張怡青 ，陳家慶* ，丁國棟 ，蔡小壘

(1.北京石油化工學院環(huán)境工程系，北京 102617； 2.深水油氣管線關鍵技術與裝備北京市重點實驗室，北京 102617)

微細氣泡通常指液相中粒徑小于100 μm的氣泡，其具有比表面積大、上浮速度慢、表面帶電荷、傳質效率高等特性，在化工、環(huán)境、醫(yī)藥等領域都有顯著的技術優(yōu)勢和良好的應用潛力[1]。按照成泡機理和成泡過程，現(xiàn)有微細氣泡產(chǎn)生技術可分為溶氣釋放式、引氣分散式、微孔散氣式、湍流剪切式等，其中溶氣釋放式憑借其成泡平均粒徑小、粒徑分布均勻、成泡密度大等優(yōu)點而在實際工程中得到廣泛應用[2]。溶氣釋放式微細氣泡發(fā)生系統(tǒng)主要由溶氣設備和溶氣釋放設備組成，其中溶氣設備在加壓條件下促進氣體溶解進而產(chǎn)生飽和溶氣水，溶氣釋放設備使飽和溶氣水消能降壓釋氣并生成微細氣泡。鑒于產(chǎn)生飽和溶氣水是高效釋氣的前提，因此溶氣設備長期以來得到了更多關注，在結構外廓上出現(xiàn)了立罐、臥罐、管段等形式，內部組件出現(xiàn)了靜態(tài)規(guī)整填料、固定擾流元件等。筆者將從溶氣基礎理論入手，通過分析提高溶氣效率的方式方法，對各種溶氣設備進行歸納總結和梳理對比，進而系統(tǒng)總結溶氣性能的評價指標及研究方法，以期為溶氣設備選型及結構優(yōu)化設計等工作提供參考，同時促進高性能溶氣設備的自主研發(fā)進程。

1 溶氣機理及其理論模型的演化

溶氣過程是一個復雜的氣液兩相傳質過程，研究氣液傳質機理對于設計新型高效溶氣設備具有重要指導意義。迄今已有不少學者通過實驗或模擬手段對氣液兩相傳質過程進行了大量研究，使得氣液傳質理論日趨完善。

1.1 經(jīng)典傳質理論

1803年，英國物理學家和化學家William Henry在研究氣體在水中的溶解度規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，氣體在水中的溶解度與氣體分壓成正比[3]，稱為亨利定律(Henry’s law)。德國生理學家Adolf Eugen Fick對氣體在鹽水溶液中的擴散過程進行了研究，并在其1855年發(fā)表的3篇論文中引入了擴散系數(shù)的定義，所提出的描述擴散通量與濃度梯度之間的關系也被稱為菲克擴散定律[4-5]。根據(jù)菲克擴散定律，氣體在水中的溶解速率與單位體積溶液的表面積和氣相濃度差成正比，相應的傳質速率方程為:

N=K×Δ

(1)

式中：N表示傳質速率；K表示傳質系數(shù)；Δ表示傳質推動力。

采用傳質速率方程解決實際問題的關鍵在于求解傳質系數(shù)K，不少學者相繼提出了一些理論模型。如1904年，德國物理學家和化學家Walther Nernst對氣液傳質過程進行數(shù)學描述并提出膜模型(又稱停滯膜模型)[6]。1923年，美國麻省理工學院教授W. K. Lewis和W. G. Whitman在此基礎上提出了氣體吸收的雙膜理論，認為傳質系數(shù)與流體表面薄膜層的厚度成正比[7-8]。1935年，美國學者Ralph Higbie則提出了溶質滲透理論，該理論將相際傳質看成一個動態(tài)過程，假定液面由無數(shù)微小的流體單元組成，每個單元在與氣相接觸某一短暫時間(θ)后被來自液相主體的新單元取代，其傳質系數(shù)與氣液分子接觸時間有關[9]。1951年，英國劍橋大學的P. V. Danckwerts對溶質滲透模型進行了修正并提出了表面更新模型[10-11]。該模型通過設定一個時間區(qū)間范圍并提出流體微元在界面處存在年齡分布函數(shù)和流體微元表面更新率。上述理論涉及的氣液傳質系數(shù)表達式如表1所示。

表1 經(jīng)典傳質理論氣液傳質系數(shù)表達式Table 1 The expression of traditional gas-liquid mass transfer coefficient

總的來看，上述經(jīng)典氣液吸收傳質模型揭示了氣液傳質作用機理及影響因素，如溶氣壓力、溫度、氣液接觸面積、液膜厚度、氣液接觸時間、表面更新率等。但是，這些理論僅能從宏觀尺度上指導溶氣設備的設計，較難定量揭示溶氣罐溶氣效率的提升情況，對于微觀尺度上的某些復雜流動狀態(tài)和傳質特征則無法提供理論解釋。

1.2 經(jīng)典傳質理論的改進

針對經(jīng)典傳質理論的不足，學者們通過實驗及理論推導，提出了更能體現(xiàn)真實傳質過程的氣液吸收傳質理論，如兼顧雙膜理論和滲透理論的膜-滲透理論、修正的表面更新理論和改進的雙膜理論等。

為了證明膜理論和滲透理論的相關性，美國卡內基理工學院的H.L.Toor和J.M.Marchello于1958年提出了膜-滲透理論，指出氣液表面存在著新舊元素的更替，并且氣液傳質過程是由滲透階段和膜傳遞階段共同構成。其中向新元素的轉移遵循滲透理論，向舊元素的轉移遵循雙膜理論，而處于新舊之間的元素則兼具這2種理論的特點[12-13]。1964年，美國紐約大學的William E. Dobbins根據(jù)膜滲透理論也提出了一個包含2個模型參數(shù)(即膜厚δ和表面停留時間θ)的傳質方程[14]。在表面更新理論方面，美國伊利諾伊大學的D.D.Perlmutter認為，從液相主體到相界面的流動滿足多個串聯(lián)容量，并于1961年提出了“多容量效應”概念[15]。除此之外，大連理工大學的沈自求等[16]于1980年也對表面更新理論進行了修正，通過結合表面更新概念與瞬時非穩(wěn)態(tài)傳質而提出了穿透點模型。Wang Jinfu等[17]在1994年基于經(jīng)典雙膜理論和滲透理論，建立了兩相流體傳質的數(shù)學模型，并提出了非穩(wěn)態(tài)雙膜理論。

與經(jīng)典傳質理論相比，改進理論主要通過結合多種理論模型分區(qū)域、分時段地研究了氣液傳質的各個過程，得到了更貼合實際的傳質系數(shù)表達式。相關傳質系數(shù)表達式如表2所示。

表2 改進后的氣液傳質系數(shù)表達式Table 2 The expression of modified gas-liquid mass transfer coefficient

1.3 渦流理論

早期經(jīng)典傳質理論并未考慮強湍流作用對相界面?zhèn)髻|過程的影響，自20世紀60年代開始，研究者們將質量傳遞和動量傳遞結合起來研究相界面?zhèn)髻|過程，并據(jù)此提出了2種典型的湍動旋渦模型：旋渦擴散模型和旋渦池模型。

1962年，美國芝加哥大學的Levich V G以對流擴散方程為基礎，根據(jù)流體質量傳遞與動量傳遞的類似性提出了旋渦擴散模型[19]。該模型將“分子擴散”與“旋渦擴散”相結合，并引入德國學者L.Prandtl的半經(jīng)驗紊流理論——混合長度理論(mixing length theory)，進而得到傳質系數(shù)的表達式。1974年，英國伯明翰大學化學工程系的Davies J T通過實驗驗證了Levich V G的觀點[20]。旋渦池模型中考慮了近界面處湍流旋渦對對流傳質的控制作用，通過耦合對流擴散方程得到旋渦的濃度場分布和傳質系數(shù)，其可分為大渦模型、小渦模型以及單渦模型。英國劍橋大學彭布羅克學院的Fortescue G E和Pearson J P A在1967年提出大渦模型，認為在湍流場中對質量傳遞起控制作用的是大尺度的焓能渦[21]。加拿大滑鐵盧大學的Lamont J C和Scott D S則認為在充分發(fā)展的湍流場中，對傳質起控制作用的是湍流場中最小的黏性耗散渦，于1970年提出小渦模型[22]。小渦模型是對大渦模型的一個擴展，考慮了湍流結構中不同波數(shù)渦對傳質系數(shù)(kL)的影響，并將湍流動能耗散速率(ε)與傳質系數(shù)(kL)相關聯(lián)，應用起來更加方便。但是，關于究竟是哪種尺度的渦旋控制著傳質過程仍然存在爭議。在大渦模型和小渦模型的基礎上，美國賓夕法尼亞大學的Lee Y H和Luk S于1982年將傳質機理研究深入到單個旋渦，提出了單渦模型[23-24]。該模型假定氣液自由界面液相側由一連串各向同性、大小不同的旋渦組成，盡管整個傳質過程為非穩(wěn)態(tài)，但單個旋渦內的傳質是穩(wěn)態(tài)的。湘潭大學化工學院化工過程模擬與強化團隊[25]于2002年基于單渦模型和二維穩(wěn)態(tài)機理，結合湍流特點和能譜函數(shù)，建立了一個關于能量耗散率、湍流強度、液體焓能渦尺度及Kolmogorov尺度等特征參數(shù)與傳質系數(shù)內在關系的新模型，采用理論估算代替實驗測量，從而能夠快速準確地預測傳質系數(shù)。在此基礎上，湘潭大學化工學院化工過程模擬與強化團隊[26]在2011年基于寬能譜渦流接觸概念和各向同性湍流理論，成功建立了非穩(wěn)態(tài)對流擴散機制的氣液界面?zhèn)髻|系數(shù)計算模型，能夠在較寬范圍內考慮不同大小旋渦對傳質的作用；2015年，該團隊結合氣泡與流體微元的相互作用和非穩(wěn)態(tài)對流擴散方程提出了一個新的傳質系數(shù)模型，考慮了旋渦大小、旋渦數(shù)密度、氣泡尺寸、氣泡變形與振動等因素對傳質的影響，且基于氣泡表面變形與振動的動力學概念推導了不同尺度旋渦抵達表面的頻率密度分布[27]。該模型與實際過程更加接近，不足之處是忽略了切向擴散對傳質系數(shù)的影響。2020年，該團隊從單流體溶質濃度守恒方程出發(fā)，建立了一個同時考慮兩相界面處法向和切向濃度梯度的溶質濃度輸運方程，并將方程進行簡化，得到一個新的傳質模型[28]。

基于渦流理論的傳質模型如表3所示。學者們目前已逐漸將研究重點放到探究旋渦速度、旋渦大小、湍流動能耗散率、單渦長度等因素對傳質速率的影響規(guī)律。希望通過定量描述傳質系數(shù)大小，助力溶氣設備的優(yōu)化設計。

表3 基于渦流理論的氣液傳質系數(shù)關聯(lián)式Table 3 Correlation equation of gas-liquid mass transfer coefficient based on vortex theory

綜上所述，氣液傳質理論的研究目前已經(jīng)進入微觀尺度，這為溶氣設備的設計改進提供了一定依據(jù)。在進行溶氣設備操作條件的篩選時，可以根據(jù)傳質系數(shù)的相關理論推導公式定義評價指標，并通過改變影響傳質速率的因素進行實驗設計。

2 溶氣設備的結構分類與演化

早期的溶氣設備只是一個簡單的立式空罐結構，也因此被稱為壓力溶氣罐或飽和容器(Saturator)。隨著人們對溶氣機理認識的不斷深化，出現(xiàn)了各種不同結構形式的溶氣設備?？v觀近年來國內外出現(xiàn)的溶氣設備，可以根據(jù)溶氣方式與結構特點劃分為填料式、射流式、內筒溢流式、旋流式和渦流式等5大類。

2.1 填料式溶氣設備

填料式溶氣設備利用規(guī)整填料增大罐內氣液兩相的接觸面積，進而提升溶氣效率。20世紀80年代初期，同濟大學陳翼孫教授等圍繞噴淋式溶氣設備所開展的研究工作在國內最具代表性，如圖1(a)所示，立式罐體中間填充了由階梯環(huán)構成的規(guī)整填料床層，水從罐體頂部中心噴淋下落時，與同從頂部進入的氣體在填料床層形成交換界面而使氣體溶于水中。同濟大學研究團隊還建立了以液相過流密度和液相總容量傳質系數(shù)為設計參數(shù)的填料式溶氣罐設計方法[29-30]。無錫工源環(huán)境裝備技術有限公司[31]于2015年對立式填料式溶氣罐進行改進設計，如圖1(b)所示，除繼續(xù)采用規(guī)整填料提高氣液兩相的接觸面積外，還在罐底增設了超聲波發(fā)生器。利用超聲波空化作用產(chǎn)生微小氣泡促進氣相的溶解。

圖1 填料式溶氣設備的結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of packing dissolved air equipment

勝利油田勝利勘察設計研究院于2011年設計了一種臥式填料型溶氣罐，主要由聚結填料、進水管、出水管、進氣管組、排污管、集水管、噴水管、放氣閥等組成，如圖2所示[32]。與立式罐體相比，臥式罐體顯著增大了氣液兩相的宏觀相界面面積，液位控制更加容易。除采用聚結填料層外，進水管末端水平段采用微米級噴水孔將液體分散成微細液滴，并通過微孔介質將進氣均勻分散成微小氣泡，進一步增大氣液接觸表面積。

圖2 臥式填料型溶氣罐結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of horizontal packing type dissolved air tank

2.2 射流式溶氣設備

射流式溶氣設備的典型特征是在罐體進水部位安裝有射流器，水流經(jīng)射流器時產(chǎn)生負壓而抽吸空氣，管內高速水流與吸入的空氣相互滲混、切割，一方面增強液體紊動，降低液膜厚度；另一方面增大氣液接觸面積，使氣液溶解得更加充分。罐體結構也可分為立式和臥式2種。

江蘇賽歐環(huán)保設備有限公司于2016年設計的立式射流溶氣罐如圖3(a)所示。原水經(jīng)過射流器上端的射流管噴入罐體，進水口兩側均設置有吸氣口，壓縮空氣從罐體側壁進入后經(jīng)吸氣口沿空氣循環(huán)管道進入上方射流器出水口，與水充分接觸。氣液兩相混合物從圓錐孔經(jīng)喉管進入罐體，溶氣效率高達95%[33]。江蘇金潤環(huán)保工程有限公司于2017年設計的立式射流溶氣罐如圖3(b)所示。其利用射流器促進氣液兩相混合，并在高壓高流速下提高溶氣效率[34]。與賽歐環(huán)保保設備有限公司所述產(chǎn)品的不同之處在于，后者在錐形噴嘴內加裝螺旋狀導流板，通過耦合旋流場提高液滴的碎化程度進而提升溶氣效率。

圖3 立式射流溶氣罐的結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of vertical jet dissolved air tank

近年來，臥式結構射流溶氣罐在氣浮設備生產(chǎn)企業(yè)已較為普遍[35-37]。無錫工源環(huán)境裝備技術有限公司于2015年提出的防結垢溶氣罐如圖4(a)所示。該防結垢溶氣罐進水管位于罐體右側T形連接管一側，原水經(jīng)泵送增壓并通過射流器進入溶氣罐。射流器的工作壓力為0.4 MPa左右，抽吸空氣溶入水中形成飽和溶氣水。T形連接管另一端設有超聲波發(fā)生器，利用超聲波一方面剝離溶氣罐內壁附著的污垢；另一方面將水中大氣泡破碎為數(shù)量眾多的微小氣泡。該公司提出的另外一種射流溶氣罐如圖4(b)所示。通過內置2個在罐體中心軸線上方平行等高放置的射流器和1個平行布置在射流器下方的擋板，強化空氣和水的溶解。該公司提出的另外一種射流溶氣罐如圖4(c)所示。與前2種結構的不同之處在于：①射流器設置在罐體外部，與設在罐內相比能夠增大引氣量；②氣水分離板的“淺層沉降”設計模式有助于未溶解的氣體快速逸出，確保了溶氣水的穩(wěn)定性；③在罐體外側安裝有電磁閥，能有效防止高壓水泵停轉后，溶氣水從溶氣罐回流、溢出。該公司基于上述3種專利結構推出了相應產(chǎn)品，據(jù)稱溶氣效率可達90%以上。

圖4 3種臥式射流溶氣罐的結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of three types horizontal jet dissolved air tanks

2.3 內筒溢流式溶氣設備

內筒溢流式溶氣設備的結構相對簡單，主要通過增設內筒組件增大溶氣時間和表面更新速率來提升溶氣量，目前代表性的研究單位主要有德國拜耳公司和日本神戶大學。

德國拜耳公司2007年提出的高效溶氣設備的結構示意圖和實物圖如圖5所示，其主體結構由立式外筒、溢流內筒、射流噴嘴、液位指示器(LIC)等組成。工作過程中，首先通過固定安裝在外筒上部端蓋處的射流噴嘴向設備內注入高壓水，帶壓氣體基于文丘里效應被負壓吸入到筒內，然后高壓水出流攜帶氣體射流撞擊到中心溢流內筒中，形成劇烈的氣液混合流。氣液混合流不斷撞擊內筒筒底壁面又被彈回，產(chǎn)生強剪切應力將未溶解的大氣泡進一步剪切撕裂成較小氣泡，形成的泡沫流從內筒上方溢出進入內外筒之間的環(huán)形空間時氣液接觸界面得以更新，進一步增大氣體的溶解量，據(jù)稱溶氣效率可達90%以上。此外，可通過液位指示控制器(LIC)使溶氣水排放量和進水流量之間合理匹配，將內外筒環(huán)形空間的液位始終控制在約一半筒體高度的位置[38]。

圖5 德國拜耳公司的內筒溢流式溶氣設備Fig.5 The dissolution tank with vertical inner cylinder from Bayer Technology Services

日本神戶大學Shigeo Hosokawa等2009年所設計內筒溢流式溶氣設備的結構示意圖與實物圖如圖6所示。雖然該設備也主要包括立式外筒和溢流內筒等，但水和氣體的進入部位以及結構細節(jié)都與圖5存在較大區(qū)別，不僅溢流內筒的體積較大，而且通過圓環(huán)形隔板的支撐隔離作用，溢流內筒底部實際上與外筒下部區(qū)域保持連通。工作過程中，水相與氣相在外筒下部區(qū)域以對撞流的方式進行混合，形成的氣液混合流沿著內筒向上流動，通過內筒上端的圓環(huán)狀凸緣溢流到內外筒之間的環(huán)空區(qū)域。在此過程中，未溶解的氣體通過外筒上端蓋上的排氣口逸出，溶氣水則通過環(huán)空區(qū)域下方的溶氣水出口流出。通過控制進出水流量，使得環(huán)空區(qū)域的液位始終保持在較低水平(一般小于外筒高度的1/2)。日本神戶大學基于該設備開展的室內實驗研究結果表明，溶氣效率可達80%以上，但尚未見到工程應用方面的報道[39-41]。

圖6 日本神戶大學內筒溢流式溶氣設備Fig.6 The dissolution tank with vertical inner cylinder from Kobe University

2.4 旋流式溶氣設備

旋流式溶氣設備中利用螺旋導葉片或者切向入口引入旋流，在增大氣液接觸面積、提高有效溶氣時間的同時，增強湍流傳質。按結構特征可分為管式和罐式2種。

2.4.1 旋流式溶氣管

20世紀70年代，著名水處理工程技術專家Milos Krofta博士在推出超效淺層氣浮系統(tǒng)的過程中，提出了溶氣管溶氣水產(chǎn)生技術，也是超效淺層氣浮系統(tǒng)的三大核心之一，Krofta Engineering、Krofta Waters International(KWI)、KWI International等關聯(lián)公司至今仍在使用該技術。DAF Corp公司甚至將其作為一種獨立的微細氣泡發(fā)生設備并冠以溶氣管或空氣混合管(Air Mixing Tube， AMT)的名稱進行銷售，目前能夠提供11種不同規(guī)格，處理量在0.23～681.37 m3/h之間。溶氣管通常采用臥式安裝，裝有入口噴嘴的進水管設計成彎曲的牛角道式插進溶氣管內，水流經(jīng)過加壓后在溶氣管內呈旋轉狀態(tài)，如圖7所示。溶氣管內對稱安裝2塊矩形微孔板，壓縮空氣以0.65～0.7 MPa的壓力進入矩形微孔板與溶氣管內壁之間的弧形空間，通過微孔板被切割成細小氣流，然后在劇烈擾動的情況下與加壓水混合、溶解?？諝庠谌軞夤軆茸罱K以2種形式存在：一種以溶解態(tài)分布在水中；另一種以游離態(tài)微細氣泡的形式夾裹、混合在水中，大粒徑氣泡在渦流中收集后通過放空管線排出。氣水混合物在溶氣管中的停留時間約8～12 s，然后從另一端的出水管排出，溶氣管的容積利用率接近100%[42]。當然，細究之下不難發(fā)現(xiàn)，ADT主要采用“氣體微孔分散+旋流沖刷”2種方式增大氣液接觸面積，有利于實現(xiàn)高效溶氣，但微孔板的存在會在一定程度上影響管內連續(xù)旋流場的形成。

圖7 Milos Krofta博士發(fā)明的溶氣管(ADT)Fig.7 Air Dissolving Tube (ADT) invented by Dr. Milos Krofta

20世紀90年代Krofta氣浮系統(tǒng)作為造紙生產(chǎn)線的附屬設備一起被引進國內后，ADT溶氣管也受到了國內環(huán)保設備企業(yè)的關注。無錫滬東麥斯特科技股份有限公司2001年申請了溶氣管結構專利，為了減小對管內連續(xù)旋流場的影響，在徑向方向上間隔設置4個短小微孔布氣板來代替ADT溶氣管內整體較長的微孔布氣板，如圖8(a)所示[43]。2017年又提出了高效空氣溶解裝置的結構設計方案，如圖8(b)所示?；亓魉苌蠈捪抡奶厥庠O計使得原水進入管內形成高速螺旋噴射流，將整體較長微孔布氣板設置在管體中心軸線位置，進一步減小了對管內連續(xù)旋流場的影響。螺旋噴射流與微孔布氣板噴射的空氣垂直切割，能夠達到空氣在水中的最大溶解率[44]。

圖8 無錫滬東麥斯特科技股份有限公司設計的溶氣管結構Fig.8 The structure of dissolved air tube designed by Wuxi Hudong Meister Technology Co.

無錫工源環(huán)境裝備技術有限公司也圍繞溶氣管開展了相關設計研究，2015年提出了4種不同結構形式的旋流式溶氣管[45-48]?！皟戎贸暡òl(fā)生器+無軸空心螺旋葉片”結構如圖9(a)所示，溶氣管內安裝有無軸空心螺旋葉片，并與溶氣管內壁密封相切，使得水進入罐體內后呈螺旋運動，提高氣液接觸混合時間。無軸空心螺旋葉片表面開有聯(lián)通的錐形通孔，通孔錐角為30～35°，分布均勻呈矩形狀。高壓空氣經(jīng)通孔后被分散成細小氣泡，并在超聲波發(fā)生器的空化作用下被破裂成體積更小、數(shù)量更多的微小氣泡，進一步增大了氣液接觸面積?！皟戎秒p超聲波發(fā)生器+有軸空心螺旋葉片”結構如圖9(b)所示，其特點是在溶氣管軸心處增設了空心支撐軸，螺旋葉片安裝固定在支撐軸上，空心支撐軸上和螺旋葉片表面都均勻分布了分散空氣的圓柱形通孔，從而提高了氣液間的有效接觸面積。溶氣管首尾兩側均安裝有超聲波發(fā)生器，用以提高氣泡的碎化程度，從而進一步增大氣液接觸面積?！皟戎玫葟接休S螺旋葉片”的結構如圖9(c)所示，通過增大螺旋葉片的高度而使葉片邊緣與管內壁密封相切，且均勻分布了45～50°的錐形通孔，增大了液相在螺旋通道內的旋流強度，但同時去掉了管內超聲波發(fā)生器?！皟戎贸暡òl(fā)生器+等徑有軸空心螺旋葉片”結構如圖9(d)所示，螺旋葉片的徑向外緣面與罐體內壁面貼合密封，而螺旋葉片內緣面與支撐軸外緣面間存在間隙，支撐軸兩端通過安裝固定件防止葉片滑動移位。超聲波空化裝置安裝在靠近出水管一側并且環(huán)繞支撐軸均布，且朝向螺旋葉片圍繞支撐軸所形成的空間。

圖9 旋流式溶氣管結構示意圖Fig.9 Schematic diagram of the swirl dissolved air tube

2.4.2 旋流式溶氣罐

Krofta Waters International(KWI)公司在ADT的基礎上設計研發(fā)了第3代高效溶氣反應器(Air dissolved reactor， ADR)，目前已經(jīng)配套應用于氣浮工藝中，并取得了較好的工程應用效果，據(jù)稱溶氣效率可以高達99%[49-50]。專利申請結構示意圖如圖10(a)所示，從圖10(a)中可以看出，水從罐體上部切向進入，利用罐內上部圓柱面和中心豎直排氣管相應高度外圓柱面上固定連接的輻射狀多列排布的實心圓柱小棒，將液體分散為小水滴，有效增加了氣液接觸面積。產(chǎn)品實物圖和產(chǎn)品原理圖分別如圖10(b)、圖10(c)所示。由圖10(b)、圖10(c)中可以看出，外觀輪廓采用上部圓柱體+下部圓錐體組合，這種造型使得上部空間較小而容易被氣體充滿，氣相壓力較大促使氣體溶解，且未溶解氣體能夠及時排出。采用切向進水方式形成旋流，攜帶上部進氣口的空氣在旋流作用下充分接觸，形成的飽和溶氣水最終從下方排出。

圖10 高效溶氣反應器(ADR)Fig.10 High efficiency dissolved air reactor (ADR)

國內方面，深圳中鐵二局工程有限公司于2010年設計了一種旋流式溶氣罐，其結構如圖11所示，主體由罐體、三層旋流板和兩層擋板等組成[51]。工作過程中，水和空氣都從立式罐體下部進入，在通過旋流板和擋板過程中，不僅氣液接觸混合程度得以加強，而且提高了氣相在罐體內的水力停留時間。2020年，無錫滬東麥斯特環(huán)境科技股份有限公司設計了外觀與KWI公司ADR實物相似的立式溶氣罐，如圖12所示，筒體也采用上部圓柱體+下部圓錐體的結構，以延緩液相流出，增大溶氣時間，并通過切向進水形成旋流分散液體達到增大氣液接觸面積的目的[52]。與ADR的不同之處在于，內部增加了由橫管和豎管組成的余氣收集組件，而且在橫管和豎管上分布有若干孔徑3～8 mm的氣相分散孔，將氣體導流到溶氣罐下方使其與水充分接觸。未溶解充分的氣體經(jīng)余氣收集組件回收，返回到進水口處再次溶解，提高了空氣利用率。

圖11 旋流式溶氣罐結構示意圖Fig.11 Structure diagram of swirl type dissolved air tank

圖12 立式溶氣罐結構示意圖Fig.12 The schematic diagram of vertical dissolved air tank

2.5 渦流式溶氣設備

渦流式溶氣設備主要利用渦流板或者特殊的孔道分散液體形成旋渦流，產(chǎn)生較強的湍動作用促進氣體溶解。與旋流式溶氣設備產(chǎn)生螺旋流不同，渦流式溶氣設備更突出渦旋作用。

2018年，黑龍江吉納森生物工程股份有限公司提出的渦流式結構設計如圖13所示，整個設備設計成錐體形狀，上端平均分布多個孔道，孔道連通到錐體底部成螺旋式分布，螺旋角度為30～60°[53]。工作過程中，空氣進入錐體后被平均分布各個孔道中，液體被分成旋轉的多股細流，多股細流匯在一起產(chǎn)生相互碰撞和分散，使空氣均勻溶解于水中。該設備可直接放入圓管中，清洗方便；而且可以根據(jù)流量工藝要求、圓管直徑和圓管長度大小，放置不同直徑的渦流式溶氣混合器單元。缺點是流道加工難度較大。

圖13 渦流式溶氣混合器Fig.13 Vortex dissolved air mixer

上海佛欣流域環(huán)境治理有限公司于2014年提出了基于磁場和渦流場耦合的強磁渦旋式微細氣泡發(fā)生器，具體結構如圖14所示[54]。微細氣泡發(fā)生器內布設渦旋管，并安裝N級強磁磁鋼組和S級強磁磁鋼組，當氣液兩相從進水口進入到渦旋管時，由于磁場的作用形成帶電粒子流，加速了氣液分子的碰撞；進而在帶磁場螺旋導葉片的作用下，促使氣體溶解得更加充分。該結構較為新穎，相較常規(guī)渦流式溶氣罐溶氣效果更好。

圖14 強磁渦旋式微細氣泡發(fā)生器的結構示意圖Fig.14 Structure diagram of strong magnetic vortex type microbubble generator

五類溶氣設備的工作原理及其優(yōu)缺點如表4所示?？偟膩砜矗谠O備總體外廓布局設計上，應用較多的仍舊是增大氣液接觸面積、提高表面更新速率等經(jīng)典傳質理論。在設備內部結構細節(jié)特征上則方式各異，部分采用“一專多輔”的復合型結構或增設超聲波發(fā)生器等強化傳質設備。

表4 溶氣設備優(yōu)缺點比較Table 4 Comparison of advantages and disadvantages of dissolved air equipment

3 溶氣設備性能評價及研究方法

目前，溶氣設備種類繁多、新興結構層出不窮，科學、準確評判各類設備的溶氣性能成為相關從業(yè)人員面臨的現(xiàn)實挑戰(zhàn)。在實際工程應用中，溶氣效率是最能直接反映溶氣設備溶氣性能的技術指標，其高低直接決定著運行費用的高低，是研究和優(yōu)化溶氣罐結構的基礎依據(jù)[55-57]。為深入探究溶氣罐內氣液傳質的具體過程，研究者們結合氣液傳質機理又提出了一些新的表征手段及研究方法。

3.1 溶氣效率

溶氣效率是指在一定壓力下溶氣罐內實際溶解的氣體量與理論溶氣量的比值。由于實際溶氣量的測量需要在帶壓原位條件下進行，測量難度較大，迄今相關研究較少，實驗中一般通過測定溶氣水經(jīng)釋放器釋氣成泡后的釋氣量來間接表征實際溶氣量的大小。從工程角度出發(fā)，實際水處理過程中起主要作用的是溶氣水釋放得到的氣體量，而不是溶于水中的氣體量，因此用釋氣量間接表示溶氣效率符合實際情況。對應的溶氣效率計算式為：

(2)

式中：η為溶氣效率，%；VG為實際釋氣量，mL/L；Kt為亨利常數(shù)；p為溶氣壓力，MPa。

該方法中釋氣量的測定值受釋放器釋氣性能的影響較大，若釋放器性能不佳易造成釋氣量不完全，從而導致測量值低于實際值，但該方法操作簡單、實際應用廣泛。國內外針對釋氣量的測量方式有很多種。國外方面，開普敦大學的J Bratby等1975年提出采用氣體流量計連續(xù)測定釋氣量的方法[58]；美國聯(lián)合碳化物公司的R A Conway等1981年提出液體置換間歇測定釋氣量的方法[59]。連續(xù)測定法需要精密度較高的氣體流量計，國內研究學者大多基于同濟大學陳翼孫教授提出的間歇法釋氣量測量裝置進行釋氣量測定[29]，目前在該方面的研究已經(jīng)十分成熟。

3.2 傳質系數(shù)

溶氣效率能夠反映溶氣設備的整體性能，但是對于罐體內部結構的合理化設計沒有具體化的指導。因此，在溶氣設備設計方面尚未形成統(tǒng)一的設計標準或指南供參考，大多設計都是基于工程經(jīng)驗或參考非標壓力容器的設計方法進行，這種方法缺乏科學的理論依據(jù)。部分學者通過建立傳質方程將溶氣設備的相關結構參數(shù)與傳質系數(shù)關聯(lián)起來，從而實現(xiàn)溶氣設備在特定條件下的精細化設計。1995年，蘭德阿非利加大學的Johannes Haarhoff和E. Maritz Rykaart基于擴散理論和雙膜理論建立了填料式飽和溶氣罐的傳質速率方程，該方程描述了水力負荷、填料深度、填料尺寸和溫度等參數(shù)對溶氣罐溶氣效率的影響規(guī)律，能夠指導溶氣罐的設計[60]。2003年，雅典國立技術大學化學工程學院的Apostolos G. Vlyssides等[61]對溶氣氣浮系統(tǒng)中壓力容器相關的傳質速率方程進行了推導，將壓力容器的設計參數(shù)與傳質系數(shù)關聯(lián)起來，可以在給定壓力容器特性的情況下，通過改變空氣流量、葉輪轉速和壓力等參數(shù)得到傳質系數(shù)的大小，為溶氣設備的設計提供了有力依據(jù)。

通過將結構參數(shù)與傳質系數(shù)進行關聯(lián)，將得到經(jīng)驗公式用于溶氣設備結構設計，在一定程度上提升了溶氣設備設計的準確性。但是相關公式僅適用于特定結構，并不具備普適性。隨著計算機技術及計算流體動力學(CFD)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬方法能夠在節(jié)約時間和成本的情況下，提前對設備結構進行真實流場模擬研究，進而助力相關產(chǎn)品的結構優(yōu)化設計。在溶氣釋放式微氣泡發(fā)生技術領域，數(shù)值模擬方法已廣泛應用于釋放器的設計研究，如2014年西安石油大學樊玉光教授團隊采用ANSYS FLUENT軟件模擬不同釋放器的壓力場與速度場，并得到壓力釋放速率與釋放器結構的關系[62]。2017年，該團隊又采用數(shù)值模擬方法對2種不同形式TS型溶氣釋放器的內部流場進行對比分析，得到不同壓力和釋放器傾角對氣泡粒徑的影響規(guī)律[63]。但是，在溶氣設備的設計研究中，數(shù)值模擬方法尚未得到廣泛應用?？紤]到溶氣過程是氣液兩相混合傳質的過程，其與吸收塔中氣液吸收、攪拌釜中氣液混合以及微曝氧化溝中氣液兩相傳質等過程在本質上是相通的，可借鑒建立一套適用于溶氣設備的數(shù)值模擬方法[64-72]。如在微曝氧化溝中氣液兩相傳質研究方面，英國克蘭菲爾德大學的Pawel Gancarski 2007年對污水處理氧化溝設備內溶解氧的運輸與分布進行了數(shù)值模擬研究，通過用戶自定義函數(shù)(UDF)建立溶解氧傳質模型，最終得到了溶解氧在氧化溝內的分布情況[73]。2009年，華中科技大學楊家寬教授團隊基于ANSYS FLUENT軟件對氧化溝內曝氣轉碟和水下推進器進行模擬，通過建立氣液兩相流動模型和溶解氧輸運模型，獲得了氧化溝內的流場特性以及溶解氧分布情況[74]。2013年，該團隊基于兩相流模型對氧化溝進行氣固液三相模擬探索，采用用戶自定義標量(UDS)對溶解氧的分布進行模擬[75]。2016年，北九州大學環(huán)境工程學院的Mitsuharu Terashima等利用希格比滲透理論建立溶解氧輸運模型，對不同曝氣池內的氧傳質系數(shù)進行了模擬，發(fā)現(xiàn)氣泡尺寸對曝氣器的氧體積傳質系數(shù)影響顯著[76]。2018年，中國海洋大學尹則高教授團隊等結合RANS方程、標準k-ε方程和VOF技術，建立了間歇曝氣的二維溶解氧輸送數(shù)學模型，研究了不同水力條件下的氧傳質特性[77]。2019年，大連理工大學劉鳳霞教授團隊基于氣-液兩相流動模型耦合希格比滲透理論傳質模型建立了微曝氧化溝的溶解氧傳質模型，模擬得到了氧傳質系數(shù)的大小，并進行了實驗驗證[78]?；诖?，筆者所在的環(huán)保多相流高效分離技術與設備研究團隊2020年在設計新型溶氣罐時，將溶解氧傳質模型通過用戶自定義函數(shù)(UDF)嵌套進多相流模型的動量方程源項中，從而在模擬溶氣設備內流場流動特征的同時，定量表征氧傳質的性能[79]。

綜上所述，除了采用溶氣效率進行溶氣性能表征之外，借鑒傳質理論相關知識探究溶氣設備內傳質系數(shù)的大小更能從本質上分析預測溶氣設備的流場分布及傳質性能，進而為指導溶氣罐結構設計提供量化描述。

4 結論

作為溶氣釋放式微細氣泡發(fā)生技術的關鍵設備，溶氣設備對于整體溶氣效率的提升有著舉足輕重的作用。通過梳理溶氣機理、溶氣設備結構及性能評價之間的對應關系可知，三者本應相輔相成，但迄今溶氣機理的研究及評價方法都未能與溶氣設備結構設計創(chuàng)新緊密結合。

(1)在溶氣機理研究方面，經(jīng)典傳質理論及改進理論為溶氣設備結構設計提供了一定理論依據(jù)，但考慮不夠全面，且增加了許多難以測量的參數(shù)。渦流理論結合質量傳遞和動量傳遞方程從微觀尺度探究了影響傳質的因素，但受流體力學和界面區(qū)熱力學和動力學理論發(fā)展的制約，相關模型還遠未成熟。因此，后續(xù)研究應繼續(xù)重點關注渦流理論中界面上湍流傳質和對流傳質作用，建立普適化的過程機理模型，為設計研發(fā)新型高效溶氣設備提供理論指導。

(2)在溶氣設備結構設計創(chuàng)新發(fā)展方面，按溶氣方式和結構特點可分為填料式、射流式、內筒溢流式、旋流式和渦流式等五大類。用以提高溶氣設備溶氣性能的內構件，已經(jīng)從易堵塞的填料逐漸發(fā)展為專用的流體力學組件，包括射流器、內筒、螺旋導葉片、微孔板、渦流板等。一體化耦合多種單元結構，充分發(fā)揮重力場、超聲場等物理場的協(xié)同作用，實現(xiàn)低能耗高效溶氣是未來溶氣設備設計研發(fā)的關鍵。

(3)在溶氣設備性能評價及研究方法方面，以溶氣效率作為評判指標可以橫向對比各類溶氣設備的性能優(yōu)劣。為深入揭示溶氣設備內部流場及傳質特征，傳質系數(shù)作為表征指標的相關研究得到重視和發(fā)展。通過CFD數(shù)值模擬方法可實現(xiàn)在模擬溶氣設備內流場流動特征的同時，定量表征氧傳質的性能，將成為建立多尺度溶氣性能評價方法的重點研究方向。