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水力空化机理及处理油田污水实验研究

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水力 机理 处理 油田 污水 实验 研究
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中国石油大学(北京)硕士学位论文水力空化机理及处理油田污水实验研究姓名:冯高坡申请学位级别:硕士专业:机械设计及理论指导教师:董守平;李清方20080501摘 要空化是指由于液体中的局部低压(低于相应温度下该液体的饱和蒸汽压)使液体汽化,从而引起的空泡产生、长大和溃灭的整个过程。空泡溃灭时将产生瞬时的高温、高压、强烈冲击波和高速微射流。这种极端条件,足以使有机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧、高温分解或自由基反应,满足降解污水有机物的条件。水力空化具有反应装置简单、能耗相对小、操作方便、维护费用低、易实现规模化等优点。因此,研究水力空化规律,将水力空化成功应用于油田污水处理,具有重要的实用价值和学术意义。实验研究了水力空化技术对亚甲基蓝溶液和油田污水COD的降解能力,分析了操作参数、空化数和结构参数等因素对水力空化技术物化效应的影响,并指出了最佳的实验条件。组建了水力空化联合臭氧的实验装置,探讨了联合工艺的实验方法,考察了不同臭氧通入量下的油田污水COD的去除率,并对影响油田污水COD降解效果的因素进行了分析研究。关键词:水力空化;污水处理;孔板;臭氧Theory oH Hydrodynamic Cavitation and Its Investigationon Field Produced Water DisposalAbstractCavitation is a process of vapor bubble’S generation,growth andbreakdown because of the abrupt change of pressure inside the liquid.At themoment of bubble breakdown,instantaneous high temperature and pressurewill be produced in the subminiature area around the bubble,and the violenceshock wave and high speed jet flow will also be induced.At the ex仃emecondition,it's easy for organics inside the bubble to be degradated.Compmdto other cavitation methods,the hydrodynamic cavitation has manvadVantages,such as simple reaction operator,less energy consumption,convement operation,lower maintenance cost and readily scale up.SO it ismeaningful to inivestigate the regular pattern of hydrodynamic cavitation.andapply it on produced water disposal.Degradations effect of hydrodynamic cavitation on mythylene blue andCOD of field produced water is studied.The influences on hydrodynamiccaVitation such as operation parameters,cavitation number and strucnIres.etcare analysed.And the optimum experimental conditions are pointed.Experimental setup of hydrodynamic cavitation combined with ozone isbuilt up·Experimental methods and degradation rates of COD of fieldproduced water in different ozone quatity are investigated,and the irmuenceon degradation effect iS discussed.Keywords:hydrodynamic cavitation,produced water disposal,oriftce,ozone主要符号表主要符号表P——液体内的压力,Pa;o——液体表面张力系数,N/m:R——气泡半径,m:PB——泡内压强,Pa;Pg——气核内气体的分压,Pa;Pr饱和蒸汽的压强,Pa;Cp——压强系数;P一无穷远处液体的压强,Pa:Rr气核初始半径,m;Rr气核最终平衡半径,m;C一水流的空化数;Ci——初生空化数;Cr消失空化数;丫——液体的重度k∥m3;g——重力加速度k∥m2;0【——总孔周长与总过流面积的比值,ITffn~:D旷—-孑L面积与管道横截面积的比值:万——孔板厚度,mm;Pm——热点最大压力,Pa;D——管路直径,l'nlTl;d——小孔直径,IIUTI:n——孑L数;vr流体的平均流速,m/s;Q_一管路液体流量,m3/11;P I——流体的密度,k∥m3;“——粘性系数,Pa.s:63主要符号表COD一化学需氧量,mg/L:V6旷—-60分钟硫代硫酸钠标准溶液用量,mg:C Na2s203——彳琉代硫酸钠标准溶液浓度,mol/L。第1章前言1.1课题研究的意义第1章前言空化是指在液流中由于压力的突然变化而产生气泡暴发和溃灭的过程。空化是一种非常复杂的流体动力现象,是液体所特有的。当流场中某处的局部压力低于该处液体的饱和蒸汽压力时,不仅溶在液体中的气体会逸出,而且液体也开始汽化,在液体中形成许多由空气和蒸汽组成的空泡,这些空泡被液体流挟带着到达高压区时溃灭。空泡初生、长大和溃灭的整个过程就称为空化。研究表明u_3:空泡溃灭时将在空泡周围的极小空间内出现热点,产生瞬时的高温(约5 200 K)和高压(50 MPa以上),并能形成强烈的冲击波和速度高达100rrgs以上的微射流。因此,空泡溃灭时将伴随极其复杂的多种物理、化学效应。在机械行业,空化现象对于高速运转的水力机械破坏性极大,主要危害是损坏阀门、振动和噪声,一般均极力避免这种空化现象。但另一方面人们又认识到这种“破坏现象”背后具有极大的能量利用潜力,随着人们对空化机理和空化诱发物化效应的深入研究,水力空化技术开始成功应用于多个领域,如掺气水射流、空化清洗技术以及加热输送等方面。80年代末发展起来的超声空化降解水中毒性有机污染物技术,是一种高效、低成本的水处理方法,但由于超声空化的最大弊端是难以实现工业化,人们开始研究另一种产生空化的方法,即水力空化。与超声空化相比,水力空化具有反应装置简单、能耗相对小、操作方便、维护费用低、易实现规模化等优点。因此,研究水力空化机理及水力空化诱发物化效应的影响因素,从而将水力空化技术成功地应用于油田污水处理, 不仅对提高石油工业的经济效益具有重要的实用价值,而且具有重要的学术意义。第1章前言1.2水力空化技术现状1.2.1水力空化装置和数值模拟依据水力空化产生的原理可以设计出多种类型的水力空化装置,近几年来对水力空化装置的研究集中在水力空化射流装置、水力空化孔板装置和水力空化文丘里装置。1 998年,Kalumuck和Chahine设计了一套水力空化射流装置,研究表明了该装置比用超声波装置(超声角)在能效方面呈二次方比例增加口1。沈忠厚等在石油钻头或钻杆上增加了一个附加的水力空化射流装置,以便在井底产生空化射流,用来直接或辅助机械破岩,提高钻井速度H3。刘峰等利用水力空化射流装置处理乳化含油废水,其射流空化发生器是阶梯状渐缩式结构,经过实验研究证实了射流空化对乳化含油废水有较好的处理效果嵋1。2000年的Jyoti和Pandit,2001年的Sivakumar和Pandit,他们分别设计了一套水力空化孔板装置,实验表明了空化强度和空化数可以用不同的孔板进行有效的控制∞’7‘。2004年,魏群等设计了两种水力空化孔板装置,探讨分析了空化数和进口压力对降解罗丹明B的影响,。提出了水力空化降解罗丹明B与时间的规律和不同孔板存在最佳的操作参数的观点阳1。2004年,王夙等采用不同厚度、孔数和孔径的孔板作为水力空化发生装置,研究了水力空化对罗丹明B的降解效果,得出了孔板几何尺寸与空化处理效果的关系[9】o杨会中设计了水力空化文丘里装置,指出当入口压力为0.4MPa、温度为30℃、掺气率为3.90%.5.82%、空化器喉部直径为4mm、扩张段锥角为80时,该装置可以达到最佳空化效果n叭。水力空化的模拟则集中在文丘里和孔板装置。2001年,V S Moholklar和A B Pandit禾lJ用数值模拟的方法研究了水力空化中气泡流的动力特性,用一种连续气泡混合模型研究了文丘里的一维气泡流动。这种非线性气泡流的动力特性用Rayleigh.Plesset公式进行了模拟“¨。模拟结果表明:在流体流动过程中气泡与气泡和气泡与流体的相互作用对气泡流型有重要的影响作2第1章前言用。一些参数譬如:下游恢复压力、文丘里与管截面积的比率、截面初始含气率、气泡的初始尺寸在流体动力特性方面的影响也已经被研究。并且,根据模拟结果,提出了一些关于水力空化装置有效设计和大型化方面的建议。2001年,V S Moholklar和A B Pandit又利用非线性连续混合模型对文丘里和孔板装置水力特性进行了数值模拟n引,研究表明:文丘里的空化流动中气泡的辐射运动属于稳定的振荡型,而孔板空化流动中气泡的辐射运动属于稳定的振荡和瞬时运动型。这是由于两种不同类型的压力梯度作用的结果,即线性平均压力梯度和振荡湍流压力梯度。因此,在孔板流动中产生的空化强度要比文丘里的高许多。1.2.2水力空化诱发物化效应的研究2004年,张风华等分析空化水射流中的微空泡溃灭时瞬时局部高温、高压产生的特殊的物理环境引发的复杂化学效应:直接热分解、自由基的氧化和超临界水氧化,划分了空泡溃灭时化学反应区域,分析了空化水射流化学效应的影响因素n引。2006年,向文英等通过射流空化的实验研究,指出了缩放型空化喷嘴比普通收缩型喷嘴能产生更好的空化效果,并认为缩放型空化喷嘴产生的空化射流的冲蚀深度、切缝直径随着围压的增大而逐渐减小,切孔具有明显的双孔效应n钔。2005年,张晓冬等通过水力空化孔板装置对KI水溶液的分解反应检测了水力空化的化学效应,分析了实验装置的几何特性、水力学特性及溶液浓度等对空化强化效应的影响¨51。2007年,张晓冬等利用亚甲基蓝为捕捉剂,通过分光光度法间接测定了水力空化产生的羟基自由基,分析了管路上游压力、液体温度、空化作用时间等宏观参数对自由基产量的影响,以及自由基与空化强度的关系n们。1.3论文研究内容本文以室内实验为主要研究手段,主要做了以下几方面工作:3第l章前言a.水力空化实验装置的建立通过理论分析和数值模拟,设计加工了一套室内研究水力空化技术诱发物化效应的实验装置;b.水力空化诱发物化效应的实验研究实验研究了水力空化技术对亚甲基蓝溶液和油田污水COD的降解能力,分析了操作参数、空化数、结构参数等因素对水力空化技术物化效应的影响,并指出了最佳的实验条件;c.水力空化与臭氧联合工艺降解油田污水COD的实验研究组建了水力空化联合臭氧的实验装置,探讨了联合工艺的实验方法,考察了不同臭氧通入量下的油田污水COD的去除率,并对影响油田污水COD降解效果的因素进行了分析研究。4第2章水力空化机理及诱发的物化效应第2章 水力空化机理及诱发的物化效应2.1空化的产生和空化效应众所周知,在常温常压下,液体分子会逸出表面而成为气体分子,我们把这个过程称为“汽化”,它又分为蒸发和沸腾两种方式,蒸发发生在液体表面,而且在任何温度下都会发生,而沸腾则是在整个液体内部发生的剧烈汽化过程,此时液体内部会有大量气泡产生,常压下沸腾仅在沸点时才发生。如果保持水流速度不变,降低水面压强,当达到一个临界值时,水体内部原来含有的很小的气泡(通称气核)将迅速膨胀,在水中形成含有水蒸汽或其它气体的明显气泡,这种现象类似于沸腾。为了与沸腾相区别,常把压强降低使水(或其它液体)发生汽化的过程称为“空化”(Cavitation)。空化在水中形成的空洞称为“空穴"(Cavity),球形空穴称为空泡,较大的空穴称为空腔,带有空穴的水流称为空穴流。流体流经局部区域,如果压强低于某临界值时,流体也会发生空化。在低压区空化的液体带着大量的空泡形成了“两相流”流动,因此破坏了液体宏观上的连续性。如果挟带着空泡的流体流经下游压力较高的区域时,空泡将发生溃灭(Collapse)。因此空化现象包括空泡的发生、发育和溃灭,是一个非稳态过程。研究表明口1:空泡溃灭时,极短时间内在空泡周围的空间出现热点(Hotspot),热点产生出l 900"-'5 200 K高温和超过5.065x10 7Pa的高压,温度变化率高达109K/s,并伴随强烈的冲击波和速度达400km/h的微射流,这种极端高温、高压、高射流是以每秒数万次连续作用产生的,有时还会有发光、发射低频电磁波等现象,空化现象所具有的这种特性被称为“空化效应”。当溃灭发生在固体表面附近时,流体这种高压强的反复作用,可以破坏固体表面,这种现象称为“空蚀”。起初人们研究空化现象的目的就是为了避免空蚀现象,后来人们发现空化现象所蕴含的这种巨大能量能5第2章水力空化机理及诱发的物化效应冲刷固体表面、提高流体温度、强化传热、破坏分子化学键等功能,因此空化效应开始广泛应用于多个领域,如掺气水射流、空化清洗技术以及加热输送等领域。2.2气核、空化数与空化初生关于空化产生机理,由于液体结构还不十分清楚,目前尚无明显的理论说明。有些学者提出过某些假设,比较能为人们接受的是哈维的稳定空泡核子机理假说。2.2.1气核悖论对于不存在任何空泡的“纯”水而言,它的抗拉强度相当大,可以用图2.1所示的球形微团模式求其极限抗拉强度。T2R土图2.1球形微团静平衡设P为使“纯水”破坏的最大拉应力;o为“纯水”的表面张力系数,对于和空气接触的水面,在20。C时,萨0.0728N/m;R为表面张力作用的有效距离。则平衡方程为:2xRcr=xR2P (2.1)则 p:娶 (2.2)1 R水的R≈10-10m;可算出“纯水”被拉断时所需的拉应力约为1456000kN/m2(超过10000个标准大气压力)。6第2章水力空化机理及诱发的物化效应然而,不少学者曾用各种办法对“纯水"的极限抗拉强度进行实测所得结果差别较大,见表2.1m3。表2.1水的极限抗拉强度(kN/m2)实验还表明,水的抗拉强度与水温有密切关系,在10。C时水的抗拉强度最大。由表2.1可以看出,要使“纯水”破坏需要很大的拉应力。实际上,只有特殊处理的“纯水”才可以承受拉力,自然界中的水却只能承受很大的压力。因为一般情况下实际水体中经常存在很多含有气体或蒸汽的小泡(称为“气核”或“空化核”,简称“核子”)以及固体微粒等异相介质,因而大大地降低了水的抗拉强度,水体很容易被“拉断”而发生空化现象。空化是由于液流系统中的局部低压使液体蒸发而引起的气核爆发性生长的现象,因此低压和气核的存在是产生空化现象的两个必要条件。可是,液体中存在气核是与通常的物理概念相矛盾的。假如一个球状泡悬浮于液体中,则泡内外压强的平衡关系为:P:PB一丝 (2.3)2 一—R— Lz’jJ式中:P8,P一泡内、外压强;R一泡半径;仃一表面张力系数。由于空泡中的气体是由没有溶解的可溶解气体或水蒸汽组成,显然大的气核受到浮力的作用将逐渐上升到水面而溃灭,若气核的内部含有不可7第2章水力空化机理及诱发的物化效应溶解的气体,那么当气核半径小到一定程度时,靠液体分子的布朗运动可以维持稳定悬浮,由于泡内的气体溶解需要较长时间,因此对于短暂的历时,可以认为气核内的气体是不可溶解的,当气核半径R。很小时,由液体表面张力引起的附加压力2万/风较大,于是核内气体压强将高于泡壁处的流体压强,核内的气体慢慢通过泡壁扩散而逐渐溶解,最后气核消失,从以上分析可以得到如下结论:大气核因浮力作用上升至水面而逸出,小气核则由于气体的不断溶解而溃灭,称为气核悖论,但实际上,却观察到液体中气核的持久悬浮。2.2.2哈维的稳定空泡核子机理假说关于气核悖论目前仍无法正确解释。现有的核子理论在很大程度上带有臆想性,由核子发展成为空化的过程还只是推测。但是,不假设气体核子的存在,就不能设想水体中在某种低的临界压强下会出现空化,因此就不得不再假定核子具有一系列附加特性,以保证它们能够存在于水中,并处于稳定动平衡状态。许多研究者对这些附加特性提出过各种设想。目前,公认比较满意的是由美国E.N.Harvey于1947年提出的稳定的气泡核子机理假说¨引:气体核子是水中固体颗粒或绕流物体表面缝隙中未被溶解的一些气体,而这些固体表面是憎水性的,使得在缝隙中的气体形成一个凹面的自由表面,如图2.2(A)所示。设缝隙成锥形,其夹角为20【,凹形自由表面的接触角为0。,对憎水性固体表面,0c>(rd2-I'-0【),在这种情况下,表面张力作用将阻止液体进入缝隙,这样,液面平衡时应存在下列关系:9,rPg+pP=Pl一等 (2—4)^式中:Pg一空穴内气体的压强;P矿一空穴内蒸汽的压强;A一水体内压强:o一表面张力系数:尺一界面的曲率半径。8第2章水力空化机理及诱发的物化效应(A)和(B) (C)平衡界面 瞬态界面 最终平衡界面Ri_初始平衡界面;Rf=最终平衡界面图2.2气体.蒸汽空腔在憎水性裂缝内的稳定作用假设P矿和。都与R无关,考虑下列两种不稳定的瞬态情况:当P。大于饱和值时,如图2.2(B)所示,气体将扩散至水体,水面将向气体内部推进,此时接触角0A>0。,半径Rd'于平衡值,同时气体中的P,将减小。当气体扩散达到平衡时,接触角仍趋于0。;此时界面稳定在一个新的位置上,而且Rf>Ri,显然,由于表面张力的作用,I坏可能等于零;当P,小于饱和值时,如图2.2(C)所示,由水中向空穴扩散的气体将使空穴增大,此时,界面向水体内部后退,而接触角0BC时,水流中无空化产生;当G=e时,处于空化的临界状态;当G儿时,气泡为膨胀状态,此时取ZI。2.4空泡的溃灭如果气泡外部流场压力增大,当大于泡内压强时,空化气泡将被压缩,其体积缩小,导致空化气泡不再稳定,这时气泡内的压强己不能支撑其自身的大小,开始溃陷,产生空化效应。当水流产生空化后,由于液体流速很快,微气泡的生成、增大、收缩、崩溃的时间很短,从而导致气泡附近的液体产生强烈的激波,形成局部点的极端高温高压。可见空泡的溃灭是造成空化效应的重要因素,因此研究空泡的溃灭有着重要的意义。空泡溃灭是一个极其复杂的物理过程,迄今为止,单靠纯解析的理论方法还无法分析气泡溃灭的全过程,这一工作只能靠实验和数值模拟的方法。利用高速摄影技术(1 000 000帧/秒以上),实验已能描述气泡溃灭时的形状和射流顶端的速度大小,但由于气泡尺寸较小,而气泡产生射流后的溃灭速度极快,要详细测量目前还有困难。19第2章水力空化机理及诱发的物化效应八。C..............J最初附着的空泡形空泡图2.5单气泡的溃灭厂—,、.-L_.____.-_._-_JL-空泡顶部的扰动d厶微射流对壁面的撞击Q g的羹受到压力 受压面的 射流。口 出嘞lb初贻球形空泡 离表面远一 上翻琉体穿如侧菠到扰动空泡乎扁一匿 射流的形成(3)空泡近边壁溃灭图2.6射流一溃灭模式图2.5所示的是一个近壁处气泡溃灭的图片。鼻1。图中每张图片的时间间隔是29s,图片宽度为1.4mm。由图片可以看出,气泡溃灭时间短暂,几乎20第2章水力空化机理及诱发的物化效应在瞬间完成,溃灭时产生了指向壁面的微射流。图2.6为不同位置处空泡的射流一溃灭模式瞄3。从图中可以看到,气泡所处位置不同,溃灭模式也不一样,射流的形成方向不同。附着在壁面或者临近壁面的气泡,溃灭时都会形成指向壁面的微射流,因此会造成壁面的空蚀。远离壁面的气泡,溃灭时射流在流体内部产生,形成一系列的空化效应。目前,对于空泡溃灭产生巨大能量的现象可以用空泡群理论解释,目前关于空泡群溃灭过程有如下几个模型口71:(1)单个空泡溃灭时,形成的冲击波叠加成一个单个的高强度的破坏性冲击波;(2)多个空泡同时发生溃灭时,构成一个巨大的冲击波;(3)基于能量传递的观点,溃灭的空泡将能量传递给未破裂的。外部空泡的破裂导致其周围局部压力增加,这个压力使其内部空泡破裂,因此,单个空泡的潜在破坏性或溃灭压力沿空泡群中心逐渐增加。目前的研究中,更倾向于采用第三种模型来解释现有的空泡溃灭时的情形。由于空化过程蕴含着十分复杂的湍流现象,而湍流问题的研究一直是流体力学上的难点,所以,直接模拟空化流场来计算空化能量是十分困难的。现在所取得的计算结果也是将空化流场进行相当大程度的简化,所得结果均误差较大,且计算量也相当大。表2.2是早期的对溃灭压力的一些计算结果u¨。表2.2早期的空泡溃灭时计算的压力在早期的研究中由于实验条件的限制鲜有用实验方法测量的。Harrison报导过在离溃灭点lO厘米处液体中的压力测量,记录到压力峰值达Nlo个21第2章水力空化机理及诱发的物化效应大气压。他推断,在溃灭点可能显示高达4000个大气压的压力。也有研究者通常利用研究产生空化、空蚀破坏的水利设备上的麻点、凹坑的形态和大小来估算空化泡溃灭时产生的高温高压。随着传感器的发展,压电式传感器逐渐成为研究者们利用的主要测量工具,但这些传感器都需要特别设计制造。Jones和Edwards利用自治的压电式传感器测得溃灭压力最高可达10GPa,鼬reiczyk利用类似的方法测得压力范围为4.8"--8.1GPa。从可以获得的这些数据中可以看出,空泡就好像一个能量高度集中的微小体,一旦溃灭压力会大得惊人。由于空泡在溃灭时会产生如此大的能量,高温、高压的极端条件,是产生一系列空化效应主要原因,主要包括机械效应、热效应、发光效应和活化效应等。这些空化效应被广泛应用到各个领域,水力空化处理油田污水主要就是利用了空化发生时的活化效应。2.5水力空化诱发的物化效应由于空化现象的微观性,一般设备很难对其进行直接的研究。而空化发生时产生的特殊效应又可以借助一定的方法和设备进行宏观的捕捉。研究认为“剐:空泡溃灭时,极短时间内在空泡周围的空间出现热点(Hot spot),热点的理论温度(T)和压强(P)分别为:r=竺一 (2.43)R嘲吲寿 协销,式中:To、eo、m、卜水体温度、水的蒸汽压、热点最大压力和饱和特征值。热点产生出1 900~5 200 K高温和超过5.065×10 7Pa的高压,温度变化率高达109K/s,并伴随强烈的冲击波和速度达400km/h的微射流,这种极端高温、高压、高射流又是以每秒数万次连续作用产生的,这些条件足以第2章水力空化机理及诱发的物化效应使有机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧、高温分解或自由基反应。在空化产生的局部高温、高压环境下,水被分解产生H·和·OH自由基(·OH的氧化能力仅次于元素F),另外溶解在溶液中的空气(N2和02)也可以发生自由基裂解反应产生N·和O·自由基,这些自由基会进一步引发有机分子的断链、自由基的转移和氧化还原反应n 31。水离解中有下列反应发生:H20专‘OH+H‘·0H+‘0H---}H202H.+H‘一H 2H.+‘OH---).H20H·+02 j H02‘2H02。jH202+02H·+H202---}H20+·0HH。+H202一H2+H02’H202+‘OH--}H20+H02。‘OH+H2—'H20+H。据Hua心州估计水中空泡表面.OH的浓度为4x 10~mol/L。在氧气饱和的水溶液中,还会产生下列反应:02-9,20。O.+02专03H.+02—÷‘0H+O。O‘+H2—>‘OH+H‘O.+H02‘一。OH+02O.+H202---)'‘OH+H02·当有氮气存在时:N2—2N··OH+N·—'NO+H·-0H+NO—争HN0223第2章水力空化机理及诱发的物化效应’0H+N0专N02+H‘2N02+H20—》HN02+HN03H·+N·—'NHNH+NH—N2+Hz02+N。_NO+O·空泡溃灭时水发生裂解,在水溶液中产生了局部的高浓度的氧化剂如·OH和H202,它们能直接氧化水中化学污染物。·OH是常用氧化剂中最强的氧化剂,其电极电位达到2.70V,仅次于F2,容易攻击高电子云密度的有机分子部位,形成易氧化的中间产物;·OH容易加在有机分子碳碳双键上,.OH能脱去有机分子上的一个氢,形成R·自由基,R·能被水中溶解氧进一步氧化成ROO·,ROO·也是强氧化剂,这样自由基不断产生不断氧化,大大增强了空化的氧化效率。另外,空化效应过程中产生的强烈冲击波可直接将有机物分子击碎,加速氧化分解的进程。24第3章水力空化诱发物化效应的实验研究第3章水力空化诱发物化效应的实验研究3.1水力空化实验装置3.1.1实验装置的建立空化现象是发生在液体介质中的特有现象,而液体中空化的产生是由于流场中局部压强过低引起的,如何改变液体的流动状态,使得液体的局部压强降低到接近液体在该温度下的临界压力,从而产生空化。下面讨论导致液体中压强降低的原因。当装置运行稳定后,我们可以认为液体的流动是定常流动。对于恒定渐变总流,我们可以建立如下能量方程:gz,+争+v2,Z=gZ2+等+孚+k (3.1). ,K2其中,甩w 5庀志为水头损失,Zl、Pl、Vt分别为某基准点(未受干扰)点的位置、绝对压强和平均流速;Z2、P2、V2分别为空化初生处的位置、绝对压强和平均流速;7为液体的重度;k为水头损失系数;g为重力加速度。由式(3.1)可以得到:最=鼻一等[(1+七)%2-v,2】一yg(z2一z1) (3.2)其中P为液体的密度。由式(3.2)可知,空化发生处的压强是随着流速和位置的增加而降低的,压力降至接近或低于临界压强时会有空泡产生,从而产生空化现象。当(z:一z。)值极小可以忽略不计时,式(6—2)可以简化为:P:=崩一鲁[(1+七)∥;一吲 (3.3)当PI一定时,Vl就为一定值,通过减小节流面积来提高V2,就可以获得较小的P2,当P2足够小时就会产生空化现象。实验装置如图3.1、3.2所示,该实验装置为一闭路循环系统,主要第3章水力空化诱发物化效应的实验研究有离心泵(扬程55m,流量833L/rain)、配用电机(功率15kW、转速2900r/min)、储水罐和管路组成,其中管路采用DN50镀锌钢管,空化发生段采用有机玻璃装置(壁厚10mrn)便于观察空化现象。多孔孔板选择优质碳钢材料,利用线切割进行小孔的加工。图3.1实验装置流程图阀2图3.2实验装置图多孔孔板具有空化强度大、化学反应强烈的特点,因此实验所用空化器选择多孔孔板。实验所用多孔孑L板结构如图3.3所示。26第3章水力空化诱发物化效应的实验研究孔板2/——、\/。 : 。\/ 。o o oo \{o o o o o。\\。00。0 00。//\0 /\ /孔板5图3.3多孔孔板结构具体尺寸如表3.1所示表3.1多洞孔板结构尺寸注:a为总孔周长与总过流面积之比,Do为孔面积与管道横截面积之比。3.1.2实验孔板的水力特性进行实验前,首先建立起了水力空化装置的水力特性,它是计算空化数的基础,也是检验和指导水力空化装置数值模拟的必不可少的条件。本文所用的入口压力和下游恢复压力值均为表值,实验孔板的水力特性如下:(1)入口压力与流量的关系27面f/.::≥.蒜蘧.露∑瓶藏霪攀罄。面第3章水力空化诱发物化效应的实验研究2520r--,o 15吕\Cy10入口压力/MPa图3.4入12压力与流量的关系(2)入口压力与下游恢复压力的关系对山=\R坦划≤按仁入13压力/MPa图3.5入12压力与下游恢复压力的关系3.2降解亚甲基蓝溶液的实验研究3.2.1分光光度法的建立亚甲基蓝(mythylene blue,简称MB)是自由基聚合链的高效阻聚剂,第3章水力空化诱发物化效应的实验研究对自由基有极高的亲和力和淬灭作用。MB与-OH反应生成的无色加合物则不能再被氧化显色,也不能再被还原显示,MB分子中有一个中间价态的S原子,中间价态的S原子对·OH有高度的亲和性。当MB与·OH反应时,.OH加合到S原子上,使S的价态升高,因此MB与·OH的加合反应是MB被氧化的反应,氧化产物羟基亚甲基蓝(MB—OH)中的S处于高价态,因此MB—OH难以再被氧化,与中间价态的S相比,高价态的S具有更难以被还原的特点。MB.OH难以再被氧化或还原显色,这表明用MB做·OH捕捉剂具有稳定性好的特点。MB与自由基的反应式为:MB+·OH—,MB一0H同时由于MB分子和·OH自由基反应具有一一对应的关系,所以根据亚甲基蓝溶液浓度的变化就可以计算出捕捉到的·OH的量n们。羟基自由基跟其他常见氧化剂相比具有氧化能力强、标准电极电位高、性质非常活泼的特点。羟基自由基一旦形成,会诱发一系列的自由基链反应。羟基自由基具有以下特性咖1:①短暂性:·OH非常活泼,仅瞬时存在,·OH的生存时间小于l“s,因此不能使用物理方法进行分离和鉴定;②氧化性:表3.2数据表明,·OH的标准电极电位仅次于氟离子,氧化能力很强;③·OH具有很高的电负性和亲电性:羟基自由基的电子亲和能力为569.3kJ,容易进攻高电子云密度点,这就决定了·OH的进攻具有一定的选择性。·OH是最活泼的一种活性分子,几乎能和所有的生物大分子、有机物和无机物发生各种不同类型的化学反应,因此可以根据·OH的量来表征水力空化氧化能力的强弱。目前测定羟基自由基的方法有电子自旋捕集发、高效液相色谱法、化学发光法、荧光法和光度法∞¨。其中分光光度法检测羟基自由基,方法简单,精度相对较高,仪器较为普遍,易为一般实验室采用,本人就是采用亚甲基蓝溶液作捕捉剂的分光光度法来检测溶液中产生的羟基自由基。29第3章水力空化诱发物化效应的实验研究表3.2几种氧化剂的标准电极电位3.2.2工作曲线的绘制利用亚甲基蓝试剂来捕捉产生的羟基自由基,由于测试样品较多,实验采用标准工作曲线法较为方便。实验使用VIS.723型分光光度计进行亚甲基蓝溶液吸光度的检测,仪器为上海第三分析仪器厂制造,仪器如图3.6所示。图3.6实验用分光光度计现配置成lL浓度为100肛mol/L亚甲基蓝标准溶液,然后分别稀释成30第3章水力空化诱发物化效应的实验研究61.tmol/L、8p.mol/L、121amol/L、161.tmol/L、241xmol/L浓度的亚甲基蓝溶液,用分光光度计在波长664nm处测量其吸光度,结果如表3.3所示。表3.3样品的吸光度值列表根据以上列表数值,以吸光度值对浓度作图,经拟合可得出如下曲线和关系式,如图3.7所示。CMB图3.7工作曲线图经过转化可得MB与·OH的关系为:C.OH2CMBI-CMB2=(AI-A2)/0.07359由以上公式即可从实验中测得的亚甲基蓝吸光度值转化为·OH的捕捉量。31第3章水力空化诱发物化效应的实验研究3.2.3实验步骤该水力空化实验装置具有结构简单,实验参数可调节性强,流量大的特点。实验开始前,先用自来水对管路进行多次清洗,然后将待处理溶液放入管路中,待溶液混合均匀后,开泵,调节阀门至一定的反应条件计时取样即可。具体步骤如下:(1)原溶液配制:以一定量的亚甲基蓝药剂与自来水配制出一定浓度的亚甲基蓝水溶液(处理量一般为50L),作为水力空化处理的原溶液,搅拌均匀。并放置一段时间后即可使用;(2)开启泵,调节操作参数至一定值,待流动稳定后记下该工况下的入口压力值、出口压力值和流量值;(3)运行一定时间,从主管路上的取样口取样,同时记录相应的取样时间和温度:(4)改变操作参数或结构参数,用新鲜原料重新开始上述实验;(5)对收集的样品,用723型分光光度计测量吸光度值的变化并进行分析。3.2.4对比实验为了验证水力空化实验装置的空化效果及其产生的羟基自由基,用相同浓度的亚甲基蓝溶液分别做了三组实验:①溶液静止放置;②溶液通过不安装孔板装置的承压管路:③溶液通过安装孔板装置的承压管路。三种实验测得的吸光度一时间曲线如图3.8所示,·OH浓度~时间曲线如下图3.9所示。通过对比实验,检验-J'孑L板空化装置的水力空化实验装置的可行性,验证了亚甲基蓝溶液捕捉·OH的有效性。32第3章水力空化诱发物化效应的实验研究时间/m i n图3.8对比实验的吸光度时间/rain图3.9对比实验的.OH浓度曲线3.2.5亚甲基蓝浓度的影响利用亚甲基蓝溶液对·OH的捕捉能力来表征空化强度,亚甲基蓝溶液的浓度是一个不容忽视的因素,选择什么样的浓度来捕捉·OH最为合适,有待实验进行进一步的验证。分别取亚甲基蓝浓度CMB:89mol/L、33第3章水力空化诱发物化效应的实验研究109mol/L、141.tmol/L、189mol/L、209mol/L,在入口压强为0.2MPa,出口压强为0.025MPa,流量为15.2 m3/h条件下进行实验,测得所得的C.oH""CMB的关系如图3.10所示。CMB/u mol·L1图3.10亚甲基蓝浓度对·0H产量的影响实验结果表明,当~IB浓度较低时,对·OH的捕捉率也较低,随着MB溶液浓度的增加,捕捉率也增加,当浓度达到149mol/L时,·OH的捕捉率增幅变缓,并趋于稳定。继续增加MB浓度,·OH的捕捉率基本上保持不变。这说明MB溶液对·OH的捕捉存在一个最佳浓度,当浓度太小时,低浓度的MB溶液对·OH的捕捉率也较低,当浓度较高时,MB过剩,影响测量精度。又因为当MB浓度为149mol/L,仪器的灵敏度较好,故本实验一般取浓度为14}tmol/L。3.2.6操作参数的影响(1)入口压力对影响空化器入口压力是影响空化产生和发展的重要因素,实验考察了当入口压力Pl在0.1~0.5MPa范围变化时,对·OH产量的影响,结果如图3.1l所示。34第3章水力空化诱发物化效应的实验研究J●do善1、 Zo●U入口压力/御a图3.11(a)孔板1入口压力腑a图3.11(C)孔板3入口压力/胁图3.11(e)孔板5-3■一 。目j\Zo●UJ●一 。日1、 Zo●UJ-一 oEj\ =o●U入口压力/御a图3.11(b)孔板2入口压力/艘a图3.11(d)撕入口压力佃a图3.11(f)孔板6由图3.1l可知,除了孔板3外,其他孔板均在0.2MPa附近存在最佳压强,使得·OH的产量最大。降低压强,空化产生所依赖的水力条件会削35第3章水力空化诱发物化效应的实验研究弱,空化强度减小,·OH产量必然减少;增加压强,空化效果反而削弱,·OH产量不断减少。同时由于不同孔板产生空化的水力条件的差异性,使得最佳入口压力并不完全为同一数值,而是集中在O.2~0.3MPa左右的低压区域。分析认为:入口压力对空化强度有双重影响,提高入口压力可以带来很大的压力降,在孔板射流处产生接近液体饱和蒸汽压的最小压强,产生较强的空化效果。但是,随着入口压力的提高,液体中经过空化区的气泡的速度会不断的上升,从而使得气泡的生长时间变得较短,小气泡来不及发育成足够大的气泡就会溃灭,使得气泡溃灭压力下降,空化效果降低。(2)温度的影响在入口压力为0.2MPa、作用时间为5分钟的条件下,分别对孔板l、孔板2、孔板3和孔板4分别在30℃、40℃、50℃和55℃下进行了实验,考察了温度对空化装置产生·OH产量的影响,实验结果如图3。12所示。-j*f_o吕j\士
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本文标题:水力空化机理及处理油田污水实验研究
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