聚結(jié)除油反應(yīng)機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)分析

1、聚結(jié)除油反響機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)分析第7卷第1期2006年1月環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControlVo1.7.No.1Jan.2006聚結(jié)除油反響機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)分析王藝(吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,長(zhǎng)春130026)陳雷(吉林建筑工程學(xué)院環(huán)境工程系,長(zhǎng)春130021)摘要通過(guò)對(duì)幾種聚結(jié)填料除油性能的比照試驗(yàn),探討分析了聚結(jié)除油反響機(jī)理及其動(dòng)力學(xué).結(jié)果說(shuō)明,填料的空間構(gòu)成形式對(duì)聚結(jié)除油效率有重要影響,當(dāng)潤(rùn)濕聚結(jié)機(jī)理和碰撞聚結(jié)機(jī)理同時(shí)存在時(shí),聚結(jié)效率可得到大幅度提高.當(dāng)油珠顆粒尺寸超過(guò)10/xm時(shí),布朗運(yùn)動(dòng)聚結(jié)速率

2、急劇減慢,而湍流的聚結(jié)速率急劇加快.聚結(jié)除油反響器內(nèi)水力條件的紊動(dòng)程度到達(dá)G500700s時(shí),油珠顆粒的聚結(jié)速率和效率將得到大幅度提高.關(guān)鍵詞聚結(jié)采油廢水規(guī)整填料湍流中圖分類(lèi)號(hào)TE45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)10089241(2006)01005905AnalysisofcoalescencemechanismandcoalescencereactiondynamicsWangYiChenLei(1.SchoolofEnvironmentandResource,JilinUniversity,Changchun130026;2.DeperlmentofEnvironmentalEngineerin

3、g,JilinArchitecturalandCivilInstitute,Changchun130021)AbstractThemechanismandreactiondynamicsofcoalescencewereexploredthroughthecomparisonexperimentofoilremovalperformanceofseveralcoalescencefillers.Resultsshowedthatspatialconstitutionformofthefillershadimportanteffectontheoilremovalefficiencyofcoal

4、escence.andthatasthecollisioncoalescenceandthewettingcoalescencemechanismwerecoexistenceandtheefficiencyofcoalescencewasenhancedremarkably.CoalescencevelocityofBrownianmotionsloweredabruptlyandcoalescencevelocityofturbulentflowquickenedabruptlyasoilgranulediameterwasbiggerthantenmicrons.Coalescencev

5、elocityandefficiencyofoilgranulewereincreasedashydraulicsofturbulenceinthereactorwasG500700S.Keywordscoalescence;oilwastewater;orderfiller;turbulentflow聚結(jié)又稱(chēng)粗?；?是使含油廢水通過(guò)一個(gè)裝有填充物(聚結(jié)材料)的裝置,在廢水流經(jīng)填充物時(shí),使油珠由小變大的過(guò)程.經(jīng)過(guò)聚結(jié)處理后的廢水,其含油量及污油性質(zhì)并不變化,只是更容易用重力別離法將油除去.聚結(jié)除油是聚結(jié)及相應(yīng)的沉降過(guò)程的總稱(chēng),其具有鮮明的工藝特點(diǎn)和良好的應(yīng)用前景.近年來(lái),我國(guó)油田已陸續(xù)進(jìn)入3次

6、采油階段,三元復(fù)合驅(qū)是3次采油中最先進(jìn)的驅(qū)采技術(shù)之一,它是通過(guò)向油層中注入含有聚丙烯酰胺,堿和外表活性劑等藥劑的水溶液驅(qū)動(dòng)原油,以提高原油采收率的一種新技術(shù).應(yīng)用三元復(fù)合驅(qū)技術(shù)而產(chǎn)生的采油廢水中,含有大量的聚合物,堿和外表活性劑等物質(zhì),這些物質(zhì)的存在增加了原油在水中的穩(wěn)定性.根據(jù)三元復(fù)合驅(qū)回注水質(zhì)的要求,在處理過(guò)程中應(yīng)將廢水中的聚合物,外表活性劑等物質(zhì)予以保存,這使得化學(xué)除油方法受到了限制,這也對(duì)采油廢水處理技術(shù)提出了更新的要求.聚結(jié)除油法作為一種物理化學(xué)法,以其特有的除油機(jī)理而受到重視.但是由于目前我國(guó)油田對(duì)聚結(jié)機(jī)理的研究較少,因此本文作者在對(duì)幾種不同性質(zhì),不同形狀聚結(jié)材料的比照試驗(yàn)研究根底

7、上,分析了不同聚結(jié)材料的除油特性和適用條件,并對(duì)聚結(jié)除油機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了探討.1試驗(yàn)條件及裝置1.1聚結(jié)材料的選擇為深入了解聚結(jié)除油特性,試驗(yàn)選用了多種材料進(jìn)行研究,其各自的性質(zhì)如表1所示.臨界外表張力的意義在于只有外表張力小于固體臨界外表張力的液體才能對(duì)該固體外表完全潤(rùn)濕和鋪展,但凡外表張力大于固體臨界外表張力的液體不能在該固體外表鋪展J.不銹鋼,石英砂和陶粒3種材料具收稿日期:2004一O821;修訂日期:2004一O928作者簡(jiǎn)介:王藝(1975一),女,吉林省長(zhǎng)春市人,博士研究生,主要從事污水處理技術(shù)研究工作.Email:wangyijerryvip.sina.corn60環(huán)境污染

8、治理技術(shù)與設(shè)備第7卷有高能外表(一般>0.IN/m),另外3種材料具有低能外表.1.2試驗(yàn)裝置與儀器試驗(yàn)使用不同的聚結(jié)材料對(duì)原水進(jìn)行處理,并主要考察了聚結(jié)前后原水中的含油量及油粒粒徑分布狀況.試驗(yàn)裝置如圖1所示.其中(a)為粒狀填(a1粒狀填料或球形散裝填料的試驗(yàn)裝置圖1聚結(jié)除油試驗(yàn)裝置流程圖Fig.1Sketchofcoalescenceexperimentalfacilitiesforoilremoval料的試驗(yàn)裝置,(b)為板狀填料試驗(yàn)裝置.粒狀填料聚結(jié)器的直徑為500mm,填料層厚度1m,油水別離罐為重力別離設(shè)施,各部尺寸為1.5×0.5×1m;板狀填

9、料聚結(jié)器的加工尺寸為2×0.5×1m.試驗(yàn)主要檢測(cè)水中含油量及油粒粒徑分布2項(xiàng)指標(biāo),其中含油量的測(cè)定采用分光光度法,分光光度計(jì)為7230G分光光度計(jì),吸收波長(zhǎng)為250nm;油粒粒徑分布由YZ.1型油珠粒徑測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定.1.3廢水水質(zhì)分析試驗(yàn)原水為大慶油田采油一廠(chǎng)111試驗(yàn)站三元復(fù)合驅(qū)出液經(jīng)過(guò)游離脫水,電化學(xué)脫水處理后排出的采油廢水,在試驗(yàn)研究期間,采油廠(chǎng)化驗(yàn)站對(duì)其水質(zhì)情況屢次進(jìn)行實(shí)測(cè),其綜合結(jié)果如表2所示.原水中含有大量的聚丙烯酰胺,外表活性劑和堿,其增加了油珠顆粒的穩(wěn)定性.同時(shí),聚丙烯酰胺的存在也增加了廢水的粘度(40%時(shí),水的粘度僅為0.653mPa?S),粘度的增加

10、也使油珠膠體顆粒在廢水中趨于穩(wěn)定.表2試驗(yàn)原水水質(zhì)分析Table2Analysisonqualityofinfluentintheexperiment2結(jié)果與討論試驗(yàn)在2套裝置上進(jìn)行了6種聚結(jié)填料的比照試驗(yàn).其中a套裝置在試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行2d后,當(dāng)粒狀填料的外表吸附根本飽和,即進(jìn)口含油量與出口含油量根本相等時(shí),進(jìn)行取樣分析.試驗(yàn)原水流量為1m/h,水溫42cI:,聚結(jié)負(fù)荷0.04m/h?m,斜板沉降裝置的停留時(shí)間為45rain,試驗(yàn)結(jié)果如表3和圖2所示.比照試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),無(wú)論從含油量的去除率上,還是油珠粒徑分布情況的改善方面,石英砂與陶粒的聚結(jié)效果較為接近,無(wú)煙煤填料的出水要好于石英砂和陶粒.

11、從聚結(jié)材料的外表性質(zhì)來(lái)看,無(wú)煙煤是親油性材料,聚結(jié)機(jī)理以潤(rùn)濕聚結(jié)為主,石英砂和陶粒是疏油性材料,聚結(jié)機(jī)理以碰撞聚結(jié)為主.由于原水的粘度較大,油粒具有較高的穩(wěn)定性,因此,碰撞聚結(jié)的實(shí)現(xiàn)需要油粒具有較大的沖量才能克服油粒間的斥力位能壘,而對(duì)親油性材料來(lái)講,油粒與材料外表的潤(rùn)濕聚結(jié)那么相對(duì)容易,不需要較大第1期王藝等:聚結(jié)除油反響機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)分析6l的沖量就可以實(shí)現(xiàn).因此對(duì)于穩(wěn)定性較高的采油廢水,親油性材料的聚結(jié)效率要好于疏油性材料.聚丙烯與無(wú)煙煤的外表性質(zhì)相近,2種填料的聚結(jié)效果也根本相同,但聚氯乙烯和聚丙烯的外表性質(zhì)雖然相近,其聚結(jié)效果卻相差較大,從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上看,聚氯乙烯填料處理出水中的油珠顆

12、粒粒徑分布狀態(tài),最終出水中的含油量及顆粒粒徑中值均明顯好于聚丙烯填料處理出水.由于聚結(jié)材料外表性質(zhì)和試驗(yàn)運(yùn)行條件相同,因此,2種填料聚結(jié)除油效果上的不同主要是由填料空間結(jié)構(gòu)的差異所引起的.表36種材料聚結(jié)試驗(yàn)結(jié)果I平均值】Table3Resultofcoalescencetestofseveralfilling(average)材料取樣口含油量(mg/L)名稱(chēng)123取樣口粒徑中值(m)除油效率123(%)本研究選用的聚丙烯填料為波紋板狀,其填裝時(shí)與豎直方向呈60.安裝.每張波紋板的波長(zhǎng)為125mm,波高為20mm,波峰處夾角約100.,波紋板交錯(cuò)排列,間距6Omm,波紋板填裝高度為0.6m.試

13、驗(yàn)選用的聚氯乙烯填料的結(jié)構(gòu)形式采用的是化工行業(yè)中填料塔內(nèi)使用的規(guī)整填料形式,其是由假設(shè)干波紋平行且垂直排列的波紋片組成的,波紋片上開(kāi)有小孔,波紋頂角約90.,峰高為25mm,填裝時(shí)波紋形成的通道與豎直方向呈45.,相鄰二個(gè)波紋片流道互成90.,相近2塊規(guī)整填料互成9O.安裝.聚氯乙烯規(guī)整填料的結(jié)構(gòu)形式是按均勻幾何圖形排220曼墓IO扣5O布,整齊堆砌的,它規(guī)定了流體的流路.由于規(guī)整填料獨(dú)特的組成形式和空間構(gòu)成,使其具有通量大,空隙率高等特點(diǎn),而且具有非常理想的傳質(zhì)效果,與粒狀和波紋板狀聚結(jié)填料相比,規(guī)整填料在傳質(zhì),碰撞效率等方面也得到較大的提高.當(dāng)原水流經(jīng)規(guī)整填料層時(shí),水流流態(tài)的變化劇烈頻繁,

14、因此,十分有利于水中原油顆粒的相互碰撞聚結(jié)以及原油顆粒在填料外表的粘附,增厚和脫落,并使其聚結(jié)機(jī)理變得更豐富,進(jìn)而大大提高了水中原油的聚結(jié)效率,改善水中原油顆粒的粒徑分布狀況.因此,在聚結(jié)材料的外表性質(zhì)相同的情況下,聚結(jié)填料的結(jié)構(gòu)形式對(duì)聚結(jié)除油效果有重大影響.3聚結(jié)機(jī)理的探討比照以上6種聚結(jié)填料聚結(jié)除油效果的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,規(guī)整填料具有最為理想的聚結(jié)效果.采用規(guī)整填料進(jìn)行聚結(jié)除油處理時(shí),填料的外表性質(zhì)并不是影響聚結(jié)效率的惟一因素,分析原因認(rèn)為,規(guī)整填料獨(dú)特的空間構(gòu)成形式可使聚結(jié)機(jī)理更豐富,大幅度提高聚結(jié)除油效率.聚氯乙烯材料具有親油疏水特性,其聚結(jié)機(jī)理應(yīng)為潤(rùn)濕聚結(jié),但是由于采用規(guī)整填料的形式

15、,使其流態(tài)的變化劇烈頻繁,這就為碰撞聚結(jié)提供了良好的環(huán)境根底和實(shí)現(xiàn)條件,這樣聚氯乙烯規(guī)整填料的聚結(jié)機(jī)理實(shí)際上是潤(rùn)濕聚結(jié)和碰撞聚結(jié)并存,因此其聚結(jié)效果十分理想.而不銹鋼作為親水性材料,其聚結(jié)機(jī)理是碰撞聚結(jié),根據(jù)以前的分析,碰撞聚結(jié)是難以取得理想的聚結(jié)效果的.但在本試驗(yàn)中,不銹鋼規(guī)整填料的聚結(jié)效果與聚氯乙烯填料非常接近.分析原因認(rèn)為,不銹鋼雖為親水性材料,但由于其具有較大的外表張力和固體l臨界外表張力,所以其對(duì)油珠也有吸附作用,此外,不銹鋼填料在出廠(chǎng)時(shí),其外表粘有一層有機(jī)油(在生產(chǎn)加工過(guò)程中所52535455565758595油珠顆粒直徑(nm)圖2各種填料聚結(jié)處理水油珠顆粒分布狀況圖Fig.2O

16、ilgrain-sizedistributionindisposedwterbysever1日l(shuí)Coalescencefilling62環(huán)境染治理技術(shù)與設(shè)備第7卷致),所以其外表性質(zhì)也有所變化,因此在不銹鋼填料進(jìn)行聚結(jié)處理時(shí),也同樣存在著潤(rùn)濕聚結(jié).又由于規(guī)整填料的結(jié)構(gòu)形式可大大改善碰撞聚結(jié)的運(yùn)行條件,因此不銹鋼填料的聚結(jié)機(jī)理實(shí)際上也是潤(rùn)濕聚結(jié)和碰撞聚結(jié)并存,所以其聚結(jié)效果也十分理想.根據(jù)上述分析,本研究認(rèn)為,當(dāng)聚結(jié)機(jī)理為潤(rùn)濕聚結(jié)和碰撞聚結(jié)同時(shí)作用時(shí),聚結(jié)效率可得到大幅度的提高,聚結(jié)填料的空間構(gòu)成是影響聚結(jié)效率的重要因素.4聚結(jié)反響動(dòng)力學(xué)分析水中油珠顆粒在聚結(jié)過(guò)程中的顆粒尺度隨時(shí)間的增大過(guò)程稱(chēng)為

17、聚結(jié)動(dòng)力學(xué).創(chuàng)造最適宜聚結(jié)反響的流體動(dòng)力學(xué)條件是成功地進(jìn)行聚結(jié)除油的最重要條件之一.根據(jù)斯莫盧霍夫斯基方程式,在層流狀態(tài)下,單分散膠體顆粒之間的聚結(jié)數(shù)量為:=÷nGd(1)式中:在液體的單位容積內(nèi),單位時(shí)間內(nèi)膠體顆粒相互之間聚結(jié)的數(shù)量;n在液體的單位容積內(nèi)膠體顆粒的數(shù)量;d膠體顆粒直徑;G速度梯度.在規(guī)整聚結(jié)狀態(tài)下,油珠顆粒的聚結(jié)形式為碰撞聚結(jié)與潤(rùn)濕聚結(jié)并存,因此聚結(jié)填料中的水流狀態(tài)呈湍流,流體中存在各種尺度的渦旋.渦旋是湍流的主要特征之,渦旋尺度的大小和分布對(duì)湍流的湍動(dòng)程度起決定作用.由于速度梯度值c并不能完全表示水流的結(jié)構(gòu)特征,因此在理論上式(1)只適用于層流中的聚結(jié)情況,但是將

18、這個(gè)方程式應(yīng)用于湍流狀態(tài)下的聚結(jié)反響時(shí),在許多情況下卻能得到令人滿(mǎn)意的結(jié)果.這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是因?yàn)榱黧w中的速度梯度值和造成顆粒碰撞聚結(jié)的湍流渦旋脈沖的尺度都取決于同一參數(shù),即單位體積液體吸收的機(jī)械能和液體的粘度.根據(jù)科爾摩哥羅夫提出的湍流理論,當(dāng)脈沖尺度減小到某一臨界值A(chǔ).時(shí),其能量在粘性力的影響下開(kāi)始顯著降低.脈沖臨界值A(chǔ).又稱(chēng)為湍流內(nèi)部尺度,它一方面取決于機(jī)械能量的單位消散率.另一方面取決于被擾動(dòng)介質(zhì)的粘度.當(dāng)2個(gè)油珠顆粒之間的距離為Z時(shí),可導(dǎo)致這2個(gè)油珠顆粒發(fā)生相對(duì)位移而聚結(jié)的渦旋脈沖的尺度應(yīng)為Z.因?yàn)楫?dāng)>Z時(shí),這2個(gè)油珠顆粒為作為一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)而不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移,而當(dāng)&

19、;lt;2時(shí),渦旋脈沖的強(qiáng)度很小而可以忽略不計(jì).因此,油珠顆粒的移動(dòng)可以用擴(kuò)散系數(shù)D湍來(lái)表示.根據(jù)科爾摩哥羅夫方法當(dāng)?0時(shí),D湍=僅8(2)當(dāng)?0時(shí),D湍=p,/8/(3)式中:,B實(shí)驗(yàn)確定的常值系數(shù);8單位時(shí)間內(nèi)輸入單位質(zhì)量介質(zhì)中的能量;v介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度.尺度為>.的渦旋脈沖可使膠體顆粒趨于均勻,而尺度為<的渦旋脈沖可決定膠體顆粒接近時(shí)的相互作用.因此造成膠體顆粒接近時(shí)擴(kuò)散阻力的根本因素是距離z<.,由式(3)可知,D湍值與成正比.采油廢水中油球顆粒的外表靜止擴(kuò)散聚結(jié)時(shí),可用以下方程式表示:4,n-r2j=4wDr.(4)dr式中:聚結(jié)范圍內(nèi)球形顆

20、粒單位面積上的顆粒流量;D一有效擴(kuò)散系數(shù);r一球形顆粒的半徑;n一球形顆粒的濃度.如果聚結(jié)半徑R滿(mǎn)足/.>D,那么D湍>D(D為單個(gè)顆粒的擴(kuò)散系數(shù)),此時(shí)可認(rèn)為D湍=D,對(duì)式(4)積分可得:=B/e/vRn0(5)n.為溶液中膠體顆粒的初始濃度,聚結(jié)半徑R為2個(gè)聚結(jié)膠體顆粒的半徑之和.因?yàn)榘霃綖镽的油珠顆粒外表上的全部顆粒流量等于4R2j,根據(jù)式(5),在單位時(shí)間,單位容積內(nèi)油珠顆粒聚結(jié)碰撞的數(shù)目N湍是:N湍=4flR/n0(6)從式(6)可以看出,湍值和式(1)中層值一樣,都與聚結(jié)半徑的三次方成正比.而且湍值與或流速的3/2次方成比例增長(zhǎng).根據(jù)布朗運(yùn)動(dòng)聚結(jié)速度常數(shù)

21、表達(dá)式,可得:N=47rRDn0(7)第1期王藝等:聚結(jié)除油反響機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)分析63比較湍和布,可得:湍/N布-:j/i,R/D(8)根據(jù)本實(shí)驗(yàn)研究所得的數(shù)據(jù)分析,在規(guī)整聚結(jié)除油裝置中,當(dāng)處理水量為5m./h,聚結(jié)反響時(shí)間為13.2min時(shí),能量消耗為0.3mH:0,采油廢水的運(yùn)動(dòng)學(xué)粘度為2.2mPa?S,油珠顆粒靜態(tài)擴(kuò)散系數(shù)D為1.32×10em/s,代入式(8)中可得,符合N湍=N布時(shí)的油珠顆粒臨界尺寸為11.3m.當(dāng)湍流的脈沖尺度臨界值(湍流內(nèi)部尺度)為11.3m時(shí),可計(jì)算得湍流系統(tǒng)的湍動(dòng)程度速度梯度G值為500700s一5結(jié)論(1)利用聚結(jié)法進(jìn)行采油廢水的除油處理,當(dāng)潤(rùn)濕聚

22、結(jié)機(jī)理和碰撞聚結(jié)機(jī)理同時(shí)存在時(shí),聚結(jié)效率可得到大幅度的提高;(2)聚結(jié)填料的空間構(gòu)成形式是影響聚結(jié)效率的重要因素.規(guī)整填料具有合理的空間構(gòu)成形式,聚結(jié)機(jī)理更豐富;(3)聚結(jié)除油處理時(shí),當(dāng)油珠顆粒尺寸到達(dá)或超過(guò)10m時(shí),布朗運(yùn)動(dòng)聚結(jié)速率急劇減慢,而湍流的聚結(jié)速率急劇加快;(4)對(duì)于采油廢水聚結(jié)除油工藝而言,當(dāng)聚結(jié)除油反響器內(nèi)水力條件的紊動(dòng)程度到達(dá)G500700s時(shí),采油廢水中直徑超過(guò)10m的油珠顆粒的聚結(jié)速率和效率將大大得到提高,致使聚結(jié)除油反響的作用機(jī)理得到充分實(shí)現(xiàn)和發(fā)揮.參考文獻(xiàn)1王良均,吳孟周,石油化工廢水處理設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:中國(guó)石化出版社.1997.1361382陳雷,祁佩時(shí),等.石油開(kāi)

23、采廢水處理技術(shù)的現(xiàn)狀與展望.中國(guó)給水排水,1999,15(11):33353程蘭征,陳鴻賢,等.簡(jiǎn)明界面化學(xué).大連:大連工學(xué)院出版社,1988.1581624SharifiH.,ShawJ.M.Secondarydropproductioninpacked-bedcoalescer8.ProceedingofInternationalConfer.encconEnvironmentPollutionControlTechnologies.SaskatchewanCanada,19965德萊恩哈特.畢力特.填料塔.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.1998.26286王樹(shù)楹.現(xiàn)代填料塔技術(shù)指南.北京:中國(guó)石化出版社,1997.1601627時(shí)鈞,汪家鼎,等.化學(xué)工程手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社.1996(上接第4O頁(yè))化過(guò)程中起著重要的作用.本試驗(yàn)條件下,當(dāng)DO為0.51.0mg/L,pH值為7.58.0時(shí),在SBR反應(yīng)器中很容易實(shí)現(xiàn)NO:-一N的積累.(2)低DO有利于NO;一N的積累,當(dāng)DO>0.3mg/L時(shí),DO越大,出水NH4-N去除率越高,NO:-N積累率越低.(3)pH值過(guò)低會(huì)破壞短程硝化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,當(dāng)pH值&