分離
效率隨液體進(jìn)料流量增加而降低．液體流量大小決定了
液體在浮選塔內(nèi)的停留時間，進(jìn)而影響到油滴與氣泡的
接觸程度．當(dāng)液體流量增大時，浮選筒內(nèi)液體的停留時
間減小，氣泡與油滴的接觸機(jī)會降低，氣泡與油滴發(fā)生
碰撞吸附的概率降低，不利于浮選過程進(jìn)行．因此，隨
液體流量增大，分離效率呈降低趨勢．
K(uH)
圖3液體流量對分離效率的影響
Fig．3 Effect ofliquid flux on recovery efficiency ofoil
3．3設(shè)置填料的影響
環(huán)流浮選塔內(nèi)由于存在液體在導(dǎo)流筒區(qū)與環(huán)隙區(qū)
之間的循環(huán)運(yùn)動，雖然可改善液體的停留時間分布，但
當(dāng)液體從上部氣液分離空間循環(huán)進(jìn)入環(huán)隙區(qū)時，液體會
夾帶部分油滴重新進(jìn)入浮選塔底部液相中而形成返混，
從而降低分離效率．因此，本工作提出在環(huán)流浮選塔的
上部氣液分離區(qū)添加填料降低項部液相的環(huán)流速度，減
緩液面波動，同時通過填料層捕集油滴，減小油滴跟隨
液相主體的返混．
本實驗在環(huán)流浮選塔上部的氣液分離空間，在導(dǎo)流
筒外壁和外簡體內(nèi)壁問添加孔徑為20目(833 lam)的不
銹鋼絲網(wǎng)填料，填料厚度為20 mm．圖4給出了環(huán)流浮
選塔上部氣液分離空間設(shè)置填料前后分離效率的對比，
可見設(shè)置填料后分離效率得到顯著提高．
％(x102m／s)
圖4填料設(shè)置對分離效率的影響
Fig．4 Effect ofpacking Oil recovery efficiency ofoil
3．4環(huán)流浮選塔與空筒式浮選柱的分離效率對比
圖5為環(huán)流浮選塔與常規(guī)空筒式浮選柱內(nèi)的分離
效率對比．由圖可見，在相同操作條件下，環(huán)流浮選塔
內(nèi)的分離效率比常規(guī)空筒式浮選柱的明顯高．這主要是
由于環(huán)流浮選塔的特殊結(jié)構(gòu)決定了其分離性能較空筒
式浮選柱不同．在環(huán)流浮選塔內(nèi)，由于導(dǎo)流筒內(nèi)構(gòu)件的
設(shè)置，使液相在導(dǎo)流筒區(qū)與環(huán)隙區(qū)之間形成了循環(huán)流
動，可延長液相的停留時間；另外，環(huán)流的液體可將處
于氣液分離區(qū)的部分氣泡夾帶進(jìn)入環(huán)隙區(qū)而形成循環(huán)，
使這部分氣泡得到多次循環(huán)利用，這樣可提高環(huán)流浮選
塔內(nèi)的總體氣含率，增加氣泡與油滴吸附的概率．因此，
環(huán)流浮選塔從自身結(jié)構(gòu)上可改善氣一液流動的流體力學(xué)
特性和強(qiáng)化氣一液兩相的接觸作用，從而起到提高分離
效率的作用．
u(x102m／s)
圖5環(huán)流浮選塔與空筒浮選柱內(nèi)分離效率的對比
Fig．5 Comparison ofrecovery efficiency ofoil in loop
and cylindrical flotation column
萬方數(shù)據(jù)
第6期嚴(yán)超字等：環(huán)流浮選塔用于含油污水處理的實驗研究1113
3．5分離效率的數(shù)學(xué)模型
影響浮選分離效率的主要因素有氣泡大小、氣泡數(shù)
量、含油污水的乳化程度、進(jìn)料含油濃度、液相停留時
間及液相返混現(xiàn)象等．決定氣泡大小的因素有氣體流
量、液體表面張力及氣體分布器的孔徑等因素．文獻(xiàn)[10】
通過對浮選塔內(nèi)氣泡與液滴的碰撞作用進(jìn)行分析，推導(dǎo)
出了分離效率的數(shù)學(xué)模型如下：
r／=l--exp[一3Ey∥(2既Db)】． (2)
文獻(xiàn)【10]采用該式所得的計算值隨操作條件(如氣
體速度)增加一直呈增加的趨勢，這與實驗測得的先增
后降的變化趨勢不一致．其原因主要是該式在建立過程
中未考慮浮選塔內(nèi)油滴隨液相主體發(fā)生返混的現(xiàn)象．因
此，本工作在該模型的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了一定的修正，
使其適用于具有返混現(xiàn)象的實際浮選過程的計算．
為了使該式具有普適性，本工作將式(2)改寫成以下
通用形式：
，產(chǎn)1-exp【斗1晟Vgh／(Vtl),)]． (3)
考慮到油滴隨液相主體的返混等問題，本工作在式(3)
中引入返混因素的影響項，其表達(dá)式為
例一H只轡卜轡+只I， ㈣
可將式(4)進(jìn)一步寫為
‘VhI(VLDb)
圖6計算值與實驗值的對比
Fig．6 Comparison ofrecovery efficiency ofoil
between calculated and experimental data
4結(jié)論
以空氣／含柴油污水為模擬介質(zhì)體系，在環(huán)流浮選
塔上考察了操作氣速、液體流量及浮選塔上部空間填料
的設(shè)置對浮選分離效率的影響，得出如下結(jié)論：
伊唧(一日鏗H一剖也④
碰撞效率臣可按下式計掣10】：
昏心／(I+G)][1+G-3／(2K)+l／(2K3)]， (6)
G=2～領(lǐng)砌r,OL)／(9／Z)， (7)
K-l+棚b． (8)
式(5)中的Pl，P2和局為模型參數(shù)，需由實驗數(shù)據(jù)
擬合得到．式(5)右邊第一項指數(shù)部分表征氣泡直徑、油
滴直徑、氣液相流量、液層高度及由體系物性影響的碰
撞效率對分離效率的影響，第二項表征環(huán)流浮選塔內(nèi)流
場的返混造成的二次污染對分離效率的影響，第三項常
數(shù)部分表征浮選過程中氣泡不能與之作用的小粒徑油
滴對分離效率的影響．
聯(lián)立式(5)一(8)擬合實驗數(shù)據(jù)，可得到如下關(guān)聯(lián)式：
Pe沖卜。5剖-0．06879(一鏗卜s6州9，
式(9)的適用范圍為0<0．3>

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