气浮池接触区微气泡粒径及气含率分布实验研究

科学技术与工程

Science Technology and Engineering

Vol. 17 No. 1 Jan. 2017© 2017 Sci. Tech. Engrg.

1671 — 1815(2017)01-0073-06

化学工业

气浮池接触区微气泡粒径及气含率

分布实验研究

张义科陈阿强王振波*

(中国石油大学（华东）化学工程学院，青岛26658〇)

摘要气浮技术作为高效清洁的除油工艺，常用于密度相近的液-液两相流或水中悬浮颗粒的分离。作为微气泡的产生及

微气泡与油滴等悬浮物质黏附的场所，气浮池接触区水利流动状态下的微气泡粒径及气含率分布对除油效率有着重要影响。 实验表明，溶气压力0.34 MPa时微气泡X寸更小；双释放头能显著提高气含率；接触区宽度较小时，湍动作用加强微气泡聚并

严重；表面活性剂浓度能降低表面张力，有效抑制微气泡聚并；最佳浓度为0.5 mg/L时，平均X寸维持在65 ~70 pm。关键词气浮

接触区

微气泡X寸

气含率

中图法分类号TQ028.4;

文献标志码B

大力度的油田开采以及三次驱采油技术的广泛 应用造成含油污水的大量堆积。传统模式的除油方 式通常采用重力沉降罐沉降，往往占地面积大，周期 长，设备使用率低[1’2]，或是采用超重力离心力场的 水利旋流器进行预脱水后再进行处理。这种方式占 地面积小，处理周期短，往往应用于与水密度相差较 大的非溶解油,而与水表观密度较接近的含油污水 净效果往往较差[3’4]。

最早应用于矿物浮选的气浮技术作为清洁、高 效的处理工艺，近年来被广泛应用于治理污水等环 保领域，特别是含乳化油污水[5_8]。气浮技术是通 过在水中产生或设法注入微气泡与油滴等悬浮物质 粘附形成表观密度小于水的油-气聚合物，增大油水 两相密度差和油滴体积，使所受的浮力增大而加速 分离过程[9#]。气浮池为微气泡的产生、油-气聚合

2016年7月12日收到

国家自然科学基金（21276281)资助

物的形成以及油水两相分离提供了场所。气浮池接 触区作为气浮池的重要组成部分之一，其微气泡粒

径及气含率分布影响着微气泡与水中油滴等悬浮物 质的粘附效果，进而对除油效果起着决定性的作 用[11]。Lakghomi B[12]和 Lundh M[13]分别对气浮池 分离区层流状态以及分离区动力学进行研究，另有 陈阿强、朱丽、Kim M S等学者对气泡聚并行为以及 气浮技术用于污水处理的可行性分别进行了深入分 析[14^16]，LUndh M等探讨接触区结构与流动状态之 间的关系[17]，王静超[18’19]还对影响微气泡与颗粒 碰撞粘附的影响因素进行了相关分析。由于流动状 态的复杂性和测量方法的欠缺，目前国内外对接触 区微气泡粒径及气含率分布缺乏系统性研究。因

此，本研究通过实验分析各因素对接触区微气泡粒

径及气含率分布的影响，以期找出提高分离效率的 最优条件。

第一作者简介:张义科（19—），男，硕士研究生。研究方向：多相 流分离相关工作。E-mail:979631504@qq. com。

*通信作者简介:王振波（1971 —），男，工学博士，博士研究生导师， 中国石油大学（华东）多相流分离工程技术中心主任。研究方向：多 相流分离工程与装备（气、液、液、固非均相分离技术）、多相流动与传递等。E-mail ：wangzhb@ upc. edu. cn〇

引用格式:张义科陈阿强王振波.气浮池接触区微气泡粒径及

气含率分布实验研究[J].科学技术与工程，2017，17 (1): 73—78

ZHANG Yike, CHEN Aqiang, WANG Zhenbo. The experi­ment research on the distribution of micro bubble size and gas content at the contact zone of dissolved air flotation tank [J] •Science Technology and Engineering, 2017,17(1) ：73 —78

1

实验装置及工艺流程

1.1工艺流程

实验用装置为平流式加压溶气气浮装置，包括 气浮池（尺寸：144 cm X 44 cm X 86 cm)、溶气罐

(小15 cm X 120 cm)、空气压缩机、溶气释放头、泵、

污水池等，如图1。气浮池分为混合区、接触区、分 离区三部分。实验原理：回流水经泵提升至溶气罐 与空气压缩机提供的空气进行混合加压，形成饱和 溶气水并沿溶气罐底部导管流至释放头处，经释放 头瞬间降低至常压而成过饱和状态，产生大量微气 泡并与来水进行混合。在水力作用下，混合相沿折

74

科学技术与工程

表

17卷

流板进入分离区。在分离区，微气泡在浮力作用下 上浮至液面，净水则通过分离区底部管道流出，部分 作为回流水源，其他则流入污水池形成循环。

1 Matlab与ImageJ测量结果对比

Table 1 The measurement results between Matlab

and ImageJ method

ImageJ/jxmMatlab/jxm相对偏差/%

152.3555.515.86

251.3954.525.91

349.8454.078. 14

449.0352.065.99

5平均49.3350. 38851.6853. 5684.656. 11

从表1可得出，对于某一点的拍摄图片，两种方 法测得相对偏差最大不超过8. 2%，平均相对偏差 不超过6. 2%,通过增加该点处的图片数量，如增 加至10张取平均得到该点的微气泡粒径，可减小程 序处理误差,因此，自编Matlab程序用于微气泡粒 径测量方法可行，测量结果准确可信。

1为提升泵，2为浮子流量计，3为搅拌器，4为释放头，5为接触区，6为分离区，7为自吸泵，8为浮子流量计，9为溶7〔罐,1〇为令7(川缩机，11为玻璃转子流唞卜,12为汚水池

图1

工艺流程图

1.2.3 气含率测量

气含率，即溶液中的微气泡与水的体积比。根 据Dassey等[2()]的气含率测量方法进行改进建立如 图3所示气含率测量装置。实验原理:测量前保持 装置内充满水首先通过排空法将装置灌满水，然后 将入口取样管A放在接触区带测点的位置，出水口

Fig. 1 Flow process diagram

1.2测量方法

1.2. 1 微气泡粒径测量

为观测微气泡粒径，实验采用载玻片自制观测 槽。观测槽|端连接出水口并自然流出，另|端连 接取样管，取样管入口放在被测点处Q观测时堵住 出水口，管中流体停滞，微气泡便上浮至载玻片上， 停留片刻并通过显微镜（Phenix)观测、拍摄、记录。 观测图片如图2,拍摄图片采用ImageJ和自编Mat-

B则放入量筒中。带刻度的玻璃管C中的水会在重

力及虹吸作用下通过出水管B中流出，在玻璃管C 中形成负压，一方面有利于微气泡的析出，另一方面 通过入口取样管A吸入含微气泡的水_含微气泡 的水沿细小的玻璃管喷到玻璃管C的内壁，撞击壁 面后从水中析出，收集在玻璃管C中，清水则沿壁 面留下通过出水管B收集到量筒D中，液体体积为

lab程序进行粒径测量及数量统计。

s通过观测玻璃管C中的液位差（测量前为R，

测量后为K )以及量筒D中水体积即可知该点处 的气含率^，计算公式如下：

-v260 =cA

图

2拍摄图片

Fig. 2 The photo

1. 2. 2

Matlab程序准确性验证

图3

气含率测试装置

取某一测量点处的拍摄图像5张，气泡数约为 5〇〇,分别用Matlab和ImageJ进行处理，得到每张图 像的气泡平均值，然后求5张图像的气泡平均粒径， 最后求Matlab与ImageJ测量结果的相对偏差只' 计算公式如下：

Fig. 3

Gas content testing device

微气泡分布的影响因素

溶气压力

接触区宽度为20 cm时，测量接触区10〜50 cm

(^32，M + 心2，1 )’2

1期张义科，等:气浮池接触区微气泡粒径及气含率分布实验研究

75

局度的气泡粒径分布，间隔10 cm。测量时，入口流 量2 m3/h，回流流量0. 3 m3/h，进气量6 L/h，采用 单个释放头，置于接触区入口中心位置。溶气压力

分别控制在〇. 34 MPa和0. 28 MPa,测量接触区各高度微气泡平均尺寸分布#

图6气含率与接触区高度的关系

Fig. 6 Relationship between the gas content and the height of the contact zone

压力0.28 MPa,进气量6 L/h，进行单、双释放头的 实验，研究释放头数量对微气泡分布的影响。

图4

溶气枉力0. 28 MPa时粒径百分比

90

Fig. 4 The percentage of micro bubble size at the

pressure of 0. 28 MPa

-单释放头

—双释放头

u8

o

7o 6

'

10

20

30

40

50

接触区高度/cm

图7

接触区高度/cm

图5

微气泡尺寸沿接触区高度的分布

微气泡尺寸沿接触区高度的分布

Fig. 7 The distribution of the micro bubble size

along the height of the contact zone

Fig. 5 The distribution of the micro bubble size along the height of the contact zone

由图4知，在各个高度上整体上呈现正态分布 趋势。图5知，不同溶气压力条件下，微气泡粒径分 布从底部往上逐渐增大，这是由于湍流状态使微气 泡发生相互碰撞聚并，且压力越大，微气泡聚并效果 越明显，出现微气泡尺寸沿高度分布大于0.28 MPa 的情况。溶气压力〇. 34 MPa时，释放头附近的微气 泡（g卩10 cm位置）尺寸较小。这说明在一定程度 上，溶气压力越大，微气泡粒径越小[M]S从图6知， 各压力条件下气含率沿高度升高而增加;溶气压力0.34 MPa条件下的碰撞概率大造成聚并现象较严 重，导致气含率整体较高。2.2释放头数量

固定接触区宽度20 cm,入口流量2 m3/h，溶气

Fig. 8

图8

气含率与接触区高度的关系

Relationship between the gas content and the height of the contact zone

由图7知，不管单释放头还是双释放头，气泡粒 径随高度增大而增大，即气泡上浮过程中发生聚并。

76

科学技术与工程17卷

同时由图可见，采用双释放头时气泡直径在各高度 处均大于采用单释放头的情况^这种差别与气含率 分布相关。图8所示为不同释放头个数下垂直高度 方向气含率的分布。气含率随接触区高度升高而逐 渐升高，相较于单释放头，采用双释放头时气含率更 高。这就意味着，采用双释放头时接触区气泡数密 度更大，气泡聚并更严重，导致微气泡粒径较大，使 得各高度上微气泡粒径明显高于单释放头。2.3接触区宽度

分别设置接触区宽度为1〇 cm、20 cm,入口流 量2 m3/h，溶气压力0.28 MPa,进气量6 L/h，双释放头，考察接触区宽度对微气泡分布的影响。

oooooo

触区宽度的气含率都有随高度增加而增加的趋势。 宽度10 cm时接触区空间较小，水中聚集的微气泡 密度较高，接触碰撞导致气含率也较高。2. 4表面活性剂

固定接触区宽度2〇 cm,溶气压力0.28 MPa,入 口流量2 m3/h，进气量6 Vh，双释放头，改变表面 活性剂（十二烷基苯磺酸钠）的浓度〇 mg/L、0. 5 mg/L、l mg/L、2 mg/L，研究表面张力对微气泡分布 的影响。

从图11看出，在一定程度上，表面活性剂的存 在能降低水的表面张力进而降低微气泡粒径，并且 能有效抑制微气泡聚并。表面活性浓度为0.5 mg/

L时，在垂直局度上平均尺寸维持在65〜70 pm，聚

9 8 7 6 5 4 Q

并效果不明显，微气泡分布较均勻。这会影响气含 率的分布，如图12。表面活性剂的存在改变了气含 率的分布大小，且各浓度下的气含率分布都随接触 区高度增加而逐渐递增，但过高的表面活性剂含量 并不能有效提高水中气含率，最终确定最佳浓度为0. 5 mg/Lq

10

20

30

40

50

8o o7 o

暴習

sm

Fig. 9 The distribution of the micro bubble size

along the height of the contact zone

图l〇气含率与接触区高度的关系

Fig. 10 Relationship between the gas content

and the height of the contact zone

由图9知，入口流量相同条件下，接触区宽度 20 cm时微气泡粒径变化小于接触区宽度10 cm的 情况，这是由于宽度20 cm时空间大，平均速度比宽 度10 cm时缓，水力停留时间长，流动方向较统 碰撞造成的聚并程度略低。而宽度为1〇 cm时流速 快，湍流造成的碰撞聚并概率大u图10知，不同接

C接触区高度/cm

图9微气泡粒径沿接触区高度的分布

o6 o

5

4

10 20 30 40 50

接触区高度/cm

图11表面活性剂浓度对微气泡粒径的影响Fig. 11 Effect of surfactant concentration on

the micro bubble size

3

结论

通过对气浮池接触区微气泡分布的实验研究，

得出以下结论：

(1) 微气泡粒径分布在接触区各高度整体上呈 现正态分布趋势，粒径随高度升高而增大，气含率分 布也呈现递增趋势；

(2)

溶气压力越大，微气泡粒径越小，密度较

大，气含率较高，碰撞概率大造成聚并现象较严重， 出现微气泡尺寸以及气含率分布沿高度分布均较 高;双释放头能明显提高水中气含率，增大微气泡密 度，但同时也提高碰撞聚并概率；

(3) 接触区宽度为2〇 cm时，水力停留时间长，

1期张义科，等:气浮池接触区微气泡粒径及气含率分布实验研究

77

Sun Y, Wang Z B, Su K R. Overview on the oily wastewater treatment by flotation process. Journal of Filtration & Separation ,2014 ； (02)： 46—488

Tansel B, Pascual B. Removal of emulsified fuel oils from brackish and pond water by dissolved air flotation with and without polyelectro­lyte use ： oilot-scale investigation for estuarine and near shore applica­tions. Chemosphere, 2011； 85(7)：1182—11869

杨信丨::，陈阿强，王振波，等.物件:参数对z (俘器分离区流场的 影响.过滤与分离，2015;(03):1 — 5

骄

流速较慢，湍动作用造成的聚并程度相对较低，微气 泡粒径变化相对较小;表面活性剂能提高气含率，也

能有效抑制聚并。:浓度0.5 mg/L时，接触区高度上 平均尺寸维持在65〜70 jjum，粒径分布较均勻。

参考文献

(I-1S.1S)/r

et al. Influence of physical parame­Yang J J, Chen A Q, Wang Z B yters on the flow pattern of separation zone in a dissolved air flotation tank. Journal of Filtration & Separation ,2015 ; (03 ) ：1 —510轆欣，何

利

鑫

，等.多相流汆溶浮屮父泡粒径分

图12气含率与接触区高度的关系

布的丈验研究.工_热物理7报，2010; (07) : 1159—1162 Fan X，He L M , Wang X, et al. Experimental study of bubble size distribution of multiphase pump dissolved air flotation. Journal of Engineering Thermophysics ,2010; ( 07 ) ： 1159—116211

Sarrot V, Guiraud P, Legendre D. Determination of the collision frequency between bubbles and particles in flotation. Chemical En­gineering Science, 2005；60(22) ：6107 —6117

12 Lakghomi B , Lawryshyn Y, Hofmann R. Importance of flow stratifi­

cation and bubble aggregation in the separation zone of a dissolved air flotation tank. Water Research, 2012； 46(14) ：4468—447613

Lundh M, Jonsson L, Dahlquist J. Experimental studies of the fluid dynamics in the separation zone in dissolved air flotation. Water Re­search, 2000；34(1) ：21—3014

Kim M S, Dockko S, Myung G, et al. Feasibility study of high-rate dissolved air flotation process for rapid wastewater treatment. Aqua,2015； (8) ：927—936

15朱丽.含液多相体系中气泡聚并行为的研究.人沭：大沭大

7:，2004

ving liquid phase. Tianjin ： Tianjin University ,200416

Lundh M, Jonsson L?, Dahlquist J. The influence of contact zone configuration on the flow structure in a dissolved air flotation pilot plant. Water Research, 2002；36(6) ； 1585—1595

17王静超平，刘芳.气浮接触丨//〔泡―颗粒碰撺效率影响

國素分析.工业水处理，2008; 28(9) :66—69

Fig. 12 Relationship between the gas content

and the height of the contact zone

1陈涛涛，邵天泽，陈家庆，等.紧凑型旋流气浮一体化技术的国产 化研究进展与主体结构浅析.北兑石汕化1:1院7报，2014;22 (2) ：59—66Chen T

Shao T Z, Chen J Q,

al. Domestic research progress

and main structure analysis of integrated flotation and cyclone technol­ogy. Journal of Beijing Institute of Petro-chemical Technology, 2014； 22(2) ：59—662

刘书孟.油HH次采油污水处理技术及回注问题研兑丨:海：上 海交通大学，2007

Liu S VI. Study of treatment technology reinjection problem for en- hamed oil recovery produced water-Shanghai ： Shanghai Jiaotong Uni­versity, 20073

胡筱敏，李海波，余彳:焕，等.离心力作用下的油_水分离.会属矿 山，2001; (02) :31—35Hu X VI, Li H B, Yu H H,

al. Oil-water separation under the

Wang J C，Ma J, Liu F. Influential factor analysis of the bubble- particle collision efficiency in the contact zone of dissolved air flota­tion. Industrial Water Treatment,2008 ； 28(9) ：66 —69 18王静超，4

军.气浮接触区气泡-颗粒碰撞效率模型研究.哈

centrifugal force. Metal Mine,20011(02) ：31 —354

乍

徳

,乍会雄•低密度差油水两相旋流分离的实验研

究.叫安交M大学报,1997;(05) :23—26,33

Li W D, Zhou FI), Li H X. Development of computer program for once-through boiler start-up simulation. Journal of XirAn Jiaotong niversity, 1997 ; (05) ：23—26,335

吴莉娜，陈家庆，程继坤，等.石油化1污水处理技术研究.科学 技术与工程，2013 ;13(15) :4311^317

Wu L N, Chen J Q, Cheng J K, et al. Research of treatment technol­ogy of petrochemical wastewater. Science Technology and Engineer­ing, 2013；13(15) ：4311^3176

Lorito S, Schmitt D, Consolini G, et al. A model of particle removal in a dissolved air flotation tank ： importance of stratified flow and bub­ble size. Water Research, 2015；68(7) ：262—2727

孙泣，王振波，苏慨然，气浮法处理含油污水研究概况.过滤与 分离，2014; (02) :46一8

尔滨 I:业大学7报，2006; (01) :31 — 34

Wang J C，Ma J. A model for bubble-particle collision in the con tact zone of dissolved air flotation. Journal of Harbin Institute of Technology ,2006 ； (01) ：31—3419陈阿强，{振波，王

U,等.1汴接触K/C泡聚几行为的数植

模拟.化工学报，2016; (06) :2300—2307

Chen A Q, Wang Z B, Wang C, et al. Numerical simulation of bubble coalescence behavior in contact zone of dissolved air flotation tank. CIESC Journal,2016； (06) ：2300—2307 20

Dassey A, Theegala C. Optimizing the air dissolution parameters in an unpacked dissolved air flotation system. Water, 2011 ； 4(4) ：1 —

11

21李俊.新型微气泡气浮工艺预处理含油餐饮废水效能研究.

78

哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007

科学技术与工程

17卷

crobubble air flotationtechnology. Harbin ： Harbin Institute of Tech­nology, 2007

Li J. pretreatment of oil-bearing kitchen wastewater with a new mi­

The Experiment Research on the Ddistribution of Micro Bubble Size

and Gas Content at the Contact Zone of Dissolved Air Flotation Tank

ZHANG Yi-ke, CHEN A-qiang, WANG Zhen-bo

(China University of Petroleum (East china) , Qingdao 266580 ,P. R. China)

[Abstract ]

As an efficient and clean oil removal process technology, dissolved air flotation is commonly used in

the similar density between liquid-liquid two-phase flow or the separation of suspended particles in water. As the places of generation of the micro bubbles and the adhesion between micro bubbles and oil droplets and suspended material,the contact zone which has a great effect on size of the micro bubble distribution and gas content has an important influence on the oil removal efficiency. Experiments show that bubble size is smaller at 0. 34 MPa；double nozzles can significantly increase the rate of gas content ； turbulent motion strengthens the bubble coalescence with the smaller contact zone；surfactant concentration can reduce the surface tension, and restrain the micro-bubble coa­lescence; the optimal concentration was 0. 5% with the average size at 65 ~70 (xm.

[Key words ]

dissolved air flotation the contact zone bubble size gas content

(上接第53页）

Study on Unstructured Help Age Assistive Manipulator on the

Target Recognition and Positioning System

FAN Bing-hui1, WANG Xin1, WANG Chuan-jiang1'2, ZHANG Sen1, LU feng1

(College of Electrical Engineering and Automation, Graduate School of Shandong University of Science and Technology1 , Qingdao 266590, P. R. China ；

School of Control Science and Engineering, Shandong University2 , Jinan 250061, P. R. China))

[Abstract ] A kind of manipulator with five freedom degree for the elderly and the disabled is developed witch

work at unstructured state. In order to solve the problem of grasping the robot hand end palm to the space object, the method of combining the laser guided binocular machine vision location and the generalized regression neural network is used to solve the problem. In this method, binocular machine vision positioning using binocular industri­al camera, through threshold segmentation recognition algorithm of laser spot to determine the coordinates of the ob­ject ,the generalized regression neural network inverse solution for the elderly and the disabled mechanical hand joint angle. Finally, through the comparison of the experimental data and the ideal data, the method can achieve high positioning accuracy, compared with the previous mechanical hand angle inverse solution, the method does not exist no solution or multiple solutions.

[Key words ] unstructured

manipulator machine vision generalized regression neural network