空气喷射旋流闪浮技术在含油废水处理中的应用研究

1、北京化工大学硕士学位论文空气喷射旋流闪浮技术在含油废水处理中的应用研究姓名：王然申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：张泽廷;赵清民20091130摘要空气喷射旋流闪浮技术在含油废水处理中的应用研究摘要油田开采及加工过程中产生的含油废水的有效处理一直是一大难题。空气喷射旋流闪浮技术将水力旋流器同泡沫浮选结合起来，具有分离效率高、占地面积小、处理能力大和运行成本低等特点，广泛应用于废纸纸浆脱墨和细粒煤浮选，但在含油污水方面的研究甚少。本论文针对空气喷射旋流闪浮技术应用于油水分离方面存在的问题，采用自行设计的空气喷射旋流闪浮器开展探索性试验研究，优化结构参数和操作参数，探讨除油机理，分析流场分

2、布特征，为开发新一代高效油水分离旋流器奠定基础。在查阅大量国内外相关文献的基础上，自行研制了由空气喷射旋流闪浮试验装置，主要结构参数确定为：烧结型钛多孔管平均孔径，厚度；采用单切向进料口，直径与旋流器直径之比为；底流口为环形，当量直径与旋流器直径之比为；溢流管直径与旋流器直径比值范围为；长径比：。通过测定模拟污水的粒径分布和含油浓度，验证了小型试验系统的可行性。通过试验研究，考察了空气喷射旋流闪浮器的主要结构参数和操作参数对系统除油效率的影响，实验结果表明，除油效率随底流口当量直径、充气量、溢流管直径、溢流管插入深度的变化曲线均存在最大值，最佳参数组合为底流口当量直径、充气量、溢流管内径、溢流

3、管插入深度，此时除油效率为。底流口当量直径是影响分离器除油效果的重要因素。加入破乳剂有利于除油效率的提高。本试验条件下的无量纲速度准数矿，与文献报道基本相符。关键词：空气喷射旋流闪浮技术，含油污水，除油效率（）：，由：；，；，北京化工大学工程硕士学位论文：，：，】，：，符弓说明含油浓度，一符号说明直径，长度，除油效率，油滴粒径，压力，速度，一时间，流量，一旋流器总长度，污水粘度，密度，一无因次速度溢流管插入深度，下标：溢流：入口：公称”：底流日矿丁北京化工大学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不

4、含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：王丝日期：之芝：！：三！关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位

5、论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名：垒丝日期：童！：！：三！导师签名：氲室区日期：地芝：！厶圣竺第一章绪论选题背景第一章绪论油田的含油废水广泛存在于石油的开采和加工过程之中，主要来源有油田洗盐废水、采出水、炼油污水、洗井水等。在油田开采和石油加工过程中含油废水的处理一直是一个难题。在二十世纪年代以后，我国陆上主力油田基本上进入了中、高含水这一开采期，油井采出液中的含水率快速增加，原油含水率高达以上。同时原油中含水的危害极大，使处理液晕增大，同时降低了管道、设备的有效利用率，增加输送过程中的动力消耗，引起设备及管道的腐蚀，影响炼油作业的正常进行。世界上一些国家都制定了严格的原油含水的控制

6、指标。我国油田油气集输设计规范规定：合格原油的含水率应不大于，优质原油的含水率应不大于，国外规定不等。多年来油水分离的工艺技术一直在不断的得到开发改进。传统的油水分离设备如沉降罐、隔油池、气浮选罐、过滤罐等因占地面积大、操作复杂，扩容困难使其使用范围受到定限制。此外，炼油装置油水分离器排出的含油污水，也存在水中含油浓度经常超标的问题，对环境造成极大污染。因此，如何有效处理和利用含油污水、提高原油质量，引起人们的高度重视¨。根据空气喷射旋流闪浮技术制造的用于油水分离的闪浮器具有分离效率高、适应范围宽、处理量大、结构简单、占地面积小、操作维护方便、安装方便灵活等突出优点，在处理含油污水方

7、面具有独特的优势。空气喷射旋流闪浮技术的出现油田常用的油水分离技术主要包括离心分离、重力分离、气浮分离、吸附分离、电脱分离、过滤分离、生物处理等，离心分离和气浮分离是其中常用的一种【】。气浮法工艺成熟、处理量大、成本低廉且处理效果好，适用于分散油和乳化油的分离，在国外己用于炼油、化工、制革、造纸、印染、纺织、食品、钢铁、轻工等工业废水和工业用水、城市生活污水、生活用水的处理；在我国，气浮技术己应用于毛纺、印染、造纸、炼油、皮革、化工、酸洗、化纤等领域废水的处理以及低浊、含藻类和受污染水体等方面的净化。但该法具有浮选停留时间较长，浮油处理困难，设备占地面积大和投资费用高的缺点。水力旋流技术在液一

8、液分离领域的研究至今近半个世纪，在液一固分离方面的应用较早，已有一百多年的历史。液一液水力旋流技术最初应用于选矿和采矿，后来应用范围越来越广，逐渐在石油、化工、食品、纺织、环保等行业中成功应用。水力旋流器具有体积小、结构简单、处理能力大和成本低等优点，以动态旋流器和静态旋流北京化人学上羊丌硕上学位论文器为代表。为了提高其工作效率，人们从复合力场的采用和结构的优化入手，对水力旋流器进行过许多改进，并相继研制发明了多种新型水力旋流器，如：磁力水力旋流器，加冲洗水式水力旋流器，锥齿型水力旋流器等等。应用空气喷射旋流闪浮技术制做的闪浮器就是为了减少固相分级时微细粒在底流中的夹杂而发明出来的引。空气喷射

9、旋流闪浮器把离心旋流技术和泡沫浮选技术结合起来，利用了水力旋流器的强离心力场，具有较高的分离能力。由于空气喷射旋流闪浮器具有浮选粒度下限小、处理能力大、浮选时间短、操作费用低以及选择性好等突出优点，它的出现引起了研究者极大的兴趣和关注，人们相继在油水分离、选矿工艺、废水废料整治及废纸纸浆脱墨等多方面进行了空气喷射旋流闪浮器的应用研究，并取得了一定的成果，其中在细粒煤的洗选方面有了成功的工业化的报导。我国从年开始对空气喷射旋流闪浮技术方面进行初步的研究，但全部工作都是针对各种矿物的处理方面，如赤铁矿叫、煤炭等。至今为止，人们仅仅是利用矿用的空气喷射旋流闪浮设备进行研究，在含油污水方面的研究报道较

10、少。研究目的含油污水的有效处理及再利用是一项涉及资源开发和环境保护的重要任务。本论文基于含油污水的处理对于高效油水分离技术的需求，针对油田油水分离存在的实际问题及特点，对空气喷射旋流闪浮器应用于油水分离领域进行初步探索，通过对自行设计的空气喷射旋流闪浮器进行试验研究，优化结构参数及操作参数，为开发旋流和浮选相结合的新一代高效油水分离水力旋流器奠定基础。论文研究具有重要的现实意义以及广泛的应用前景。国内外研究现状利用空气喷射旋流闪浮技术制造听闪浮器是巧妙地将水力旋流分离的流动特征和泡沫浮选结合在一起的一种新型离心浮选设备。它的出现引起了选矿界等的极大兴趣和关注，界内人士认为它是一种先进的细粒快速

11、浮选的设备，近年来，在深入研究气浮技术和液一液旋流分离的基础上，对空气喷射旋流闪浮技术的理论和闪浮器的应用都展开了相应的研究。气浮法油一水分离技术气浮技术的发展历史气浮技术是常用的油一水分离方法。是利用高度分散的微小气泡作为载体粘附废水中的污染物，使其随气泡浮升到水面而加以去除。早在公元年以前，古希腊人就应用浮选过程从脉石中分离所需要的矿物。第一章绪论年发明了使用油从脉石中分离矿物的过程，并取得了专利。年利曰电解法产乍的气泡进行浮选，并最终发展成为电解浮选过程。与此同时，还发明了真空溶气气浮过程，这与现在用在废水处理等方面的溶气气浮过程较为相似。、和在年发明了浮沫选矿法，年，发明了第一台浮沫选

12、矿机。年，利用水下多孔分散器将空气泡导入水中，泡沫选矿法得以实现。浮沫选矿法和泡沫选矿法都可称为诱导浮选法。在水处理领域中，早在年，就考虑用气浮法处理污水，直至年，和发表了关于气浮法用于给水方面的最早的一篇报道。瑞典年建成第一家采用部分回流气浮法的废水处理厂。在南非，年代就开始对气浮进行中试研究，到年代，溶气气浮已得到广泛的应用。芬兰已有三十几家工厂采用溶气气浮过程对饮用水进行处理。溶气气浮技术已广泛地应用于北欧国家、南非、比利时、英国、荷兰、法国、中国、德国、印度、日本等国家和地区。目前，气浮法在国外己用于炼油、化工、制革、造纸、印染、纺织、钢铁、食品、橡胶、轻工、制药等工业废水和工业用水、

13、城市生活污水、生活饮用水的处理上。气浮技术应用最广泛的领域是石油化工废水处理。二十世纪年代末，我国已有压力溶气气浮装置应用于石油废水的处理和食盐溶液的净化。年至年，我国的压力溶气气浮净水技术的基本理论研究和生产实践方面都已达到国际水平，在有关气浮法净水处理的溶气系统、释气系统、分离系统、测试技术、净水机理和溶气释气规律方面的研究均取得了一定的成果。此外，于二十世纪年代中期，武汉建材学院、冶金部建筑研究总院、昆明自来水公司等也进行气浮净水的试验和研究，取得了一定的成果。近年来，气浮净水技术在国内迅速发展，气浮已应用于给水方面的含藻类、低浊、低温和受污水体的净化，废水方面的印染、造纸、毛纺、皮革、

14、电镀、炼油、酸洗、化工、电泳漆、化纤等废水的处理，取得了较好的效果。气浮技术的原理气浮技术就是通过某种方法产生大量的微气泡，有时还需要同时加入浮选剂或混凝剂，使其与废水中密度接近于水的液体和固体污染物微粒粘附，形成了密度小于水的气浮体，在浮力作用下，上浮至水面上形成浮渣，进行液一液分离或固液分离。不同气浮处理方法本质上的区别在于水中形成气泡的方式和气泡大小存在的差异。根据这一特点，气浮处理法大致可分为四大类，即溶气气浮法、电解气浮法、诱导气浮法和化学气浮法【引。溶气气浮法。在压力容器中将空气溶解在水里，通过减压阀减压后释放出的气体，产生微小的气泡。常见的方式有真空气浮法和加压溶气气浮法。电解气

15、浮法。通过对废水进行电解以实现气浮，水电解会产生氧气，氢气，废北京化大学丁稃硕士学待论文水中氯化物、有机物电解后会产生二氧化碳，氯气等气体，这些气体产生的微小气泡与水中欲去除的颗粒粘附，发生了气浮作用。常见的方式有电絮凝气浮法和电解气浮法。此法效果较显著，缺点是耗电量大。诱导气浮法。通过各种方法向水中充气进行气浮，常见的方式有扩散板气浮法、机械鼓气气浮法、射流气浮法和叶轮气浮法。化学气浮法。依靠物质之间的化学反应产生微小气泡（如生成二氧化碳，氧气），而发生气浮作用。气浮分离过程先是使污染物能够粘附在气泡上面，即气、液、固三相介质共存的情况之下，应考虑每两相之间表面能与界面能的不平衡状态现象，润

16、湿接触角大小和颗粒表面疏水性，以及表面活性剂与混凝剂在气浮分离中的作用和影响等。当颗粒与气泡粘附前与粘附后界面能的差值越大，推动力就越大，更易于气浮处理；反之，相反；亲水性颗粒润湿接触角小，气粒两相接触面积则小，气浮体结合不牢容易脱落，属于亲水吸附；疏水性颗粒的接触角大，气浮体结合牢固则不易脱落，为疏水吸附。传统气浮方法具有工艺成熟、处理量大、成本低廉、效果好等特点，适合于乳化油和分散油的分离，去除粒径可达到。但郜存在着气浮时间长、占地面积大的缺点，尤其是传统方法产生的气泡较大，对细小的颗粒去除效果不好。液一液旋流分离技术液一液旋流分离技术的发展历史液一液旋流分离器起源于英国，年英格兰大学的教

17、授及其同事开始其开发研究工作。他们先后以聚丙烯与水、煤油与水、尼龙与水、原油与水为介质，对液一液旋流分离技术进行多年研究，发明了双锥入口型液一液旋流分离器，于年率先提出了液一液旋流分离的第一种芯管结构，即型旋流管，获得了英国发明专利。随后，大学除不断发展完善含油污水的静态旋流分离技术以外，还努力开拓液一液旋流分离技术应用的新领域，相继在高含水原油的旋流预分离及低含水原油的旋流脱水净化方面取得了进展，并先后推出了、型、型旋流管。继型旋流管发明之后，他们又通过对油水密度差、液滴粒径分布等介质特性参数、处理量、压力比等工况参数及入口截面、长径比、特征直径、几何形状等结构参数的优选研究，相继开发出了型

18、和型旋流管。目前还没有这些新型旋流管的详细结构介绍，据报道，型旋流管与其它型式的旋流管相比，分离能力更强、结构更简单、操作弹性也更大；而型旋流管在结构上采用了全新的几何形状，在高效与低阻方面进一步取得了突破。自二十世纪年代，旋流管出现了多种的结构形式，由早期的双锥型旋流器发第一章绪论展出单锥型旋流器、弯尾式水力旋流器、放人水出口水力旋流器、动态水力旋流器和加设第三低密相出口的水力旋流器等变形结构，这些旋流器在结构形式方面的变化的主要目的是在低阻高效方面取得新的突破。法国的和】继英国大学之后联合对静态旋流分离技术又进行了发展，并于年成功开发了用于含油污水净化处理的动态旋流分离技术，现在该机构已转

19、向原油动态旋流脱水技术的开发研究。年设计并制造出第一台工业样机，并在法国巴黎附近的某油田开展工业应用试验，目前该技术在油田污水除油方面已形成了多个系列产品【。现在世界上生产液一液旋流分离器的主要厂家有公司、公司、公司、公司、公司、公司、公司、公司。国内在液一液旋流分离技术方面的研究工作起步比较晚，人员、条件及组织形式较松散，主要包括：河南石油勘探局与清华大学联合，于年以局级科研课题的形式开展研究；近年来胜利油田和塔里木油田先后从国外引进四台工业发备在工程中应用：同时江汉石油机械研究所、中国石油大学、西安交通大学、大庆油田等也都相继开展了不同程度的研究或技术探索。国内的研究目前主要集中在地面上采

20、出液的预分离、原油脱水和污水除油等静态液一液旋流分离技术方面，研究方法则表现为对大学型旋流管的仿制和对其外特性的现场宏观测试上，研究的深度与水平都还需进一步提高。而对于全新技术的井底油水分离技术，国内尚未见开发及试验的报道。目前，国内使用情况较好的旋流器多为进口产品，国内产品由于设计以及制造等方面的原因使油水分离的效果不佳。液一液旋流分离技术的原理旋流分离技术的基本原理为离心分离，它的实质就是设法使物料在容器中进行高速离心旋转，利用待分离的物料与溶液之间的密度差，在离心力场中加以分离。在液一液旋流器中，互不相溶的两相介质混合液做高速旋转运动，利用不同介质密度的差异而产生的离心力差使两相介质实现

21、分离。图表示旋流器中流体的流动的情况。混合液从切向入口进入旋流器中，并在旋流腔内高速旋转，产生漩涡，后面而来的液体推动着旋流腔内的液体向下运动，其运动的路径呈外螺旋形。由于旋流器的内径逐渐缩小，这些旋转着的液体进入圆锥段后，液体旋转速度逐渐加快。液体产生漩涡运动时，沿径向方向的压力分布不等，轴线附近的压力接近于零，成为低压区，甚至成为真空区，而在器壁附近的压力最高。流体密度较大的颗粒借助惯性力向外运动抛向器壁，与器壁发生碰撞而降速分离，再沿着锥面落到底流管排出，同时，水力旋流器内底流口的直径极大减小，液体无法迅速从底流口排出。这就使一部分液体向分离器中心的低压区运动，并转而向上旋转，形成了旋转

22、向上的螺旋运动。经分离后的流体运动方向发生改变，产生向心的径向运动，沿中心线转而由下向上作内螺旋运北京化工大学工程硕士学位论文动，通过溢流口流出。其旋转的方向与外螺旋转向相同。如果混合液为含油废水，由于油的密度小于水的密度，所以水从底流口排出，油将从溢流口排出，这样就实现了油水两相介质的分离。（）旋流场产生的基本方法旋流场的产生有下述三种基本方法【：通过旋转外部的容器，使容器内静止的流体产生涡旋，称为外部强制洞旋。例如采用圆锥状、一个圆柱状或碗状的容器自身发生旋转而产生旋流。通过一个在容器内部旋转的设备将能量传递给流体而使之产生旋流，称为内部强制涡旋。此时容器是静止的，并且它的形状应为圆柱形，

23、以便保持内部流体的涡旋运动。流体沿切线方向进入一个静止的圆筒产生旋流，称为混合涓旋，又称为无外力涡旋，它是由一个半径为的中心旋涡组成，角速度为），切向速度在对称轴上为零，此时的涡量不为零。（）液体旋流分离器内的速度分布规律流体在旋流分离器内的运动是一个三元空间体系，其内部任何一点流体的速度都可以分解成切向速度、轴向速度和径向速度三个分速度，其分布规律如下：切向速度：周边小中心大，在接近溢流管半径达到一半处，切向速度己增大到由它产生的离心力足以使液流破裂，从而形成沿轴线分布的空气柱。与此相适应，分离器内的压力变化情况是器壁的静压力最大，越向中心，则压力越小。而在空气柱内通常是保持一定的真空值。轴

24、向速度：从器壁到轴线是由正值变为负值，大约在锥体各个横断面半径的一半处达到零。若将所有的零值点连接起来，可得一个微呈圆锥形的表面，称做零锥面（见图）。零锥面以内的全部向上流，零锥面以外的液体则全部向下流。水流沿切线进入旋流器后，紧贴器壁向下作外螺旋运动，当它穿过零锥面之后，则改变前进方向，向上作内螺旋运动，形成了二次涡流。径向速度：周边大中心小，轻而小的颗粒由于力有作用被带向中心，并由溢流管口排出；重而大的颗粒则由于受到的离心力大于径向速度的推力，被甩向器壁，并向下从排渣口排出。第章绪论空气涡流柱奄谚澄清液空气图旋流分离器内流体流动情况液一液旋流分离器的特点液一液旋流分离技术具有重量轻、体积小

25、、处理能力大、可靠性高等突出优点，尤其适用于水量大而空间受到限制的情况。但影响其分离效率的因素较多。（）优点重量轻。常规的采出水处理设备由于依靠较长的停留时间来进行重力分离，所以设备体积及重量很大。而旋流器体积很小，并且典型的停留时间为，因此大大减轻了设备的重量。体积小、分离能力大。与常规的水处理系统相比，旋流器所占的面积不足十分之一。此外，由于离心加速度远大于重力加速度，因此，旋流器工作时不受重力的影响，因此可根据空间的条件而采用卧式、立式、斜式等不同的安装方式。可靠性高。静态旋流器无任何运动部件，操作维修简单，运行可靠性高，不易发生故障；而动态旋流器需要输入电能以及存在有高速旋转部件所带来

26、的动平衡与密封问题，设备结构相对更为复杂，较静态旋流器的可靠性低。（）缺点虽然各种水力旋流器的结构相似，分离原理相同，但其应用都需要根据具体介质的性质、来液流量、浓度等的不同特性来进行专门的设计并确定其操作条件。流体切向速度的变化幅度越靠近中心越大，因此流体的剪切力越靠近中心处也越大，当携带分散相的气泡进入旋流器的中心部位时，中心部位存在的较大的剪切力会使附着在气泡上的有些疏水性的分散相介质发生脱落，而使得分离效率下降。液一液分离中，切割粒径确定之后，可分离的液滴的直径也随之确定，小于这一数值的液滴难以被分离，特别是乳化严重的液体介质更加难以分离。北京化大学程硕十学位论文空气喷射旋流闪浮技术空

27、气喷射旋流闪浮技术是将水力旋流技术同泡沫浮选技术结合起来，不仅利用了水力旋流器提供的离心力场，而且利用了离心力场强化浮选。空气喷射旋流闪浮器（，）的产生年发明空气喷射旋流闪浮器，它的构造是将普通的水力旋流器的柱段管壁改为多孔介质壁，外加一环隙夹套，通过多孔壁向水力旋流器内不断充入高压气体，见图。该发明的最初目的是为了解决细矿粒回收和浮选分级的问题，试图依靠向边壁充气来破坏流体边界层对微细颗粒的“屏障作用，而使边界层中的微细粒不致于全部随边界层进入底流，从而达到减少底流中微细粒夹杂的目的。然而，空气喷射旋流闪浮器问世之后，其发明者并没有致力于用它去解决底流中的微细粒夹杂问题，而是在适当改变结构之

28、后用以强化浮选。和】设计了用于油水分离的空气喷射旋流闪浮器【】，该设备的切向进料口在底部，分离后的水相和油相都从顶部流出，并且顶部有一个可调间隙，可以调节溢流和底流的分流比。和【】设计的新型空气喷射旋流闪浮器（见图），其边壁已由柱一锥形改为柱形多孔边壁，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，即泡沫底座，切向进口在顶部。同时因底座上部设计为锥形形状，可以通过升降底座来调节它与多孔圆柱间的环隙大小，从而改变底流和溢流的分流比。这时水力旋流器处理料浆中己含有适量浮选药剂，即其内具有浮选作用。虽然如此，“空气喷射旋流闪浮器这一名称却沿用了下来。图发明的空气喷射旋流闪浮器第一章绪论图改进

29、后的空气喷射旋流闪浮器空气喷射旋流闪浮器的作用机理（）工作原理空气喷射旋流闪浮的工作原理是：污水从分离器的上部沿切线方向加压进入，由于受器壁限制而高速旋转向下运动，并沿着器壁展开一个薄的旋流层，其厚度为旋流器直径的。分离器的中段是加压空气腔，空气腔外接压缩空气，空气腔的内壁由多孔材料制成，压缩空气沿多孔材料进入设备内腔，被高速旋转的污水切割粉碎成微小气泡（直径约）。由于污水做高速旋转，密度较小的组分逐渐向设备中心轴线移动，密度越小移动的越快，因密度比水小油滴和气泡同时向中心移动，气泡由于密度更小移动更快，在移动中不断粘附油滴，大量的气泡和油滴在中心聚结，向上移动，并最终从设备项端排出，经过除油

30、的污水从设备的下部排出。（）流场分布特征由于空气喷射旋流闪浮器内的流场为复杂的三相流动，其内部的颗粒分选过程也相当复杂，各国的学者对此进行了大量的研究，但并未取得一致的观点。国外的】和认为，空气喷射旋流闪浮器内的流场应划分为中心空气柱区、旋流区和泡沫相区，他们采用先进的射线照相技术证实了这种观点，并且还在不同的操作条件下，对其内部的流场分布做了比较。特别的是，空气柱区会随着无量纲面积木（溢流口面积底流口面积）的减少和无量纲流量宰（空气流量溶液流量）的增大而增长，且随着入口溶液中的微粒浓度的增加而减少。旋流区（层流）的厚度通常因为离心力沿轴向的改变而表现出上部薄而下部厚的特点【，】泡沫相区会随着

31、溶液中疏水性颗粒的增多而扩张。北京化二大学工程硕士学位论文而褚良银等则认为空气喷射旋流闪浮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三个区域，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：液柱的高度为倍充气旋流器直径较佳【；其内部离心场强度沿轴向从顶部到底部呈迅速减小的特征，离心力强度的增大可使空气喷射旋流闪浮器内生成气泡的直径减小，并且使浮选效率提高；而颗粒所受向上浮力则是颗粒轴向向上运动进入溢流口的主要推动力，而其所受的向心浮力是颗粒径向向内运动进入泡沫柱区的主要推动力，且疏水性颗粒一般以颗粒与气泡的聚合体的形式运动（川。值得注意

32、的是，两种观点都是从试验出发得到的感性描述，目前尚未得出理论化的模型来准确地描述其内部流场。（）气泡的产生及其作用气泡的产生和气泡与油滴的相互作用也是在分离器中油水分离机理研究中的一项重要内容，在中的油水分离和矿物浮选有一定的相似性。研究表明：气泡的大小同时影响浮选速度、回收率以及浮选的选择性【五引。等年用高速运动分析视频系统对空气喷射旋流闪浮器中水流的测量表明：多孔壁孑径的尺寸与气泡尺寸成正比，表面张力对气泡尺寸的影响可以忽略，气泡数量随充气速度与液流粘度的增加而增加，气泡在形成地点未发生合并现象，单个气泡的运动遵循斯托克斯定律。并且还计算出在无量纲速度宰（空气速度水流的切向速度）为，多孔管

33、的孔隙为的条件下，气泡直径为，气泡个数为一，不过这个结论没有经过试验确认【。通过分析褚良银等”】认为，在空气喷射旋流闪浮器内矿粒和气泡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。而且随着离心力的增大，矿粒与气泡的粘着牢固度相对减小，矿粒更易从气泡上发生脱落；同时，随着离心力的增大，矿粒发生脱落的临界粒径会相应变小。因此他们认为内的离心力强度应有一个最佳范围，一方面既要保证所要求的浮选粒度范围内的矿粒不会于从气泡上脱落，另一方面又要尽量使气泡容易实现径向向内进入泡沫柱区的过程。空气喷射旋流闪浮器性能的影响因素结构参数及操作参数是影响空气喷射旋流闪浮器浮选性能的重要因素，主要包

34、括溢流管径、底流口当量直径、充气量、溢流管插入深度和浮选药剂等。（）溢流管径和底流口当量直径溢流浓度随着溢流管直径增大和底流环隙的减小而减小，而底流浓度则相反。其中底流环隙面积是最重要的影响参数之一，底流环隙面积过小时，旋流层中将会有更多的液流转化为上升流，甚至转成充塞流充满了整个旋流器，严重恶化浮选的效果；过大时，含油泡沫极易从底流流失，同样也会恶化分离效果。第。章绪论（）充气量在浮选中，充气量有一个最佳值区，受进料中含油量、处理能力等的影响。充气量过大会使气泡数量急剧增加，严重干扰旋流层的流动状态，使油水分离效果恶化：过小就不能形成稳定的含油泡沫柱，降低除油效率。（）溢流管插入深度因为泡沫

35、柱含油量由外向内、自下而上逐渐增高，在进料口下方形成富油区，所以溢流管插入太深，富含油泡沫无法顺利排出；太短，则易形成短路流。因此在旋流器的溢流管设计上，的溢流管插入深度也有一个最佳值。（）浮选药剂浮选药剂的主要作用体现在两方面：提高选择性和去除率。药剂类型有絮凝剂、表面活性剂、起泡剂等。絮凝剂的作用为破除乳化状态或分散状态的颗粒稳定性，使小颗粒絮凝成较大的颗粒，更有利于分离；表面活性剂能使亲水性颗粒表面变为疏水性表面，从而提高其选择性；起泡剂会增强气泡和泡沫的稳定性，并减少泡沫合并，从而促进其浮选。但总的说来，药剂用量对空气喷射旋流闪浮器的性能的影响小于其它结构及操作参数的影响。空气喷射旋流

36、闪浮器的应用及发展近十年来，人们已经在很多方面进行了空气喷射旋流闪浮器的应用研究，如：细粒煤浮选、油水分离【、黄金浮选】、铜矿浮选、废纸回收中纸浆脱除油墨、黄铁矿浮选】、水脱除苯【】，等等。其中有的已经在工业上获得了成功应用，而有的则仅进行过小试研究。（）细粒煤浮选细粒煤浮选是迄今为止空气喷射旋流闪浮器应用研究最深入及最成功的领域。二十世纪年代初，和采用内径为的空气喷射旋流闪浮器对目的煤粉进行了浮选试验，充气量为，起泡剂浓度为，进料固相浓度为，进料流量为，其浮选性能与常规浮选槽的性能比较结果见表。后来用空气喷射旋流闪浮器进行了细粒煤浮选的工业试验，进行了进一步的研究和论证。年，美国纽约州电气公

37、司和宾夕法尼亚电力公司根据能源部对煤进行了两年的空气喷射旋流闪浮器工业浮选试验【黏，经过考察及研究，发现空气喷射旋流闪浮器确实是细粒煤浮选方面的一种高效浮选装置。如果把空气喷射旋流闪浮器同分级水力旋流器结合起来使用，能够使黄铁矿硫的去除率达到约【引。目前，空气喷射旋流闪浮器在细粒煤浮选方面的应用正在逐渐扩展，并且其设备也逐渐向大型化发展。为了有助于空气喷射旋流闪浮器在细粒煤浮选方面的应用规模放大，近来人们分析和研究了空气喷射旋流闪浮器的无量纲准数，并得到了一些数学模型【，北京化工大学工程硕士学位论文还开发出了一个用于细粒煤浮选的运行操作控制的模拟系统¨。表卜选煤时与常规浮选槽的性能比

38、较蚓（）油水分离年，和】用一个空气喷射旋流闪浮器（直径为毫米）进行了去除水中分散油相的试验研究，取得了一定的效果。当空气喷射旋流闪浮器充气量与进料量之比为：时，分离效果最佳。当水量分布比（溢流底流）为：时，溢流中油相的浓度比进料中油相的浓度高倍；但发现当其水量分布比接近：时，溢流中油相的浓度大大降低，比进料中的油相浓度提高甚微。当水量分布比为：时，空气喷射旋流闪浮器油水分离效率最高。李新国年采用一个直径为毫米的空气喷射旋流闪浮器进行了处理含油污水的研究，获得的除油效果如下：给水含油（平均油滴粒度小于）时，出水的含油量降至，除油效率达。研究还表明，添加滑石粉对空气喷射旋流闪浮器除油效果有很大的改

39、善作用，滑石粉用量为（水）时，除油效率提高到，出水含油量降到。潘利祥【年采用一个直径为毫米的空气喷射旋流闪浮器进行油水分离的试验研究，研究结果表明：进料流量、气液比（充气量）、底流出口压力以及分流比是影响空气喷射旋流闪浮器分离性能的重要因素，在入口流量为（平均粒径），气液比为，底流压力为，分流比为，分离效率达到。（）黄金浮选年，等人【用空气喷射旋流闪浮器对美国河细粒砂金进行了浮选试验。河砂的含金量为，其中以外的金分布于目粒级。用一个直径为毫米的空气喷射旋流闪浮器进行单段浮选可得到含金鱿的精矿，回收率为；而常规浮选方法仅能获得含金卧的精矿，回收率仅为。（）铜矿浮选和分别在年和年用空气喷射旋流闪浮

40、器进行了铜矿浮选试验研究。用一个直径为毫米、长度为毫米的空气喷射旋流闪浮器对第。章绪论斑岩铜矿进行浮选，停留时间为秒，其浮选效果与一般工厂的效果相比发现：空气喷射旋流闪浮器浮选的铜回收率与一般工厂的效果基本相当（约为），其品位约为工厂效果的一半（约为）；钼的回收率比工厂的要高（工厂平均刚收率为，而空气喷射旋流闪浮器浮选回收率可达），其品位达到了；空气喷射旋流闪浮器的停留时间比工厂里传统停留时间大大缩短（工厂里传统铜停留时间约为）。东北大学褚良利年对辽宁红透山铜矿进行了浮选研究试验。采用一个长径比为：的空气喷射旋流闪浮器，对其分选过程行为以及控制有用矿物过磨进行了研究。研究发现：空气喷射旋流闪浮

41、器内同时具有浮选作用和分级作用；在正常工况下，空气喷射旋流闪浮器内的流场分为薄流层区、液柱区和泡沫柱区三个区域；借助其内的浮选作用，能将进料中细粒级疏水性矿粒充分分选出来，从而避免了细粒级大密度有用矿物的过磨。（）废纸回收纸浆脱墨二十世纪年代初，空气喷射旋流闪浮器被用来在废纸再生中脱除油墨【缸卯。废纸的回收利用，不仅可以减少环境污染、保存森林资源，而且可以降低纸张生产中水和电能的消耗。废纸的再生利用对保护人类环境和保护世界资源有着重要意义。废纸再生中一个重要的过程就是脱除油墨，即从纸纤维中分离出油墨微粒。空气喷射旋流闪浮浮选技术近来被证实为一种快速高效的油墨脱除技术。研究表明：在相近的操作条件

42、下对废报纸纸浆进行处理时，由空气喷射旋流闪浮器浮选所得到的底流纤维产物，其亮度增量约为点，同时回收率高达；而由传统浮选法所得到的纤维产物，其亮度增量只有至点，且回收率只有一。而且，空气喷射旋流闪浮器的生产能力比传统浮选槽的要大多倍，且其油墨去除率约达到，远比传统浮选的油墨去除率高得多。总之，不论是从处理能力看还是从油墨去除效率，空气喷射旋流闪浮器都比传统浮选槽有效得多。美国公司年宣布耗资万美元建立一座废纸回收工厂，其中的油墨脱除过程采用空气喷射旋流闪浮浮选技术。该工厂于年建成投产，采用了个直径为的空气喷射旋流闪浮器来处理废纸纸浆，脱墨效果良好。（）黄铁矿浮选二十世纪年代的后期，南非的等人孙用空

43、气喷射旋流闪浮器进行了浮选黄铁矿的试验研究。从公司的回收堆取出两批矿样，分别用空气喷射旋流闪浮器对黄铁矿进行了浮选试验。第一批矿样中含硫量仅为，浮选回收率为，精矿中硫品位（传统浮选回收率，精矿中硫品位）；第二批矿样含硫量，浮选回收率，精矿中硫品位达（传统浮选回收率为，精矿中硫品位为）。用空气喷射旋流闪浮器从低品位矿石中浮选目的黄铁矿，单段浮选后获得精矿品位硫化铁，回收率近乎达到。北京化工大学工程硕士学位论文（）水脱苯年用一长度为、直径为的空气喷射旋流闪浮器，进行了从水中脱除苯的可行性研究。经过的循环浮选，水中的苯含量从降到，降低了。这一研究结果表明：空气喷射旋流闪浮器在脱除水中的苯等方面的应用

44、中是很具有潜力的。空气喷射旋流闪浮器的特点自空气喷射旋流闪浮器发明并被用作浮选设备以来，人们发现它同传统的浮选设备相比，具有如下的优点：有效浮选粒度下限低；处理能力大；浮选速度快，停留时间短；浮选成本低，包括基建和设备投资、设备维护费用以及各项消耗等均低于传统浮选槽。空气喷射旋流闪浮技术领域存在的问题及发展前景（）存在问题自空气喷射旋流闪浮器发明以来，在其作用机理和应用方面的研究均有不同程度的进展，其中应用研究最多的是细粒煤浮选，其次是废纸再生过程中的纸浆脱墨。而在油水分离方面的研究国内外报道较少，且其应用研究基本上还只局限于小试研究，无论是在理论上还是在应用方面都尚无系统的研究和开发。虽然各

45、种空气喷射旋流闪浮器的分离原理相同，结构类似，但其通用性较差，处理不同性质的物料往往需要不同操作条件或结构尺寸的旋流器。不同油田的油水混合物往往具有不同的物性，因此不同油田使用的空气喷射旋流闪浮器往往不能互换使用。同时，内流体的流动会产生剪切作用，如果设备参数设计不合理，容易使液滴破碎乳化而导致分离效果恶化，因此设备的操作参数对分离效果的影响非常重要。（）发展趋势空气喷射旋流闪浮器在细粒煤浮选和废纸纸浆脱墨中的应用技术日渐成熟化，其范围正日益增大并向大范围的工业化应用发展。而在油水分离等其它领域，则需要针对分离物质的特性，在空气喷射旋流闪浮器的机理、结构及操作参数方面相应地开展系统深入的理论和

46、应用研究。本论文旨在对空气喷射旋流闪浮器应用于油水分离领域进行初步探索，通过对自行设计的空气喷射旋流闪浮器的结构参数及操作参数的优化试验，为开发可以替代传统浮选隔油池进行含油污水处理的新一代高效油水分离充气水力旋流器奠定基础。第一章绪论研究内容与技术方案研究内容根据国内外对空气喷射旋流闪浮技术的研究现状以及该技术用于油水分离领域中存在的问题，确定本论文的研究内容，包括：（）小型试验装置以及试验系统设计设计制造设备及试验系统，并对试验系统进行可行性的验证。（）的结构参数和操作参数对除油效率的影响通过动态试验考察的结构参数和操作参数对除油效果的影响，确定结构参数和操作参数的最优化组合，并针对试验研究中对设备的不足之处提出改进方