气浮旋流中油滴与气泡的运动规律

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-1196

摘要/Abstract

摘要：

微气泡气浮旋流技术是将气浮分离与旋流分离相结合的一种新型高效分离方法。利用微气泡气浮旋流技术进行油水分离，探究了溶气水微气泡、旋流场、絮凝剂3种因素对油水分离效果的影响，并用高速成像技术考察了微气泡与油滴、微气泡与絮体的结合过程。结果表明，溶气水微气泡可大幅缩短油水分离时间，相比纯水静置缩短了50%。在油水混合物初始质量浓度为400 mg/L时，气浮+旋流+絮凝剂组合工艺的最佳实验条件为油水混合物与溶气水的体积比1∶4、旋流速度370 r/min、复合絮凝剂（PAC∶CPAM）的复配比2∶1，此条件下污水最终含油质量浓度低于10 mg/L，满足《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）。静水条件下，微气泡-絮体结合体的平均投影面积约为微气泡-油滴结合体的6倍，投加絮凝剂有利于提升油水分离效果。交互实验证明，相比纯水静置处理，经微气泡气浮、气浮+旋流以及气浮+旋流+絮凝剂3种工艺处理后，污水含油率分别降低38.7%、71.4%、76.5%。就最终油水分离效果来说，3因素组合>溶气水微气泡+旋流场>溶气水微气泡。

关键词: 微气泡, 气浮旋流工艺, 油田采出水, 油水分离

Abstract:

Microbubble air flotation cyclone technology is an innovative and efficient separation method combining flotation separation and cyclone separation. Using this technology for oil-water separation, the effects of dissolved gas water microbubbles, cyclone fields, and flocculants on separation efficiency were investigated. High-speed imaging technology was utilized to study the interaction between microbubbles and oil droplets, as well as between microbubbles and flocs. The results showed that dissolved gas water microbubbles significantly reduced oil-water separation time, cutting it by 50% compared to static settling in pure water. At an initial oil-water mixture concentration of 400 mg/L, the optimal experimental conditions for the combined flotation+cyclone+flocculant process were: Oil-water mixture to dissolved gas water volume ratio of 1∶4, cyclone velocity of 370 r/min, composite flocculant ratio (PAC∶CPAM) of 2∶1. Under these conditions, the final oil concentration in wastewater was less than 10 mg/L, meeting the requirements of the Integrated Wastewater Discharge Standard (GB 8978-1996). In static water conditions, the average projected area of microbubble-floc aggregates was approximately six times that of microbubble-oil droplet aggregates, indicating that the addition of flocculants was conducive for improving oil-water separation. Interaction experiments demonstrated that, compared to pure water static settling, oil content in wastewater decreased by 38.7%, 71.4%, and 76.5% after treatment using microbubble air flotation, flotation+cyclone, and flotation+cyclone+flocculants, respectively. The final oil-water separation effectiveness was in order of three-factor combination>dissolved gas water microbubbles +cyclone field>dissolved gas water microbubbles alone.

Key words: micro-bubbles, air flotation-cyclone process, oilfield produced water, oil-water separation

中图分类号:

TQ028.4

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I1/115

图/表 17

表1 含油污水分类

Table 1 Classification of oily sewage

类别	粒径/μm	特点	分离方法
游离油	>150	以油滴形式漂浮在水表面	简单的物理方法，如重力分离
分散油	20~150	以微小油滴形式悬浮在水中	通常利用气浮、旋流等方法去除
乳化油	5~20	以水包油或油包水形式存在	加入破乳剂，使乳剂破碎脱稳，然后分离

图1 气浮与旋流组合分离技术

Fig.1 Combination separation technologies of air flotation and cyclonic flow

图2 旋流场中微气泡与油滴碰撞示意

Fig.2 Schematic diagram of collision between microbubbles and oil droplets in cyclonic flow field

图3 微气泡粒径分布

Fig.3 Particle size distribution of microbubbles

图4 油滴粒径分布

Fig.4 Particle size distribution of oil droplets

图5 实验设备（a）与流程（b）

Fig.5 Experimental equipment（a） and flow（b）

表2 实验设备参数

Table 2 Experimental equipment parameters

设备名称	型号	设备特性
高速相机	FASTCAM Mini AX50	最高拍摄速度170 000帧/s
显微镜头	PTEM ZOOM 70	最大放大倍数52.5倍
LED灯	Danny U	色温6 000~5 000 K
搅拌调速电机	JGB37-520	最大转速600 r/min
搅拌桨	自制	半径2 cm
紫外分光仪	UV-8000	波长190~1 100 nm
气泡发生器	自制	气泡粒径≤50 μm

图6 溶气水与纯水静态油水分离效果对比

Fig.6 Comparison of static oil-water separation effect between dissolved gas water and pure water

图7 不同初始含油浓度下的分离强化效率与分离后含油浓度变化

Fig.7 Separation enhancement efficiency at different initial oil concentrations and changes in oil concentration after separation

图8 溶气水状态下不同旋流速度的微气泡与油滴结合情况

Fig.8 The binding of microbubbles and oil droplets with different cyclone velocities in the state of dissolved gas water

图9 不同旋流速度下油滴结合微气泡数量以及油水分离后含油浓度

Fig.9 The number of bounding microbubbles with oil droplets and oil concentration after oil-water separation at different cyclone velocities

图10 不同配比絮凝剂对油水分离效果的影响

Fig.10 Effect of different ratios of coagulants on oil-water separation

图11 微气泡与絮体、微气泡与油滴结合体尺寸与投影面积对比

Fig.11 Microbubbles and flocs，microbubbles and oil droplets combined size and projected area comparison

表3 结合体尺寸比较

Table 3 Combination size comparison

类别	结合体长度/μm	结合体投影面积/mm²
气泡与絮体结合体（A）	833、895、1 041、1 000	0.561、0.714、0.638、1.24
气泡与油滴结合体（B）	333、385、521、416	0.096 3、0.124、0.171、0.160
A、B尺寸差值	708（Max），312（Min）	1.138（Max），0.39（Min）

图12 有无絮凝剂的油膜形态区别

Fig.12 Difference in oil film morphology with and without flocculants

图13 不同条件下含油浓度随初始浓度变化规律

Fig.13 The variation pattern of oil concentration with initial concentration under different conditions

图14 8种工况下分离后含油浓度与分离强化效率的变化

Fig.14 Variation of oil concentration and separation enhancement efficiency after separation under 8 working conditions

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