CN109502675B - 一种针对不同油滴粒径的高效油水分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对不同油滴粒径的高效油水分离方法，利用经典斯托克斯沉降公式等公式推导，与有限元计算分析相结合，推导得到使得油滴‑气泡粘附体完全去除的油滴所对应的气泡粒径；科研者根据本方法可快速确定不同油滴粒径所需气泡的粒径大小，将气泡注入旋流气浮罐和稳流桶中，使油滴上浮到出油口，油滴与水分离，提高含油废水的油水分离效率；本发明的方法大幅度缩短了设计周期、减小实验验证的次数，有效的降低了科研成本，具有很高的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种分离方法，尤其涉及一种针对不同油滴粒径的高效油水分离方法。
背景技术
含油废水在进行油水分离时，由于油相和水相的密度相差不大，经常由于油滴粒径较小而使得油滴随水流进入净水出口而使得油水分离效率下降。因此，在工业处理上经常通过引入空气气泡来提升油水分离的效率。气泡的引入将使气泡与油滴形成油滴-气泡粘附体，混合物的密度将小于油滴的密度，与水相的密度此时相差较大。根据斯托克斯沉降公式可得知，两相密度差的增大将增加油滴混合物的上浮速度，从而促进油滴从含油废水中有效的分离。
然而，由于在旋流气浮过程中不同的油滴粒径代表着不同的工况，所需要的气浮所用气泡大小有所不同，气泡粒径小需要更难的技术，气泡粒径大不能够很好的产生旋流气浮效应；但是目前国内外并没有准确快速可行的方法确定不同油滴所需的气泡粒径大小，目前国内外没有具体的计算方法，设计所需均为经验，一般认为气泡越小越好，因此确定油水分离时不同油滴粒径所需气泡大小，将确定大小的气泡用于油水分离，对提高含油废水的油水分离效率有很大的帮助。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种针对不同油滴粒径的高效油水分离方法，该方法可根据不同油滴粒径的大小，快速确定出其所需要的气泡粒径大小，使油滴上浮到出油口，油滴与水分离，提高含油废水的分离效率。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：
一种针对不同油滴粒径的高效油水分离方法，包括以下几个步骤：
S1、设定油滴-气泡粘附体体积为油滴体积与气泡体积之和，得到所述油滴-气泡粘附体粒径d与气泡粒径d2间的关系式1；
S2、设定油滴-气泡粘附体质量与油滴质量相等，得到所述油滴-气泡粘附体密度ρh和油滴密度ρ1的关系式2；
S3、根据斯托克斯沉降原理，得到所述油滴-气泡粘附体粒径d与径向滑移速度Vsr间的关系式3；
S4、根据关系式1、2和3，得到包含径向滑移速度Vsr与气泡粒径d2的关系式4；
S5、根据选定的旋流气浮罐和稳流桶结构，进行仿真模拟，计算得到滑移速度Vsr；
S6、根据计算得到的滑移速度Vsr和关系式4，得到气泡粒径d2的大小；
S7、在所述旋流气浮罐和稳流桶中，注入粒径为d2的气泡，进行含油废水的油水分离，得到油水分离物。
进一步的是，所述S5步骤的具体步骤包括：
S51、选定用于油水分离的旋流气浮罐和稳流桶结构；
S52、建立所述旋流气浮罐和稳流桶结构的三维模型；
S53、对所述三维模型进行CFD仿真计算，得到油相轴向速度仿真结果；
S54、在所述仿真结果中，选取一个穿过旋流气浮罐中心轴线的竖直平面，在所述竖直平面内的水平方向上等距离按不同高度选择多组油滴组，计算每组油滴组中每个油滴的轴向速度；
S55、在每组油滴组中，选取轴向速度为零且分别位于旋流气浮罐中心轴线两侧的两个油滴，得到零界油滴组；
S56、在所述零界油滴组中，选取旋流气浮罐中心轴线同一侧面中径向位移差最大的两个油滴，计算得到所述径向位移差最大的两个油滴间的径向滑移速度Vsr。
进一步的是，所述关系式1为：
其中，d表示油滴-气泡粘附体的粒径，d1表示油滴粒径，d2表示气泡粒径。上述关系式1，是设定油滴-气泡粘附体体积与油滴体积与气泡体积相等，根据体积相等推导而出。
进一步的是，所述关系式2为：
其中，ρ1为油滴密度，ρh为油滴-气泡粘附体密度。上述关系式2，是设定油滴-气泡粘附体质量与油滴质量相等，忽略气泡的质量，根据质量相等推导而出。
进一步的是，所述关系式3为：
其中，d表示油滴-气泡粘附体的粒径，Vsr表示径向滑移速度，μw为水向粘度，r为旋流气浮罐半径，μθ为油滴-气泡粘附体切向速度，ρw为水相密度，ρh为油滴-气泡粘附体密度。
斯托克斯沉降公式为：
上述关系式3由斯托克斯沉降公式反推而出。
进一步的是，所述关系式4为：
进一步的是，所述旋流气浮罐和稳流桶结构包括旋流气浮罐和安装在旋流气浮罐内的稳流桶，所述旋流气浮罐的侧壁上设置有切向进水口，顶端设置有出油口，底端设置有收水口和出水口；所述稳流桶的上部为锥形喇叭口结构，下部为圆筒形结构。
进一步的是，所述CFD仿真计算是通过在Gambit软件中进行网格划分，划分完后导入Ansys Fluent软件中，利用Realizable k-ε湍流模型进行计算。
本发明的有益效果：本发明的方法，利用经典斯托克斯沉降公式等公式推导，与有限元计算分析相结合，推导得到使得油滴-气泡粘附体完全去除的油滴所对应的气泡粒径；科研者根据本方法可快速确定不同油滴粒径所需气泡的粒径大小，将气泡注入旋流气浮罐和稳流桶中，使油滴上浮到出油口，油滴与水分离，提高含油废水的油水分离；本发明的方法大幅度缩短了设计周期、减小实验验证的次数，有效的降低了科研成本，具有很高的实用价值。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的旋流气浮罐和稳流桶结构的示意图；
图3为本发明CFD仿真计算结构的油相轴向速度分布图；
图4为本发明油相轴向速度临界点分布图；
图5为本发明不同油滴所需气泡粒径的曲线图；
图中：1、旋流气浮罐；2、切向进水口；3、出油口；4、稳流桶；5、收水口；6、出水口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
一种针对不同油滴粒径的高效油水分离方法，包括以下几个步骤：
S1、设定油滴-气泡粘附体体积为油滴体积与气泡体积之和，得到所述油滴-气泡粘附体粒径d与气泡粒径d2间的关系式1。本实施例中，气泡和油滴结合后，可理论认为油滴-气泡粘附体的体积为油滴与气泡的体积之后，因此推导出关系式1：
其中，d表示油滴-气泡粘附体的粒径，d1表示油滴粒径，d2表示气泡粒径。
S2、设定油滴-气泡粘附体质量与油滴质量相等，得到所述油滴-气泡粘附体密度ρh和油滴密度ρ1的关系式2。本实施例中，由于气泡的质量可以忽略，所以油滴在形成油滴-气泡粘附体混合物后，质量将不发生变化，因此有关系式2：
其中，ρ1为油滴密度，ρh为油滴-气泡粘附体密度。
S3、根据斯托克斯沉降原理，得到所述油滴-气泡粘附体粒径d与径向滑移速度Vsr间的关系式3。斯托克斯沉降公式为：
根据斯托克斯沉降公式，反推得到关系式3：
其中，d表示油滴-气泡粘附体的粒径，Vsr表示径向滑移速度，μw为水向粘度，r为旋流气浮罐半径，μθ为油滴-气泡粘附体切向速度，即切向进水口的速度，ρw为水相密度，ρh为油滴-气泡粘附体密度。
S4、根据关系式1、2和3，得到包含径向滑移速度Vsr与气泡粒径d2的关系式4：
S5、根据选定的旋流气浮罐和稳流桶结构，进行仿真模拟，计算得到滑移速度Vsr。
S5步骤的具体步骤包括：
S51、选定用于油水分离的旋流气浮罐和稳流桶结构；本实施例中，旋流气浮罐和稳流桶结构包括旋流气浮罐1和安装在旋流气浮罐内的稳流桶4，旋流气浮罐1的侧壁上设置有切向进水口2，顶端设置有出油口3，底端设置有收水口5和出水口6；稳流桶4的上部为锥形喇叭口结构，下部为圆筒形结构。旋流气浮罐1的半径r为150mm，高度为450mm，如图2所示。
S52、建立所述旋流气浮罐和稳流桶结构的三维模型。
S53、对所述三维模型进行CFD仿真计算，得到油相轴向速度仿真结果；本实施例中，CFD仿真计算是通过在Gambit软件中进行网格划分，划分完后导入Ansys Fluent软件中，利用Realizable k-ε湍流模型进行计算。
S54、在所述仿真结果中，选取一个穿过旋流气浮罐中心轴线的竖直平面，在所述竖直平面内的水平方向上等距离按不同高度选择8组油滴组，计算每组油滴组中每个油滴的轴向速度，结果如图3所示，图3中，line表示油滴所在水平线到旋流气浮罐底端的距离，即line120表示油滴所在水平线到旋流气浮罐底端的距离为120。
S55、在每组油滴组中，选取轴向速度为零且分别位于旋流气浮罐中心轴线两侧的两个油滴，得到零界油滴组，如表1所示：
表1油相轴向速度临界点数值
S56、在所述零界油滴组中，选取旋流气浮罐中心轴线同一侧面中径向位移差最大的两个油滴，计算得到所述径向位移差最大的两个油滴间的径向滑移速度Vsr。
如图4所示，从图中可以看出，位于两条曲线之间区域中，油相能够完全分离。因此，对油相施加适当的离心力能够使油相完全从水中分离。取径向差值最大两点(line90、28)和(line270、56)为研究参考点，由此可知，油滴在此两点之间轴向距离为180mm，油滴进入完全分离区的最大径向距离为122mm。
油滴-气泡粘附体从点(line270、56)运动至点(line90、28)轴向速度为：
上述表达式中，Q为流量，A为旋流气浮罐的横截面积。
因此，油滴-气泡粘附体在两点间轴向运动所需时间为：
要使得油滴-气泡粘附体够进入完全分离区并完全去除，则应使得位于line270最大径向位置处油滴-气泡粘附体，能够进入到完全分离区，即至少恰好运动到点(line90、28)处。因此假设位于line270最大径向位置处的油滴-气泡粘附体恰好能够运动至(line90、28)处，此时径向运动时间tr＝tz＝1.22s，由此油滴-气泡粘附体径向速度为：
S6、根据计算得到的滑移速度Vsr和关系式4，得到气泡粒径d2的大小。即将Vsr的数值带入关系式4中，
上述关系式中，Vsr、μw、r、μθ、ρ1已知，只需确定油滴的粒径d1大小，就能求出油滴油水分离所需气泡粒径d2的大小，本实施例中，分别取油滴粒径为10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm和100μm，求出相应油滴粒径所需气泡的粒径如表2所示：
表2不同油滴所需气泡粒径数值表
作出相应的曲线图，如图5所示，从表2以及图5可得出，要使油滴能够完全去除，需加入表2以及图4中相应粒径的气泡，若油滴粒径不在此范围，则可根据关系式4求得相应的气泡粒径。
S7、在所述旋流气浮罐和稳流桶中，注入粒径为d2的气泡，进行含油废水的油水分离，得到油水分离物。
工作时，带有一定压力的入口污水经气泡发生器后，从切向进水口2切向进入到旋流气浮罐1内作旋流运动，气泡和油滴在旋流气浮罐1内形成油滴-气泡粘附体；在旋流气浮罐1下部，密度相对较小的油滴-气泡粘附体在离心力的作用下向罐体中心汇聚和上浮，上升的气泡油滴粘附体在稳流桶4中聚集，并从出油口3排出；旋流气浮罐1内去除油滴的水经收水口5和出水口6排出，并再次循环一次。
检测分离后的油水分离物，得到油水的分离效率为98.6％，表明本发明设计的气泡，达到设计的要求，油水分离效率高。因此，本发明的方法大幅度缩短了设计周期、减小实验验证的次数，有效的降低了科研成本，具有很高的实用价值。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种针对不同油滴粒径的高效油水分离方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
S1、设定油滴-气泡粘附体体积为油滴体积与气泡体积之和，得到所述油滴-气泡粘附体粒径d与气泡粒径d2间的关系式1，所述关系式1为：
其中，d表示油滴-气泡粘附体的粒径，d1表示油滴粒径，d2表示气泡粒径；
S2、设定油滴-气泡粘附体质量与油滴质量相等，得到所述油滴-气泡粘附体密度ρh和油滴密度ρ1的关系式2，所述关系式2为：
其中，ρ1为油滴密度，ρh为油滴-气泡粘附体密度；
S3、根据斯托克斯沉降原理，得到所述油滴-气泡粘附体粒径d与径向滑移速度Vsr间的关系式3，所述关系式3为：
其中，d表示油滴-气泡粘附体的粒径，Vsr表示径向滑移速度，μw为水向粘度，r为旋流气浮罐半径，μθ为油滴-气泡粘附体切向速度，ρw为水相密度，ρh为油滴-气泡粘附体密度；
S4、根据关系式1、2和3，得到包含径向滑移速度Vsr与气泡粒径d2的关系式4，所述关系式4为：
S5、根据选定的旋流气浮罐和稳流桶结构，进行仿真模拟，计算得到滑移速度Vsr；
S6、根据计算得到的滑移速度Vsr和关系式4，得到气泡粒径d2的大小；
S7、在所述旋流气浮罐和稳流桶中，注入粒径为d2的气泡，进行含油废水的油水分离，得到油水分离物。
2.根据权利要求1所述的一种针对不同油滴粒径的高效油水分离方法，其特征在于，所述S5步骤的具体步骤包括：
S51、选定用于油水分离的旋流气浮罐和稳流桶结构；
S52、建立所述旋流气浮罐和稳流桶结构的三维模型；
S53、对所述三维模型进行CFD仿真计算，得到油相轴向速度仿真结果；
S54、在所述仿真结果中，选取一个穿过旋流气浮罐中心轴线的竖直平面，在所述竖直平面内的水平方向上按不同高度选择多组油滴组，计算每组油滴组中每个油滴的轴向速度；
S55、在每组油滴组中，选取轴向速度为零且分别位于旋流气浮罐中心轴线两侧的两个油滴，得到零界油滴组；
S56、在所述零界油滴组中，选取旋流气浮罐中心轴线同一侧面中径向位移差最大的两个油滴，计算得到所述径向位移差最大的两个油滴间的径向滑移速度Vsr。
3.根据权利要求2所述的一种针对不同油滴粒径的高效油水分离方法，其特征在于，所述旋流气浮罐和稳流桶结构包括旋流气浮罐(1)和安装在旋流气浮罐内的稳流桶(4)，所述旋流气浮罐(1)的侧壁上设置有切向进水口(2)，顶端设置有出油口(3)，底端设置有收水口(5)和出水口(6)；所述稳流桶(4)的上部为锥形喇叭口结构，下部为圆筒形结构。
4.根据权利要求3所述的一种针对不同油滴粒径的高效油水分离方法，其特征在于，所述CFD仿真计算是通过在Gambit软件中进行网格划分，划分完后导入Ansys Fluent软件中，利用Realizable k-ε湍流模型进行计算。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20210608 |
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