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        空化射流處理含油廢水的研究

        2010-08-08 07:56:40雷飛東鄧松圣趙云峰
        中國儲(chǔ)運(yùn) 2010年3期
        關(guān)鍵詞:液流孔板空化

        文/雷飛東 鄧松圣 趙云峰

        含油廢水的處理主要是通過外力將廢水中的油水大分子剝離、再重新組合,實(shí)現(xiàn)油水分離,即乳化油的破乳,其中物理法因無二次污染、處理速度快、經(jīng)濟(jì)效益好、油水皆可回收利用等特點(diǎn)應(yīng)用最廣。本研究介紹了一種新近發(fā)展起來的物理破乳方法,水力空化破乳法。

        流體流過一個(gè)限流區(qū)域(如多孔板、文丘里管等)時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降,若壓力降至液體飽和蒸汽壓力時(shí),溶解在流體中氣核會(huì)迅速膨脹,在液體內(nèi)部形成含有水蒸氣或其它氣體的空泡并迅速聚合長大,當(dāng)液流壓力恢復(fù)時(shí),空泡受擠壓而潰滅,即水力空化。水力空化能夠在常溫常壓下的流體中產(chǎn)生瞬時(shí)局部高溫(1000~5000K)和高壓((1~5)×107Pa)。空化射流處理含油廢水就是利用空化射流產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫、高壓、強(qiáng)烈沖擊波和紊動(dòng)剪切應(yīng)力破壞油水界膜,使油珠微粒相互接近并聚集成大油滴,從而浮出水面,實(shí)現(xiàn)油水分離,是一種離解有機(jī)污染物的有效處理方法。

        1.實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,具體組成:50L的儲(chǔ)罐,2900rpm,5.5KW的離心泵,三個(gè)流量控制閥和一個(gè)孔板,兩條內(nèi)徑為20mm通向儲(chǔ)罐的管路。多孔板直徑為20mm,用法蘭固定??装?中孔的直徑為4mm,過流系數(shù)(孔板過流面積與管道橫截面積的比率)β0為0.2,孔板2中孔的直徑為2mm,其β0的值為0.13。

        2.實(shí)驗(yàn)方法

        儲(chǔ)罐充液量為滿儲(chǔ)量的80%,閥V1,V2,V3處于全開狀態(tài),試驗(yàn)過程中,通過閥門V2來調(diào)節(jié)孔板上游進(jìn)口壓力P1的大?。幢玫某隹趬毫Γ詽M足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)溶液為柴油和自來水充分振蕩并靜置1小時(shí)而形成的濃度為260mg/L的含油廢水。通過儲(chǔ)罐冷凝外套中冷卻水的流速來調(diào)節(jié)溶液溫度,并控制在36±2度范圍內(nèi)。反應(yīng)分別進(jìn)行20、40、60、80 分鐘后將廢水靜置半小時(shí)后在液面下20~30cm處取樣,含油廢水的濃度用紅外分光測(cè)油儀測(cè)定。

        3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 處理時(shí)間與水樣油濃度間的關(guān)系

        入口壓力為3atm,分別使用多孔板1和2,得到水樣油濃度與處理時(shí)間關(guān)系,如圖2所示。由圖可見,處理的初始階段,油濃度與處理時(shí)間關(guān)系曲線斜率很大,下降速度快,20分鐘后水樣濃度變化趨緩,反應(yīng)進(jìn)行60分鐘時(shí),裝配孔板1的實(shí)驗(yàn)裝置的油去除率 (離解出的油濃度與初始油濃度的比值)接近90%,水樣已達(dá)到污水綜合排放三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由于反應(yīng)初始階段空化的除氣效應(yīng),即,溶解在廢水中的空氣在空化初期使得水樣壓力減小,空化氣泡數(shù)量陡增,空化強(qiáng)度大大加強(qiáng);另一方面,反應(yīng)初期水樣油濃度較大,油粒分子間相互碰撞比較頻繁,使得油水界膜遭破壞、油珠微粒相互接近并聚集成大油滴的幾率增大,因而離解出的油滴量增幅較大。

        3.2 進(jìn)口壓力對(duì)水樣油濃度的影響

        處理時(shí)間為60分鐘,進(jìn)口壓力與水樣油濃度的關(guān)系如圖3所示。由圖可知,油濃度隨進(jìn)口壓力增大而降低,在進(jìn)口壓力為4atm左右時(shí),油濃度達(dá)到最低,離解效果最佳;這是由于隨著進(jìn)口壓力增大,進(jìn)入到高剪切力區(qū)域和高紊流區(qū)域的射流容積量增加,導(dǎo)致空化產(chǎn)生量增大,整體空化效應(yīng)增強(qiáng),離解效果也更好。但壓力增得過大時(shí),液流的紊動(dòng)強(qiáng)度劇烈,使得儲(chǔ)罐上層水溶液過多參與反應(yīng),大量被離解出的大分子油滴被重新乳化,同時(shí)超空化的產(chǎn)生也使得廢水的離解效果反而變差,因而當(dāng)壓力大于4atm時(shí),孔板1條件下廢水離解效果變化不明顯,孔板2條件下的水樣油濃度略有升高。

        3.3 空化數(shù)對(duì)水樣油濃度的影響

        空化數(shù)是無量綱參數(shù),其物理意義是:

        空化數(shù)=抑制空化產(chǎn)生的力/促使空化出現(xiàn)的力

        對(duì)于具體的液流系統(tǒng),空化數(shù)可定義為:

        其中,P2是孔板下游恢復(fù)壓力,Pv是在儲(chǔ)罐液體溫度下的液體飽和蒸汽壓力,Vth是孔板處液流速度。Vth可通過連續(xù)方程求?。篞=Vth·Ath=V2·A

        即,Vth=V2·A/Ath=V2/β0

        V2是孔板下游液流穩(wěn)定后的流速,假定管道內(nèi)壁足夠光滑,且孔板下游管道長度不大,沿程阻力損失可忽略,則V2可近似為出口端流速。通過進(jìn)口壓力調(diào)節(jié)水樣的出流速度,進(jìn)而推算出不同的空化數(shù)。

        處理時(shí)間為60分鐘,空化數(shù)與水樣油濃度的關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出,空化數(shù)越低,經(jīng)處理的水樣油濃度越低,在空化數(shù)為0.2左右時(shí)達(dá)到最低,因?yàn)榭栈瘮?shù)越低,流經(jīng)孔板的液流產(chǎn)生的空化氣泡越多,越易聚集生成更大的空化氣泡,空化也更為劇烈,含油廢水的除油率也就越高;但另一方面,空化數(shù)過低,易產(chǎn)生超空化現(xiàn)象,同時(shí),由于系統(tǒng)壓力升得過高,液流流經(jīng)孔板時(shí)受阻而產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)也顯現(xiàn)出來,這都導(dǎo)致了油滴離解效果變差。

        3.4 孔板結(jié)構(gòu)特性對(duì)水樣油濃度的影響

        從油濃度與處理時(shí)間關(guān)系圖和油濃度與進(jìn)口壓力關(guān)系圖可知,孔板2對(duì)水樣的離解效果好于孔板1。這是由于孔板2的過流面積及單孔面積都比較小,在進(jìn)口壓力一定的條件下,孔板處液流的紊動(dòng)強(qiáng)度更大,產(chǎn)生的剪切力更高,加劇了空化氣泡的潰滅;另一方面,由于孔板2的孔洞數(shù)量較多,穿越孔洞形成的高剪切區(qū)分布更為均勻,空化產(chǎn)生的區(qū)域更廣。

        在圖4中,空化數(shù)為0.15~0.2時(shí),孔板2處理的含油廢水離解效果受超空化的影響比孔板1要小得多;在0.2~0.25的空化數(shù)區(qū)間上,兩種多孔板都顯示了較好的空化性能,且孔板1略優(yōu)于孔板2,但在過流系數(shù)β0較低的條件下,由于大量的空穴進(jìn)入剪切層和高紊流區(qū),使得空穴潰滅更為劇烈,孔板2在較低的進(jìn)口壓力條件下就能獲得與孔板1相同的空化數(shù),其能效比要低得多,體現(xiàn)出較好的經(jīng)濟(jì)性;孔板1還存在空化數(shù)大于0.25的區(qū)間,在該區(qū)間上,空化不易發(fā)生,空化活動(dòng)不劇烈,含油廢水的離解效果差。

        4.結(jié)論

        (1)空化射流對(duì)含油廢水進(jìn)行離解處理,效果是明顯的;廢水經(jīng)較短時(shí)間處理能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),處理效率較高。

        (2) 該實(shí)驗(yàn)條件下,進(jìn)口壓力為4atm、空化數(shù)為0.2左右時(shí),含油廢水的處理效果較為理想,經(jīng)60min處理后能達(dá)到二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

        (3)孔洞分布較為均勻,過流系數(shù)β0較小的孔板有利于廢水的處理,還能有效地抑制超空化問題對(duì)油滴離解產(chǎn)生的負(fù)面影響。

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