气浮中气泡粒径分布的实验研究毕业论文设计.docx
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气浮中气泡粒径分布的实验研究毕业论文设计
密级
公开
学号
070381
毕业设计(论文)
气浮中气泡粒径
分布的实验研究
北京石油化工学院
学位论文电子版授权使用协议
论文《滚动轴承的故障诊断与剩余寿命预算》系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品,并已通过论文答辩。
本人系作品的唯一作者,即著作权人。
现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。
本人承诺:
已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致,如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。
本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。
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注:
本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。
院系名称:
机械工程学院
作者签名:
学号:
070381
2011年6月17日
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
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后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
北京石油化工学院
毕业设计(论文)任务书
学院(系、部)机械工程学院专业环境工程班级环071
学生姓名指导教师/职称孔惠/讲师
1.毕业设计(论文)题目
气浮中气泡粒径分布的实验研究
2.任务起止日期:
2011年2月21日至2011年6月10日
3.毕业设计(论文)的主要内容与要求
(含课题简介、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果)
(1)课题简介
气浮法技术是国内外正在深入研究与不断推广的一种水处理新技术,目前已广泛应用于工业废水、城市污水和生活饮用水。
尽管气浮工艺已应用于污水处理多年,但是对气泡特性的研究直到近年来才引起研究者的注意。
进一步研究气浮中气泡粒径分布的相关影响因素,再根据调节影响气浮工作的因素数值以实现气浮的最佳运行效果,对使气浮净化技术达到最佳效果具有重要意义。
(2)任务与要求
本研究要求对气浮过程中气泡的粒径分布进行研究。
建立以多项流泵德国Edur泵为微气泡发生装置的小型实验装置;利用Mastersizer2000激光粒度仪,确定采用激光衍射法测量粒径分布的方法;对气浮过程中影响气泡粒径分布的因素如压力、真空度、矿化度、表面张力(PAC)、含油率等参数进行实验研究,综合分析各种参数对气泡粒径大小及分布的影响,并结合理论分析对实验现象进行初步解释。
本题目难易适中,工作量适中。
能够在一定程度上培养学生独立思考问题、解决问题的能力。
(3)应提交的成果
检索资料:
中文文献不少于15篇,英文文献不少于3篇;
英文翻译:
英文字符不少于2万,译文字数不少于5000字;
研究论文:
包括试验方案设计、相关试验数据、试验现象及数据分析。
4.主要参考文献
(1)范欣,何利民,王鑫,等.多相流泵溶气气浮中气泡粒径分布的实验研究[J].工程
(2)陈福泰,左华,李久义,等.新型气浮装置ES-DAF中气泡粒径分布的表征[J].(3)张东锋,多相流泵溶气气浮处理含油污水的实验研究[D]:
[硕士学位论文].北京.中国石油大学,2009
(4)HudsonJ.B.Couto,DanielG.Nunes,ReinerNeumann.Micro-bubblesizedistributionmeasurementsbylaserdiffractiontechnique[J].MineralsEngineering,
5.进度计划及指导安排
第1周接受任务书,熟悉题目,查阅文献。
第2周补充文献查阅,撰写文献综述初稿。
第3周完成文献综述及开题报告。
制作PPT,完成英文翻译。
第4周制定实验方案,熟悉实验仪器,购置实验耗材。
第5周画CAD设计与定制实验装置。
第6周定制实验装置进行调试运行。
第7-8周不同溶气压力对气泡粒径的影响实验。
第9周不同真空度对气泡粒径的影响实验。
第10周矿化度对气泡粒径的影响实验。
第11周表面张力(PAC)对气泡粒径的影响实验。
第12周含油率对气泡粒径的影响实验。
第13周对实验数据进行整理,补充实验,并进行分形维数分析。
第14周整理资料,撰写修改论文,提交论文、原始数据等全部资料。
第15周按照指导教师及评阅教师要求修改论文,制作PPT,准备答辩。
第16周答辩并完成答辩后的修改工作,提交全套资料。
任务书审定日期年月日系(教研室)主任(签字)
任务书批准日期年月日教学院(系、部)院长(签字)
任务书下达日期年月日指导教师(签字)
计划完成任务日期年月日学生(签字)
摘要
气浮净水技术是国内外正在深入研究推广的一种固液分离技术,广泛应用于炼油、造纸、印染、制革、食品、机械等行业的工业废水处理及生活污水处理。
本文在系统总结气浮技术的发展和研究现状的基础上,根据加压溶气气浮装置结构简单、操作方便,产生的气泡直径小、分布均匀的优点,以气浮分离理论为指导,设计构建了一套多相流溶气泵加压溶气气浮实验装置,并对影响气浮处理效果的因素进行了实验研究。
在清水状况下,通过对真空度(进气量)和压力的调节获得气浮效果最佳参数范围。
一定的真空度下,压力越大,气泡粒径越小。
加入矿化盐、PAC、煤油对气泡粒径有减小作用,但达到一定浓度后影响不再显著,而起泡剂对气泡粒径并无明显影响。
本实验装置产生的气泡粒径范围在30~70um,当真空度0.02MPa,出口压力0.4~0.5MPa时清水气泡粒径可达到40um左右,而加入PAC、煤油的气泡粒径可达到25um左右。
此外利用分形维数来表征气泡密度的相对量大小,实验表明在确定较小粒径的情况下,混合物的分形维数大于清水。
马尔文激光粒度仪测量方法简便易行,数据可靠性强,获得的粒径分布参数范围较为理想。
总之,本次的工作为气浮技术的更广更好应用提供了一定的基础理论指导。
关键词:
气浮,气泡粒径分布,激光粒度仪,气液多相泵,分形维数
Abstract
Airflotationtechniqueofwaterpurification,asakindofsolid-liquidseparationtechnique,hasjustbeeninthoroughresearchandexpansionathomeandabroad.Itisextensivelyusedforwastesewagetreatinganddomesticsewagetreatinginoilrefining,papermaking,printinganddyeing,foodstuffandmachinery,etc.Inthethesis,asystematicsummaryofthedevelopmentofflotationtechnologyandtheresearchstatusquoispresented.Inviewoftheadvantagesofpressurizeddissolvedairflotationsuchassimplestructure,easyoperation,smallbubblesandevendistributionofthebubbles,asetofpressurizeddissolvedairflotationapparatusisconstructedwithamultiphasepumpasitsair-dissolvingdevice.Andthemainfactorswhichinfluencetheeffectofairflotationarestudiedin-depth.
Inthepurewater,regulatingthroughthevacuum(gasflow)andpressurecanobtainthebestparametersrangeofflotation.Atacertainvacuum,thehigherthepressure,thesmallerthemicro-bubblesizeis.Theaddingofsalinity,PACandkerosenecanreducetheparticlesizeofthemicro-bubble,butafteracertainconcentrationithasnoobviouseffectasbefore,however,foamingagentshavenosignificanteffectonthemicro-bubblesize.Themicro-bubblessizegeneratedbytheexperimentaldeviceisintherangeof30um~70um,whenatvacuum0.02MPa,outletpressure0.4~0.5MPa,micro-bubblesizedistributioncanbeachievedatanoptimumstateof40um,whileaddingofPACandkeroseneitevenreachto25um.Inaddition,fractaldimensioncanbeusedtocharacterizethesizeofbubbles’relativedensity.Theexperimentshowsthatwhentheconditionisdeterminedbytherequirementofsmallerparticlesize,themixtureofthefractaldimensionislargerthanpurewater.
Malvernlaserparticlesizeanalyzerhasanadvantageofitssimpleoperationandreliabledatawhenmeasuringmicro-bubblesizedistributiontoachieveidealsizeparameterrange.Aboveall,alltheworkinvolvedinthepaperprovidescertainfundamentaltheoreticalinstructionforlocaldevelopmentofairflotationtechnique.
Keywords:
airflotation,micro-bubblesizedistribution,multiphasepump,laserparticlesizeanalyzer,fractaldimension
附录177
附录285
第一章前言
1.1选题背景
近年来,全球的环境污染不断恶化,其中水源的不断污染越来越成为一个国家发展刻不容缓的问题。
环保部2010年4月21发布的最新数据:
2008年我国废水排放总量为571.7亿吨,比上年增加了2.7%。
污水排放量很大,但污水处理率低:
工业废水处理率约80%,达标排放的只有60%。
90%以上的城市水域受到污染,50%左右地下水水质受到污染,50%以上的重点城镇的饮用水源不符合标准[1]。
2011年5月13日,国家海洋局在京召开新闻发布会,发布《2010年中国海洋环境状况公报》[2]。
该报告指出:
相比2009年海洋赤潮、绿潮灾害有所减轻,但是海上溢油事故风险加剧。
2010年7月16日大连新港石油储备库输油管道爆炸造成大量原油泄漏入海,事故邻近海域和部分敏感功能区受到不同程度影响。
如今随着石油工业的发展,陆地油田的不断耗竭,海洋石油产量,尤其是在过去20年间,其占全球石油总产量中的比重已从20%上升到30%以上了。
与陆上油田一样,海上油田的油井产出液中也不可避免地含有大量的地层伴生水。
20世纪80年代初,国内第一套由同济大学设计的日处理l000t规模的气浮装置,用来处理印染废水获得了成功,标志我国气浮设备的研制与开发迈上了一个新的台阶。
气浮技术因其在造纸白液的纤维回收、含油废水的处理;印染、化工、轻工、食品、制药等工业废水物化处理;各类生物处理中生物絮体与水分离(代替二沉池)等方面的适用以及具有处理效率高、效果好、对水质适应广等优点,正在得到深入研究和不断推广。
在净水工艺中的应用,气浮技术的进展一直不大,原因在于气泡的尺寸很难控制,后来国外出现了专用释放器,有各种形式的喷嘴、针形阀等,在国内也得到了应用。
70年代以后,人们改善了溶气方法,解决了溶气释放中产生的气泡尺寸及其数量这个关键性难题,气浮净水技术才得以采用和逐步推广。
1905年,美国专利刊出了加压溶气技术。
1907年,H.Norris发明了喷射溶气气浮技术。
因此,气浮技术的发展,尤其是针对其中的气泡尺寸及其数量问题的研究,将大大改善水质的处理效果,符合现代人对水质的追求,也将给我们的生活质量带来巨大的影响。
1.2气浮净水技术的发展
1.2.1气浮净水技术的发展历程
气浮法是一种历史悠久的固液分离技术,气浮净水技术在国内外应用广泛。
其原理是通过某种方式向废水中通入空气,并以微小气泡的形式从水中析出,然后以此为载体,粘附废水中的乳化油、微小悬浮颗粒等污染物质,使其随气泡一起上浮到水面,形成泡沫-气、水、颗粒(油)三相混合体,通过收集泡沫或浮渣达到分离杂质、净化废水的目的。
气浮技术最早应用于矿冶工业,其方法是先把矿石磨碎成粉粒,加水制成悬浊液,然后加入浮选剂,并通入气泡,使矿石中有用的成份粘附在气泡周围而向上浮起,不能粘附在气泡上的杂质则下沉,从而达到富集有用矿石的目的[1]。
由于它可用于固体与液体,液体与液体,水中不同的固体与固体甚至溶液中离子的分离,而且这种分离技术具有设备简单,分离速度快等特点。
因而近年来这种技术理论和应用的研究引起了越来越多的水处理和分析化学等科学工作者的广泛关注。
在水处理领域中,早在1920年,C.L.PECK就考虑用气浮法处理污水,1930年瑞典某造纸厂曾试用一种将空气在压力下溶解于白水的水处理中,但上述实验结果均未公开发表和引起足够重视。
直到1943年汉森和高雷斯的英文排水杂志上才公开发表了有关气浮法处理污水的文章。
在60年代,美国出现溶气气浮处理污水的报道,1960年,第一台叶轮气浮净化器出现在美国长滩油田。
上世纪60年代以前,气浮技术发展较慢,很少见其研究和应用的报道,究其原因主要是制造微气泡的技术没过关,特别是采用分散空气气浮时,产生的气泡不够微细,颗粒的粘附能力很差,大气泡还会产生严重紊流而撞碎絮体。
我国是最早研究气浮技术的国家之一。
随着工业的发展,特别是石油工业的发展,气浮净水技术被世界各国广泛用于炼油、石油开发、化工、造纸等行业。
1963年哈尔滨建工学院在对齐齐哈尔钢厂煤气发生站含酚废水进行预处理除油研究中用过射流浮选,试验除油效率为80%左右。
大庆油田设计院在1963~1965年期间,曾在东油库污水站用自制的叶轮浮选机进行过气浮试验,除油效率达到99.7%,但当时考虑到无定型的叶轮浮选机产品,且混凝除油也有较好的效果,因此从60年代到80年代中期,油田开发业一直没用气浮法处理含油废水。
我国在60年代末已有压力溶气装置应用于食盐溶液的净化和石油废水的处理。
70年代气浮技术迅速发展,当采
用部分回流溶气气浮法时气法时,显著改善了气浮的地位。
在水处理技术中,气浮法(也称浮上法)固-液或液-液分离技术已广泛地应用在下述几个方面:
1.在饮用水处理上,浮上法已成功地应用在处理低浊度、含藻类及一些浮游生物的水处理工艺中。
2.用于石油、化工及机械制造业中的含油(包括乳化油)污水的油水分离中。
3.用于有机及市政污水的物化处理工艺中。
4.用于废水中有用物质的回收,如造纸厂纸浆纤维及填料的回收工艺。
5.与有机废水生物处理相配合用浮上法代替二次沉淀池,特别对于那些易于产生污泥膨胀的生物处理工艺中,可保证处理工作的正常运行。
6.已研究应用在对污水处理厂剩余污泥进行气浮浓缩的处理工艺[3]。
1.2.2气浮净水技术简介
气浮法主要用来处理废水中靠自然沉降或上浮难以去除的乳化油或相对密度接近于水的微小悬浮颗粒。
根据气泡产生方式的不同,气浮法可分为电解气浮、散气气浮和溶气气浮法三种,其中部分回流水加压溶气气浮法是一种国内外常用的气浮方法。
此外,还有生化气浮、离子气浮等[4]。
(1)电解气浮
电解气浮法是向水中通入5~10V的直流电压,废水在直流电压的作用下电解产生H2、O2和CO2等的微小气泡。
利用电解法产生的气泡密度小,直径10~60um,浮升过程中不会引起水流紊动,浮载能力大,特别适用于脆弱絮凝体的分离。
如果采用铝板或钢板作阳极,则电解溶蚀产生的Fe2+和A13+离子经过水解、聚合及氧化,生成具有凝聚、吸附及共沉作用的多核轻基络合物和胶状氢氧化物,有利于水中悬浮物的去除。
但由于存在电耗较高,电极板易结垢等问题,目前该法主要用于小规模的工业废水处理和污泥浓缩中。
电解气浮除用于固液分离外,还有降低有机物、氧化、和杀菌作用,对废水符合变化适应性强,生成污泥量小,占地面积少,不产生噪声。
(2)机械搅拌气浮
机械搅拌气浮是利用机械剪切力,将混合于水中的空气粉碎成细小的气泡,以进行气浮处理的方法。
按粉碎气泡方法的不同,散气气浮又分为:
水泵吸水管吸气气浮、射流气浮、扩散板曝气气浮以及叶轮气浮等。
叶轮气浮法是机械搅拌气浮中最常用的一种,其基本原理为:
依靠叶轮的高速旋转形成的负压,吸入气体并将其剪碎,形成微小的气泡,利用气泡携带污水中的污染物质上浮至水面,以净化污水。
叶轮高速旋转时,在固定的盖板下形成负压,气体从进气管中吸入,进入水中的气体与循环水流一起被叶轮充分搅拌,在叶轮剪切力作用下,气体被剪碎为微细的气泡并与循环水流一起甩出导向叶轮,经过稳流板消能,气泡携带污染物质垂直上升,进行气浮处理。
叶轮气浮法的气浮效果取决于叶轮的转速、浮选剂的投加量和污水在浮选池内的停留时间。
叶轮的转速愈高,产生的负压越高,吸入的气量大,并且能够将其剪切成更小的气泡而有利于气浮处理。
但转速过高时,提高了油珠和悬浮物的乳化程度,使其以更细小的颗粒存在于水体中,这样反而会使处理效果下降。
浮选剂的投加一方面减弱了絮体表面的亲水性,增强其疏水性,以利于气泡与絮体的粘附作用,另一方面降低了气、水界面的界面张力,减小了气泡之间相互兼并的几率,使细小气泡能够稳定地存在于水体中。
污水在浮选池中的停留时间,直接影响着气泡与絮体及气泡之间的碰撞接触时间,在气浮处理中,存在着三种不同的碰撞和粘附作用:
①气泡与絮体之间;②气泡与气泡之间;③携带气泡的絮体之间。
后两种粘附作用会降低水体中的气泡密度,破坏已上升的絮团结构,而不利于气浮处理。
如果停留时间太短,粘附气泡的絮体未能上浮至水面就随着出水流出,处理效果不理想;停留时间过长时,气泡之间与携带絮体的气泡之间的兼并量增大,也会降低气浮处理的效果。
(3)加压溶气气浮
溶气气浮是使空气在一定压力下溶于水中并呈饱和状态,然后使废水的压力骤然降低,这时空气便以微小的气泡从水中析出并进行气浮。
这种方法形成的气泡直径只有80um左右,而且可以人为控制气泡与废水的接触时间,因而处理效果远比散气气浮好,应用也更为广泛。
根据气泡从水中析出时所处的压力不同,溶气气浮又可分为两种方式:
一种是溶气真空气浮,空气在常压或加压下溶于水中,而在负压下析出;另一种是加压溶气气浮,空气在加压下溶入水中,而在常压下析出。
加压溶气气浮广泛地应用于含油污水的处理,通常作为隔油后的处理和过滤或生化处理前的预处理,其气浮装置一般应包含加压溶气系统、微气泡发生系统和悬浮物分离系统等。
其中,微气泡发生系统的溶气释放器只有产生微气泡的密度较高,才能提高气浮的净水效果。
同济大学于1978年研制成功TS278型低压溶气释放器,陈林峰于1999年研制成功高效溶气释放机[4]。
根据加压方式的不同,加压溶气气浮法具有三种不同的基本流程:
全流程溶气气浮、部分溶气气浮和部分回流溶气气浮。
全流程溶气气浮法是将全部废水用水泵加压,在泵前或泵后注入空气。
在溶气罐内,空气溶解于废水中,然后通过减压阀释放将溶气废水送入气浮池。
减压释放后的溶气废水在气浮池内形成许多小气泡,粘附废水中的乳化油滴或悬浮物颗粒,一起上浮至水面,在水面上形成浮渣。
用刮板将浮渣排入浮渣槽,最后经浮渣管排出池外。
处理后的净化水通过溢流堰和出水管排出。
其特点为:
①溶气量大,增加了油粒或悬浮颗粒与气泡的接触机会;
②在处理水量相同的条件下,比部分回流溶气气浮所需的气浮池小,减少了基建投资;
③由于全部废水经过压力泵,所以增加了含油废水的乳化程度,而且所需的压力泵和溶气罐均较其它两种流程大,因此投资和运转动力消耗较大。
部分溶气气浮法是取部分废水加压和溶气,其余废水直接进入气浮池并在气浮池中与溶气废水混合。
其特点为:
①较全流程溶气气浮所需的压力泵小,故动力消耗低;
②压力泵
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