張怡青 ，陳家慶* ，丁國棟 ，蔡小壘

(1.北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，北京 102617； 2.深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點實驗室，北京 102617)

微細(xì)氣泡通常指液相中粒徑小于100 μm的氣泡，其具有比表面積大、上浮速度慢、表面帶電荷、傳質(zhì)效率高等特性，在化工、環(huán)境、醫(yī)藥等領(lǐng)域都有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和良好的應(yīng)用潛力[1]。按照成泡機理和成泡過程，現(xiàn)有微細(xì)氣泡產(chǎn)生技術(shù)可分為溶氣釋放式、引氣分散式、微孔散氣式、湍流剪切式等，其中溶氣釋放式憑借其成泡平均粒徑小、粒徑分布均勻、成泡密度大等優(yōu)點而在實際工程中得到廣泛應(yīng)用[2]。溶氣釋放式微細(xì)氣泡發(fā)生系統(tǒng)主要由溶氣設(shè)備和溶氣釋放設(shè)備組成，其中溶氣設(shè)備在加壓條件下促進氣體溶解進而產(chǎn)生飽和溶氣水，溶氣釋放設(shè)備使飽和溶氣水消能降壓釋氣并生成微細(xì)氣泡。鑒于產(chǎn)生飽和溶氣水是高效釋氣的前提，因此溶氣設(shè)備長期以來得到了更多關(guān)注，在結(jié)構(gòu)外廓上出現(xiàn)了立罐、臥罐、管段等形式，內(nèi)部組件出現(xiàn)了靜態(tài)規(guī)整填料、固定擾流元件等。筆者將從溶氣基礎(chǔ)理論入手，通過分析提高溶氣效率的方式方法，對各種溶氣設(shè)備進行歸納總結(jié)和梳理對比，進而系統(tǒng)總結(jié)溶氣性能的評價指標(biāo)及研究方法，以期為溶氣設(shè)備選型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等工作提供參考，同時促進高性能溶氣設(shè)備的自主研發(fā)進程。

1 溶氣機理及其理論模型的演化

溶氣過程是一個復(fù)雜的氣液兩相傳質(zhì)過程，研究氣液傳質(zhì)機理對于設(shè)計新型高效溶氣設(shè)備具有重要指導(dǎo)意義。迄今已有不少學(xué)者通過實驗或模擬手段對氣液兩相傳質(zhì)過程進行了大量研究，使得氣液傳質(zhì)理論日趨完善。

1.1 經(jīng)典傳質(zhì)理論

1803年，英國物理學(xué)家和化學(xué)家William Henry在研究氣體在水中的溶解度規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，氣體在水中的溶解度與氣體分壓成正比[3]，稱為亨利定律(Henry’s law)。德國生理學(xué)家Adolf Eugen Fick對氣體在鹽水溶液中的擴散過程進行了研究，并在其1855年發(fā)表的3篇論文中引入了擴散系數(shù)的定義，所提出的描述擴散通量與濃度梯度之間的關(guān)系也被稱為菲克擴散定律[4-5]。根據(jù)菲克擴散定律，氣體在水中的溶解速率與單位體積溶液的表面積和氣相濃度差成正比，相應(yīng)的傳質(zhì)速率方程為:

N=K×Δ

(1)

式中：N表示傳質(zhì)速率；K表示傳質(zhì)系數(shù)；Δ表示傳質(zhì)推動力。

采用傳質(zhì)速率方程解決實際問題的關(guān)鍵在于求解傳質(zhì)系數(shù)K，不少學(xué)者相繼提出了一些理論模型。如1904年，德國物理學(xué)家和化學(xué)家Walther Nernst對氣液傳質(zhì)過程進行數(shù)學(xué)描述并提出膜模型(又稱停滯膜模型)[6]。1923年，美國麻省理工學(xué)院教授W. K. Lewis和W. G. Whitman在此基礎(chǔ)上提出了氣體吸收的雙膜理論，認(rèn)為傳質(zhì)系數(shù)與流體表面薄膜層的厚度成正比[7-8]。1935年，美國學(xué)者Ralph Higbie則提出了溶質(zhì)滲透理論，該理論將相際傳質(zhì)看成一個動態(tài)過程，假定液面由無數(shù)微小的流體單元組成，每個單元在與氣相接觸某一短暫時間(θ)后被來自液相主體的新單元取代，其傳質(zhì)系數(shù)與氣液分子接觸時間有關(guān)[9]。1951年，英國劍橋大學(xué)的P. V. Danckwerts對溶質(zhì)滲透模型進行了修正并提出了表面更新模型[10-11]。該模型通過設(shè)定一個時間區(qū)間范圍并提出流體微元在界面處存在年齡分布函數(shù)和流體微元表面更新率。上述理論涉及的氣液傳質(zhì)系數(shù)表達式如表1所示。

表1 經(jīng)典傳質(zhì)理論氣液傳質(zhì)系數(shù)表達式Table 1 The expression of traditional gas-liquid mass transfer coefficient

總的來看，上述經(jīng)典氣液吸收傳質(zhì)模型揭示了氣液傳質(zhì)作用機理及影響因素，如溶氣壓力、溫度、氣液接觸面積、液膜厚度、氣液接觸時間、表面更新率等。但是，這些理論僅能從宏觀尺度上指導(dǎo)溶氣設(shè)備的設(shè)計，較難定量揭示溶氣罐溶氣效率的提升情況，對于微觀尺度上的某些復(fù)雜流動狀態(tài)和傳質(zhì)特征則無法提供理論解釋。

1.2 經(jīng)典傳質(zhì)理論的改進

針對經(jīng)典傳質(zhì)理論的不足，學(xué)者們通過實驗及理論推導(dǎo)，提出了更能體現(xiàn)真實傳質(zhì)過程的氣液吸收傳質(zhì)理論，如兼顧雙膜理論和滲透理論的膜-滲透理論、修正的表面更新理論和改進的雙膜理論等。

為了證明膜理論和滲透理論的相關(guān)性，美國卡內(nèi)基理工學(xué)院的H.L.Toor和J.M.Marchello于1958年提出了膜-滲透理論，指出氣液表面存在著新舊元素的更替，并且氣液傳質(zhì)過程是由滲透階段和膜傳遞階段共同構(gòu)成。其中向新元素的轉(zhuǎn)移遵循滲透理論，向舊元素的轉(zhuǎn)移遵循雙膜理論，而處于新舊之間的元素則兼具這2種理論的特點[12-13]。1964年，美國紐約大學(xué)的William E. Dobbins根據(jù)膜滲透理論也提出了一個包含2個模型參數(shù)(即膜厚δ和表面停留時間θ)的傳質(zhì)方程[14]。在表面更新理論方面，美國伊利諾伊大學(xué)的D.D.Perlmutter認(rèn)為，從液相主體到相界面的流動滿足多個串聯(lián)容量，并于1961年提出了“多容量效應(yīng)”概念[15]。除此之外，大連理工大學(xué)的沈自求等[16]于1980年也對表面更新理論進行了修正，通過結(jié)合表面更新概念與瞬時非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)而提出了穿透點模型。Wang Jinfu等[17]在1994年基于經(jīng)典雙膜理論和滲透理論，建立了兩相流體傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，并提出了非穩(wěn)態(tài)雙膜理論。

與經(jīng)典傳質(zhì)理論相比，改進理論主要通過結(jié)合多種理論模型分區(qū)域、分時段地研究了氣液傳質(zhì)的各個過程，得到了更貼合實際的傳質(zhì)系數(shù)表達式。相關(guān)傳質(zhì)系數(shù)表達式如表2所示。

表2 改進后的氣液傳質(zhì)系數(shù)表達式Table 2 The expression of modified gas-liquid mass transfer coefficient

1.3 渦流理論

早期經(jīng)典傳質(zhì)理論并未考慮強湍流作用對相界面?zhèn)髻|(zhì)過程的影響，自20世紀(jì)60年代開始，研究者們將質(zhì)量傳遞和動量傳遞結(jié)合起來研究相界面?zhèn)髻|(zhì)過程，并據(jù)此提出了2種典型的湍動旋渦模型：旋渦擴散模型和旋渦池模型。

1962年，美國芝加哥大學(xué)的Levich V G以對流擴散方程為基礎(chǔ)，根據(jù)流體質(zhì)量傳遞與動量傳遞的類似性提出了旋渦擴散模型[19]。該模型將“分子擴散”與“旋渦擴散”相結(jié)合，并引入德國學(xué)者L.Prandtl的半經(jīng)驗紊流理論——混合長度理論(mixing length theory)，進而得到傳質(zhì)系數(shù)的表達式。1974年，英國伯明翰大學(xué)化學(xué)工程系的Davies J T通過實驗驗證了Levich V G的觀點[20]。旋渦池模型中考慮了近界面處湍流旋渦對對流傳質(zhì)的控制作用，通過耦合對流擴散方程得到旋渦的濃度場分布和傳質(zhì)系數(shù)，其可分為大渦模型、小渦模型以及單渦模型。英國劍橋大學(xué)彭布羅克學(xué)院的Fortescue G E和Pearson J P A在1967年提出大渦模型，認(rèn)為在湍流場中對質(zhì)量傳遞起控制作用的是大尺度的焓能渦[21]。加拿大滑鐵盧大學(xué)的Lamont J C和Scott D S則認(rèn)為在充分發(fā)展的湍流場中，對傳質(zhì)起控制作用的是湍流場中最小的黏性耗散渦，于1970年提出小渦模型[22]。小渦模型是對大渦模型的一個擴展，考慮了湍流結(jié)構(gòu)中不同波數(shù)渦對傳質(zhì)系數(shù)(kL)的影響，并將湍流動能耗散速率(ε)與傳質(zhì)系數(shù)(kL)相關(guān)聯(lián)，應(yīng)用起來更加方便。但是，關(guān)于究竟是哪種尺度的渦旋控制著傳質(zhì)過程仍然存在爭議。在大渦模型和小渦模型的基礎(chǔ)上，美國賓夕法尼亞大學(xué)的Lee Y H和Luk S于1982年將傳質(zhì)機理研究深入到單個旋渦，提出了單渦模型[23-24]。該模型假定氣液自由界面液相側(cè)由一連串各向同性、大小不同的旋渦組成，盡管整個傳質(zhì)過程為非穩(wěn)態(tài)，但單個旋渦內(nèi)的傳質(zhì)是穩(wěn)態(tài)的。湘潭大學(xué)化工學(xué)院化工過程模擬與強化團隊[25]于2002年基于單渦模型和二維穩(wěn)態(tài)機理，結(jié)合湍流特點和能譜函數(shù)，建立了一個關(guān)于能量耗散率、湍流強度、液體焓能渦尺度及Kolmogorov尺度等特征參數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)內(nèi)在關(guān)系的新模型，采用理論估算代替實驗測量，從而能夠快速準(zhǔn)確地預(yù)測傳質(zhì)系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，湘潭大學(xué)化工學(xué)院化工過程模擬與強化團隊[26]在2011年基于寬能譜渦流接觸概念和各向同性湍流理論，成功建立了非穩(wěn)態(tài)對流擴散機制的氣液界面?zhèn)髻|(zhì)系數(shù)計算模型，能夠在較寬范圍內(nèi)考慮不同大小旋渦對傳質(zhì)的作用；2015年，該團隊結(jié)合氣泡與流體微元的相互作用和非穩(wěn)態(tài)對流擴散方程提出了一個新的傳質(zhì)系數(shù)模型，考慮了旋渦大小、旋渦數(shù)密度、氣泡尺寸、氣泡變形與振動等因素對傳質(zhì)的影響，且基于氣泡表面變形與振動的動力學(xué)概念推導(dǎo)了不同尺度旋渦抵達表面的頻率密度分布[27]。該模型與實際過程更加接近，不足之處是忽略了切向擴散對傳質(zhì)系數(shù)的影響。2020年，該團隊從單流體溶質(zhì)濃度守恒方程出發(fā)，建立了一個同時考慮兩相界面處法向和切向濃度梯度的溶質(zhì)濃度輸運方程，并將方程進行簡化，得到一個新的傳質(zhì)模型[28]。

基于渦流理論的傳質(zhì)模型如表3所示。學(xué)者們目前已逐漸將研究重點放到探究旋渦速度、旋渦大小、湍流動能耗散率、單渦長度等因素對傳質(zhì)速率的影響規(guī)律。希望通過定量描述傳質(zhì)系數(shù)大小，助力溶氣設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計。

表3 基于渦流理論的氣液傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式Table 3 Correlation equation of gas-liquid mass transfer coefficient based on vortex theory

綜上所述，氣液傳質(zhì)理論的研究目前已經(jīng)進入微觀尺度，這為溶氣設(shè)備的設(shè)計改進提供了一定依據(jù)。在進行溶氣設(shè)備操作條件的篩選時，可以根據(jù)傳質(zhì)系數(shù)的相關(guān)理論推導(dǎo)公式定義評價指標(biāo)，并通過改變影響傳質(zhì)速率的因素進行實驗設(shè)計。

2 溶氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)分類與演化

早期的溶氣設(shè)備只是一個簡單的立式空罐結(jié)構(gòu)，也因此被稱為壓力溶氣罐或飽和容器(Saturator)。隨著人們對溶氣機理認(rèn)識的不斷深化，出現(xiàn)了各種不同結(jié)構(gòu)形式的溶氣設(shè)備?？v觀近年來國內(nèi)外出現(xiàn)的溶氣設(shè)備，可以根據(jù)溶氣方式與結(jié)構(gòu)特點劃分為填料式、射流式、內(nèi)筒溢流式、旋流式和渦流式等5大類。

2.1 填料式溶氣設(shè)備

填料式溶氣設(shè)備利用規(guī)整填料增大罐內(nèi)氣液兩相的接觸面積，進而提升溶氣效率。20世紀(jì)80年代初期，同濟大學(xué)陳翼孫教授等圍繞噴淋式溶氣設(shè)備所開展的研究工作在國內(nèi)最具代表性，如圖1(a)所示，立式罐體中間填充了由階梯環(huán)構(gòu)成的規(guī)整填料床層，水從罐體頂部中心噴淋下落時，與同從頂部進入的氣體在填料床層形成交換界面而使氣體溶于水中。同濟大學(xué)研究團隊還建立了以液相過流密度和液相總?cè)萘總髻|(zhì)系數(shù)為設(shè)計參數(shù)的填料式溶氣罐設(shè)計方法[29-30]。無錫工源環(huán)境裝備技術(shù)有限公司[31]于2015年對立式填料式溶氣罐進行改進設(shè)計，如圖1(b)所示，除繼續(xù)采用規(guī)整填料提高氣液兩相的接觸面積外，還在罐底增設(shè)了超聲波發(fā)生器。利用超聲波空化作用產(chǎn)生微小氣泡促進氣相的溶解。

圖1 填料式溶氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of packing dissolved air equipment

勝利油田勝利勘察設(shè)計研究院于2011年設(shè)計了一種臥式填料型溶氣罐，主要由聚結(jié)填料、進水管、出水管、進氣管組、排污管、集水管、噴水管、放氣閥等組成，如圖2所示[32]。與立式罐體相比，臥式罐體顯著增大了氣液兩相的宏觀相界面面積，液位控制更加容易。除采用聚結(jié)填料層外，進水管末端水平段采用微米級噴水孔將液體分散成微細(xì)液滴，并通過微孔介質(zhì)將進氣均勻分散成微小氣泡，進一步增大氣液接觸表面積。

圖2 臥式填料型溶氣罐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of horizontal packing type dissolved air tank

2.2 射流式溶氣設(shè)備

射流式溶氣設(shè)備的典型特征是在罐體進水部位安裝有射流器，水流經(jīng)射流器時產(chǎn)生負(fù)壓而抽吸空氣，管內(nèi)高速水流與吸入的空氣相互滲混、切割，一方面增強液體紊動，降低液膜厚度；另一方面增大氣液接觸面積，使氣液溶解得更加充分。罐體結(jié)構(gòu)也可分為立式和臥式2種。

江蘇賽歐環(huán)保設(shè)備有限公司于2016年設(shè)計的立式射流溶氣罐如圖3(a)所示。原水經(jīng)過射流器上端的射流管噴入罐體，進水口兩側(cè)均設(shè)置有吸氣口，壓縮空氣從罐體側(cè)壁進入后經(jīng)吸氣口沿空氣循環(huán)管道進入上方射流器出水口，與水充分接觸。氣液兩相混合物從圓錐孔經(jīng)喉管進入罐體，溶氣效率高達95%[33]。江蘇金潤環(huán)保工程有限公司于2017年設(shè)計的立式射流溶氣罐如圖3(b)所示。其利用射流器促進氣液兩相混合，并在高壓高流速下提高溶氣效率[34]。與賽歐環(huán)保保設(shè)備有限公司所述產(chǎn)品的不同之處在于，后者在錐形噴嘴內(nèi)加裝螺旋狀導(dǎo)流板，通過耦合旋流場提高液滴的碎化程度進而提升溶氣效率。

圖3 立式射流溶氣罐的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of vertical jet dissolved air tank

近年來，臥式結(jié)構(gòu)射流溶氣罐在氣浮設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)已較為普遍[35-37]。無錫工源環(huán)境裝備技術(shù)有限公司于2015年提出的防結(jié)垢溶氣罐如圖4(a)所示。該防結(jié)垢溶氣罐進水管位于罐體右側(cè)T形連接管一側(cè)，原水經(jīng)泵送增壓并通過射流器進入溶氣罐。射流器的工作壓力為0.4 MPa左右，抽吸空氣溶入水中形成飽和溶氣水。T形連接管另一端設(shè)有超聲波發(fā)生器，利用超聲波一方面剝離溶氣罐內(nèi)壁附著的污垢；另一方面將水中大氣泡破碎為數(shù)量眾多的微小氣泡。該公司提出的另外一種射流溶氣罐如圖4(b)所示。通過內(nèi)置2個在罐體中心軸線上方平行等高放置的射流器和1個平行布置在射流器下方的擋板，強化空氣和水的溶解。該公司提出的另外一種射流溶氣罐如圖4(c)所示。與前2種結(jié)構(gòu)的不同之處在于：①射流器設(shè)置在罐體外部，與設(shè)在罐內(nèi)相比能夠增大引氣量；②氣水分離板的“淺層沉降”設(shè)計模式有助于未溶解的氣體快速逸出，確保了溶氣水的穩(wěn)定性；③在罐體外側(cè)安裝有電磁閥，能有效防止高壓水泵停轉(zhuǎn)后，溶氣水從溶氣罐回流、溢出。該公司基于上述3種專利結(jié)構(gòu)推出了相應(yīng)產(chǎn)品，據(jù)稱溶氣效率可達90%以上。

圖4 3種臥式射流溶氣罐的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of three types horizontal jet dissolved air tanks

2.3 內(nèi)筒溢流式溶氣設(shè)備

內(nèi)筒溢流式溶氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)相對簡單，主要通過增設(shè)內(nèi)筒組件增大溶氣時間和表面更新速率來提升溶氣量，目前代表性的研究單位主要有德國拜耳公司和日本神戶大學(xué)。

德國拜耳公司2007年提出的高效溶氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖如圖5所示，其主體結(jié)構(gòu)由立式外筒、溢流內(nèi)筒、射流噴嘴、液位指示器(LIC)等組成。工作過程中，首先通過固定安裝在外筒上部端蓋處的射流噴嘴向設(shè)備內(nèi)注入高壓水，帶壓氣體基于文丘里效應(yīng)被負(fù)壓吸入到筒內(nèi)，然后高壓水出流攜帶氣體射流撞擊到中心溢流內(nèi)筒中，形成劇烈的氣液混合流。氣液混合流不斷撞擊內(nèi)筒筒底壁面又被彈回，產(chǎn)生強剪切應(yīng)力將未溶解的大氣泡進一步剪切撕裂成較小氣泡，形成的泡沫流從內(nèi)筒上方溢出進入內(nèi)外筒之間的環(huán)形空間時氣液接觸界面得以更新，進一步增大氣體的溶解量，據(jù)稱溶氣效率可達90%以上。此外，可通過液位指示控制器(LIC)使溶氣水排放量和進水流量之間合理匹配，將內(nèi)外筒環(huán)形空間的液位始終控制在約一半筒體高度的位置[38]。

圖5 德國拜耳公司的內(nèi)筒溢流式溶氣設(shè)備Fig.5 The dissolution tank with vertical inner cylinder from Bayer Technology Services

日本神戶大學(xué)Shigeo Hosokawa等2009年所設(shè)計內(nèi)筒溢流式溶氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖與實物圖如圖6所示。雖然該設(shè)備也主要包括立式外筒和溢流內(nèi)筒等，但水和氣體的進入部位以及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)都與圖5存在較大區(qū)別，不僅溢流內(nèi)筒的體積較大，而且通過圓環(huán)形隔板的支撐隔離作用，溢流內(nèi)筒底部實際上與外筒下部區(qū)域保持連通。工作過程中，水相與氣相在外筒下部區(qū)域以對撞流的方式進行混合，形成的氣液混合流沿著內(nèi)筒向上流動，通過內(nèi)筒上端的圓環(huán)狀凸緣溢流到內(nèi)外筒之間的環(huán)空區(qū)域。在此過程中，未溶解的氣體通過外筒上端蓋上的排氣口逸出，溶氣水則通過環(huán)空區(qū)域下方的溶氣水出口流出。通過控制進出水流量，使得環(huán)空區(qū)域的液位始終保持在較低水平(一般小于外筒高度的1/2)。日本神戶大學(xué)基于該設(shè)備開展的室內(nèi)實驗研究結(jié)果表明，溶氣效率可達80%以上，但尚未見到工程應(yīng)用方面的報道[39-41]。

圖6 日本神戶大學(xué)內(nèi)筒溢流式溶氣設(shè)備Fig.6 The dissolution tank with vertical inner cylinder from Kobe University

2.4 旋流式溶氣設(shè)備

旋流式溶氣設(shè)備中利用螺旋導(dǎo)葉片或者切向入口引入旋流，在增大氣液接觸面積、提高有效溶氣時間的同時，增強湍流傳質(zhì)。按結(jié)構(gòu)特征可分為管式和罐式2種。

2.4.1 旋流式溶氣管

20世紀(jì)70年代，著名水處理工程技術(shù)專家Milos Krofta博士在推出超效淺層氣浮系統(tǒng)的過程中，提出了溶氣管溶氣水產(chǎn)生技術(shù)，也是超效淺層氣浮系統(tǒng)的三大核心之一，Krofta Engineering、Krofta Waters International(KWI)、KWI International等關(guān)聯(lián)公司至今仍在使用該技術(shù)。DAF Corp公司甚至將其作為一種獨立的微細(xì)氣泡發(fā)生設(shè)備并冠以溶氣管或空氣混合管(Air Mixing Tube， AMT)的名稱進行銷售，目前能夠提供11種不同規(guī)格，處理量在0.23～681.37 m3/h之間。溶氣管通常采用臥式安裝，裝有入口噴嘴的進水管設(shè)計成彎曲的牛角道式插進溶氣管內(nèi)，水流經(jīng)過加壓后在溶氣管內(nèi)呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，如圖7所示。溶氣管內(nèi)對稱安裝2塊矩形微孔板，壓縮空氣以0.65～0.7 MPa的壓力進入矩形微孔板與溶氣管內(nèi)壁之間的弧形空間，通過微孔板被切割成細(xì)小氣流，然后在劇烈擾動的情況下與加壓水混合、溶解?？諝庠谌軞夤軆?nèi)最終以2種形式存在：一種以溶解態(tài)分布在水中；另一種以游離態(tài)微細(xì)氣泡的形式夾裹、混合在水中，大粒徑氣泡在渦流中收集后通過放空管線排出。氣水混合物在溶氣管中的停留時間約8～12 s，然后從另一端的出水管排出，溶氣管的容積利用率接近100%[42]。當(dāng)然，細(xì)究之下不難發(fā)現(xiàn)，ADT主要采用“氣體微孔分散+旋流沖刷”2種方式增大氣液接觸面積，有利于實現(xiàn)高效溶氣，但微孔板的存在會在一定程度上影響管內(nèi)連續(xù)旋流場的形成。

圖7 Milos Krofta博士發(fā)明的溶氣管(ADT)Fig.7 Air Dissolving Tube (ADT) invented by Dr. Milos Krofta

20世紀(jì)90年代Krofta氣浮系統(tǒng)作為造紙生產(chǎn)線的附屬設(shè)備一起被引進國內(nèi)后，ADT溶氣管也受到了國內(nèi)環(huán)保設(shè)備企業(yè)的關(guān)注。無錫滬東麥斯特科技股份有限公司2001年申請了溶氣管結(jié)構(gòu)專利，為了減小對管內(nèi)連續(xù)旋流場的影響，在徑向方向上間隔設(shè)置4個短小微孔布?xì)獍鍋泶鍭DT溶氣管內(nèi)整體較長的微孔布?xì)獍?，如圖8(a)所示[43]。2017年又提出了高效空氣溶解裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，如圖8(b)所示?；亓魉苌蠈捪抡奶厥庠O(shè)計使得原水進入管內(nèi)形成高速螺旋噴射流，將整體較長微孔布?xì)獍逶O(shè)置在管體中心軸線位置，進一步減小了對管內(nèi)連續(xù)旋流場的影響。螺旋噴射流與微孔布?xì)獍鍑娚涞目諝獯怪鼻懈?，能夠達到空氣在水中的最大溶解率[44]。

圖8 無錫滬東麥斯特科技股份有限公司設(shè)計的溶氣管結(jié)構(gòu)Fig.8 The structure of dissolved air tube designed by Wuxi Hudong Meister Technology Co.

無錫工源環(huán)境裝備技術(shù)有限公司也圍繞溶氣管開展了相關(guān)設(shè)計研究，2015年提出了4種不同結(jié)構(gòu)形式的旋流式溶氣管[45-48]?！皟?nèi)置超聲波發(fā)生器+無軸空心螺旋葉片”結(jié)構(gòu)如圖9(a)所示，溶氣管內(nèi)安裝有無軸空心螺旋葉片，并與溶氣管內(nèi)壁密封相切，使得水進入罐體內(nèi)后呈螺旋運動，提高氣液接觸混合時間。無軸空心螺旋葉片表面開有聯(lián)通的錐形通孔，通孔錐角為30～35°，分布均勻呈矩形狀。高壓空氣經(jīng)通孔后被分散成細(xì)小氣泡，并在超聲波發(fā)生器的空化作用下被破裂成體積更小、數(shù)量更多的微小氣泡，進一步增大了氣液接觸面積。“內(nèi)置雙超聲波發(fā)生器+有軸空心螺旋葉片”結(jié)構(gòu)如圖9(b)所示，其特點是在溶氣管軸心處增設(shè)了空心支撐軸，螺旋葉片安裝固定在支撐軸上，空心支撐軸上和螺旋葉片表面都均勻分布了分散空氣的圓柱形通孔，從而提高了氣液間的有效接觸面積。溶氣管首尾兩側(cè)均安裝有超聲波發(fā)生器，用以提高氣泡的碎化程度，從而進一步增大氣液接觸面積?！皟?nèi)置等徑有軸螺旋葉片”的結(jié)構(gòu)如圖9(c)所示，通過增大螺旋葉片的高度而使葉片邊緣與管內(nèi)壁密封相切，且均勻分布了45～50°的錐形通孔，增大了液相在螺旋通道內(nèi)的旋流強度，但同時去掉了管內(nèi)超聲波發(fā)生器。“內(nèi)置超聲波發(fā)生器+等徑有軸空心螺旋葉片”結(jié)構(gòu)如圖9(d)所示，螺旋葉片的徑向外緣面與罐體內(nèi)壁面貼合密封，而螺旋葉片內(nèi)緣面與支撐軸外緣面間存在間隙，支撐軸兩端通過安裝固定件防止葉片滑動移位。超聲波空化裝置安裝在靠近出水管一側(cè)并且環(huán)繞支撐軸均布，且朝向螺旋葉片圍繞支撐軸所形成的空間。

圖9 旋流式溶氣管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of the swirl dissolved air tube

2.4.2 旋流式溶氣罐

Krofta Waters International(KWI)公司在ADT的基礎(chǔ)上設(shè)計研發(fā)了第3代高效溶氣反應(yīng)器(Air dissolved reactor， ADR)，目前已經(jīng)配套應(yīng)用于氣浮工藝中，并取得了較好的工程應(yīng)用效果，據(jù)稱溶氣效率可以高達99%[49-50]。專利申請結(jié)構(gòu)示意圖如圖10(a)所示，從圖10(a)中可以看出，水從罐體上部切向進入，利用罐內(nèi)上部圓柱面和中心豎直排氣管相應(yīng)高度外圓柱面上固定連接的輻射狀多列排布的實心圓柱小棒，將液體分散為小水滴，有效增加了氣液接觸面積。產(chǎn)品實物圖和產(chǎn)品原理圖分別如圖10(b)、圖10(c)所示。由圖10(b)、圖10(c)中可以看出，外觀輪廓采用上部圓柱體+下部圓錐體組合，這種造型使得上部空間較小而容易被氣體充滿，氣相壓力較大促使氣體溶解，且未溶解氣體能夠及時排出。采用切向進水方式形成旋流，攜帶上部進氣口的空氣在旋流作用下充分接觸，形成的飽和溶氣水最終從下方排出。

圖10 高效溶氣反應(yīng)器(ADR)Fig.10 High efficiency dissolved air reactor (ADR)

國內(nèi)方面，深圳中鐵二局工程有限公司于2010年設(shè)計了一種旋流式溶氣罐，其結(jié)構(gòu)如圖11所示，主體由罐體、三層旋流板和兩層擋板等組成[51]。工作過程中，水和空氣都從立式罐體下部進入，在通過旋流板和擋板過程中，不僅氣液接觸混合程度得以加強，而且提高了氣相在罐體內(nèi)的水力停留時間。2020年，無錫滬東麥斯特環(huán)境科技股份有限公司設(shè)計了外觀與KWI公司ADR實物相似的立式溶氣罐，如圖12所示，筒體也采用上部圓柱體+下部圓錐體的結(jié)構(gòu)，以延緩液相流出，增大溶氣時間，并通過切向進水形成旋流分散液體達到增大氣液接觸面積的目的[52]。與ADR的不同之處在于，內(nèi)部增加了由橫管和豎管組成的余氣收集組件，而且在橫管和豎管上分布有若干孔徑3～8 mm的氣相分散孔，將氣體導(dǎo)流到溶氣罐下方使其與水充分接觸。未溶解充分的氣體經(jīng)余氣收集組件回收，返回到進水口處再次溶解，提高了空氣利用率。

圖11 旋流式溶氣罐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.11 Structure diagram of swirl type dissolved air tank

圖12 立式溶氣罐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 The schematic diagram of vertical dissolved air tank

2.5 渦流式溶氣設(shè)備

渦流式溶氣設(shè)備主要利用渦流板或者特殊的孔道分散液體形成旋渦流，產(chǎn)生較強的湍動作用促進氣體溶解。與旋流式溶氣設(shè)備產(chǎn)生螺旋流不同，渦流式溶氣設(shè)備更突出渦旋作用。

2018年，黑龍江吉納森生物工程股份有限公司提出的渦流式結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖13所示，整個設(shè)備設(shè)計成錐體形狀，上端平均分布多個孔道，孔道連通到錐體底部成螺旋式分布，螺旋角度為30～60°[53]。工作過程中，空氣進入錐體后被平均分布各個孔道中，液體被分成旋轉(zhuǎn)的多股細(xì)流，多股細(xì)流匯在一起產(chǎn)生相互碰撞和分散，使空氣均勻溶解于水中。該設(shè)備可直接放入圓管中，清洗方便；而且可以根據(jù)流量工藝要求、圓管直徑和圓管長度大小，放置不同直徑的渦流式溶氣混合器單元。缺點是流道加工難度較大。

圖13 渦流式溶氣混合器Fig.13 Vortex dissolved air mixer

上海佛欣流域環(huán)境治理有限公司于2014年提出了基于磁場和渦流場耦合的強磁渦旋式微細(xì)氣泡發(fā)生器，具體結(jié)構(gòu)如圖14所示[54]。微細(xì)氣泡發(fā)生器內(nèi)布設(shè)渦旋管，并安裝N級強磁磁鋼組和S級強磁磁鋼組，當(dāng)氣液兩相從進水口進入到渦旋管時，由于磁場的作用形成帶電粒子流，加速了氣液分子的碰撞；進而在帶磁場螺旋導(dǎo)葉片的作用下，促使氣體溶解得更加充分。該結(jié)構(gòu)較為新穎，相較常規(guī)渦流式溶氣罐溶氣效果更好。

圖14 強磁渦旋式微細(xì)氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 Structure diagram of strong magnetic vortex type microbubble generator

五類溶氣設(shè)備的工作原理及其優(yōu)缺點如表4所示?？偟膩砜矗谠O(shè)備總體外廓布局設(shè)計上，應(yīng)用較多的仍舊是增大氣液接觸面積、提高表面更新速率等經(jīng)典傳質(zhì)理論。在設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征上則方式各異，部分采用“一專多輔”的復(fù)合型結(jié)構(gòu)或增設(shè)超聲波發(fā)生器等強化傳質(zhì)設(shè)備。

表4 溶氣設(shè)備優(yōu)缺點比較Table 4 Comparison of advantages and disadvantages of dissolved air equipment

3 溶氣設(shè)備性能評價及研究方法

目前，溶氣設(shè)備種類繁多、新興結(jié)構(gòu)層出不窮，科學(xué)、準(zhǔn)確評判各類設(shè)備的溶氣性能成為相關(guān)從業(yè)人員面臨的現(xiàn)實挑戰(zhàn)。在實際工程應(yīng)用中，溶氣效率是最能直接反映溶氣設(shè)備溶氣性能的技術(shù)指標(biāo)，其高低直接決定著運行費用的高低，是研究和優(yōu)化溶氣罐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)依據(jù)[55-57]。為深入探究溶氣罐內(nèi)氣液傳質(zhì)的具體過程，研究者們結(jié)合氣液傳質(zhì)機理又提出了一些新的表征手段及研究方法。

3.1 溶氣效率

溶氣效率是指在一定壓力下溶氣罐內(nèi)實際溶解的氣體量與理論溶氣量的比值。由于實際溶氣量的測量需要在帶壓原位條件下進行，測量難度較大，迄今相關(guān)研究較少，實驗中一般通過測定溶氣水經(jīng)釋放器釋氣成泡后的釋氣量來間接表征實際溶氣量的大小。從工程角度出發(fā)，實際水處理過程中起主要作用的是溶氣水釋放得到的氣體量，而不是溶于水中的氣體量，因此用釋氣量間接表示溶氣效率符合實際情況。對應(yīng)的溶氣效率計算式為：

(2)

式中：η為溶氣效率，%；VG為實際釋氣量，mL/L；Kt為亨利常數(shù)；p為溶氣壓力，MPa。

該方法中釋氣量的測定值受釋放器釋氣性能的影響較大，若釋放器性能不佳易造成釋氣量不完全，從而導(dǎo)致測量值低于實際值，但該方法操作簡單、實際應(yīng)用廣泛。國內(nèi)外針對釋氣量的測量方式有很多種。國外方面，開普敦大學(xué)的J Bratby等1975年提出采用氣體流量計連續(xù)測定釋氣量的方法[58]；美國聯(lián)合碳化物公司的R A Conway等1981年提出液體置換間歇測定釋氣量的方法[59]。連續(xù)測定法需要精密度較高的氣體流量計，國內(nèi)研究學(xué)者大多基于同濟大學(xué)陳翼孫教授提出的間歇法釋氣量測量裝置進行釋氣量測定[29]，目前在該方面的研究已經(jīng)十分成熟。

3.2 傳質(zhì)系數(shù)

溶氣效率能夠反映溶氣設(shè)備的整體性能，但是對于罐體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理化設(shè)計沒有具體化的指導(dǎo)。因此，在溶氣設(shè)備設(shè)計方面尚未形成統(tǒng)一的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或指南供參考，大多設(shè)計都是基于工程經(jīng)驗或參考非標(biāo)壓力容器的設(shè)計方法進行，這種方法缺乏科學(xué)的理論依據(jù)。部分學(xué)者通過建立傳質(zhì)方程將溶氣設(shè)備的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)起來，從而實現(xiàn)溶氣設(shè)備在特定條件下的精細(xì)化設(shè)計。1995年，蘭德阿非利加大學(xué)的Johannes Haarhoff和E. Maritz Rykaart基于擴散理論和雙膜理論建立了填料式飽和溶氣罐的傳質(zhì)速率方程，該方程描述了水力負(fù)荷、填料深度、填料尺寸和溫度等參數(shù)對溶氣罐溶氣效率的影響規(guī)律，能夠指導(dǎo)溶氣罐的設(shè)計[60]。2003年，雅典國立技術(shù)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院的Apostolos G. Vlyssides等[61]對溶氣氣浮系統(tǒng)中壓力容器相關(guān)的傳質(zhì)速率方程進行了推導(dǎo)，將壓力容器的設(shè)計參數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)起來，可以在給定壓力容器特性的情況下，通過改變空氣流量、葉輪轉(zhuǎn)速和壓力等參數(shù)得到傳質(zhì)系數(shù)的大小，為溶氣設(shè)備的設(shè)計提供了有力依據(jù)。

通過將結(jié)構(gòu)參數(shù)與傳質(zhì)系數(shù)進行關(guān)聯(lián)，將得到經(jīng)驗公式用于溶氣設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計，在一定程度上提升了溶氣設(shè)備設(shè)計的準(zhǔn)確性。但是相關(guān)公式僅適用于特定結(jié)構(gòu)，并不具備普適性。隨著計算機技術(shù)及計算流體動力學(xué)(CFD)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬方法能夠在節(jié)約時間和成本的情況下，提前對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行真實流場模擬研究，進而助力相關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在溶氣釋放式微氣泡發(fā)生技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)值模擬方法已廣泛應(yīng)用于釋放器的設(shè)計研究，如2014年西安石油大學(xué)樊玉光教授團隊采用ANSYS FLUENT軟件模擬不同釋放器的壓力場與速度場，并得到壓力釋放速率與釋放器結(jié)構(gòu)的關(guān)系[62]。2017年，該團隊又采用數(shù)值模擬方法對2種不同形式TS型溶氣釋放器的內(nèi)部流場進行對比分析，得到不同壓力和釋放器傾角對氣泡粒徑的影響規(guī)律[63]。但是，在溶氣設(shè)備的設(shè)計研究中，數(shù)值模擬方法尚未得到廣泛應(yīng)用?？紤]到溶氣過程是氣液兩相混合傳質(zhì)的過程，其與吸收塔中氣液吸收、攪拌釜中氣液混合以及微曝氧化溝中氣液兩相傳質(zhì)等過程在本質(zhì)上是相通的，可借鑒建立一套適用于溶氣設(shè)備的數(shù)值模擬方法[64-72]。如在微曝氧化溝中氣液兩相傳質(zhì)研究方面，英國克蘭菲爾德大學(xué)的Pawel Gancarski 2007年對污水處理氧化溝設(shè)備內(nèi)溶解氧的運輸與分布進行了數(shù)值模擬研究，通過用戶自定義函數(shù)(UDF)建立溶解氧傳質(zhì)模型，最終得到了溶解氧在氧化溝內(nèi)的分布情況[73]。2009年，華中科技大學(xué)楊家寬教授團隊基于ANSYS FLUENT軟件對氧化溝內(nèi)曝氣轉(zhuǎn)碟和水下推進器進行模擬，通過建立氣液兩相流動模型和溶解氧輸運模型，獲得了氧化溝內(nèi)的流場特性以及溶解氧分布情況[74]。2013年，該團隊基于兩相流模型對氧化溝進行氣固液三相模擬探索，采用用戶自定義標(biāo)量(UDS)對溶解氧的分布進行模擬[75]。2016年，北九州大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院的Mitsuharu Terashima等利用希格比滲透理論建立溶解氧輸運模型，對不同曝氣池內(nèi)的氧傳質(zhì)系數(shù)進行了模擬，發(fā)現(xiàn)氣泡尺寸對曝氣器的氧體積傳質(zhì)系數(shù)影響顯著[76]。2018年，中國海洋大學(xué)尹則高教授團隊等結(jié)合RANS方程、標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程和VOF技術(shù)，建立了間歇曝氣的二維溶解氧輸送數(shù)學(xué)模型，研究了不同水力條件下的氧傳質(zhì)特性[77]。2019年，大連理工大學(xué)劉鳳霞教授團隊基于氣-液兩相流動模型耦合希格比滲透理論傳質(zhì)模型建立了微曝氧化溝的溶解氧傳質(zhì)模型，模擬得到了氧傳質(zhì)系數(shù)的大小，并進行了實驗驗證[78]?；诖?，筆者所在的環(huán)保多相流高效分離技術(shù)與設(shè)備研究團隊2020年在設(shè)計新型溶氣罐時，將溶解氧傳質(zhì)模型通過用戶自定義函數(shù)(UDF)嵌套進多相流模型的動量方程源項中，從而在模擬溶氣設(shè)備內(nèi)流場流動特征的同時，定量表征氧傳質(zhì)的性能[79]。

綜上所述，除了采用溶氣效率進行溶氣性能表征之外，借鑒傳質(zhì)理論相關(guān)知識探究溶氣設(shè)備內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)的大小更能從本質(zhì)上分析預(yù)測溶氣設(shè)備的流場分布及傳質(zhì)性能，進而為指導(dǎo)溶氣罐結(jié)構(gòu)設(shè)計提供量化描述。

4 結(jié)論

作為溶氣釋放式微細(xì)氣泡發(fā)生技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，溶氣設(shè)備對于整體溶氣效率的提升有著舉足輕重的作用。通過梳理溶氣機理、溶氣設(shè)備結(jié)構(gòu)及性能評價之間的對應(yīng)關(guān)系可知，三者本應(yīng)相輔相成，但迄今溶氣機理的研究及評價方法都未能與溶氣設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新緊密結(jié)合。

(1)在溶氣機理研究方面，經(jīng)典傳質(zhì)理論及改進理論為溶氣設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定理論依據(jù)，但考慮不夠全面，且增加了許多難以測量的參數(shù)。渦流理論結(jié)合質(zhì)量傳遞和動量傳遞方程從微觀尺度探究了影響傳質(zhì)的因素，但受流體力學(xué)和界面區(qū)熱力學(xué)和動力學(xué)理論發(fā)展的制約，相關(guān)模型還遠(yuǎn)未成熟。因此，后續(xù)研究應(yīng)繼續(xù)重點關(guān)注渦流理論中界面上湍流傳質(zhì)和對流傳質(zhì)作用，建立普適化的過程機理模型，為設(shè)計研發(fā)新型高效溶氣設(shè)備提供理論指導(dǎo)。

(2)在溶氣設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新發(fā)展方面，按溶氣方式和結(jié)構(gòu)特點可分為填料式、射流式、內(nèi)筒溢流式、旋流式和渦流式等五大類。用以提高溶氣設(shè)備溶氣性能的內(nèi)構(gòu)件，已經(jīng)從易堵塞的填料逐漸發(fā)展為專用的流體力學(xué)組件，包括射流器、內(nèi)筒、螺旋導(dǎo)葉片、微孔板、渦流板等。一體化耦合多種單元結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮重力場、超聲場等物理場的協(xié)同作用，實現(xiàn)低能耗高效溶氣是未來溶氣設(shè)備設(shè)計研發(fā)的關(guān)鍵。

(3)在溶氣設(shè)備性能評價及研究方法方面，以溶氣效率作為評判指標(biāo)可以橫向?qū)Ρ雀黝惾軞庠O(shè)備的性能優(yōu)劣。為深入揭示溶氣設(shè)備內(nèi)部流場及傳質(zhì)特征，傳質(zhì)系數(shù)作為表征指標(biāo)的相關(guān)研究得到重視和發(fā)展。通過CFD數(shù)值模擬方法可實現(xiàn)在模擬溶氣設(shè)備內(nèi)流場流動特征的同時，定量表征氧傳質(zhì)的性能，將成為建立多尺度溶氣性能評價方法的重點研究方向。