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随着水力压裂技术油气田开发中的广泛应用,产生大量压裂返排液。压裂返排液具有成分复杂、有机物种类多、悬浮物含量高等特点,体系稳定、处理难度大。常规压裂返排液处理技术存在工艺流程复杂,化学药剂添加种类多、用量大且易造成环境污染以及设备投资大等问题,是页岩气开发和环境保护亟待解决的问题之一,需要开发高效、低成本压裂返排液处理技术。絮凝技术是压裂返排液处理的必备环节,开发高效絮凝设备是发展絮凝技术的重要方向。论文针对页岩气压裂返排液絮凝处理,通过微气泡强化微絮体在微涡流场中絮凝作用,开发了一种新型的气携式涡流絮凝反应器。采用计算流体力学（CFD）数值模拟技术对反应器进行流场数值模拟与结构优化,利用粒子图像测速仪（PIV）对反应器内单相流场进行测试并验证模拟结果,采用实验室型气携式涡流絮凝反应器开展页岩气压裂返排液强化絮凝试验,对其絮凝性能进行评价。（1）气携式涡流絮凝反应器数值模拟与试验研究。利用三维建模软件SolidWorks初步构建气携式涡流絮凝反应器物理模型,选择Eulerian多相流模型、Standard k-ε湍流模型、Schiller-Naumann曳力系数模型和Tomiyama升力模型对反应器进行流场模拟。模拟结果表明,气携式涡流絮凝反应器内部大涡流空间占比大,微涡流不明显,不利于形成微涡流絮凝作用。利用中试型气携式涡流絮凝反应器进行现场絮凝试验,考察不同进液量、进气量、PAC和PAM用量对絮凝效果的影响。试验结果表明,在进液量为600 L/h,进气量为120 L/h,PAC和PAM用量分别为10 mg/L和1 mg/L条件下,页岩气压裂返排液COD去除率达23.64%。（2）气携式涡流絮凝反应器结构优化与数值模拟。通过基于流体边界层离解和增设局部阻流构建的方式,对气携式涡流絮凝反应器结构进行优化,设置倒锥-锥-倒锥结构,增设涡流发生器。通过数值模拟,分析其内部流场分布规律及对其絮凝作用影响;在入口速度为0.5 m/s、0.7 m/s和1.0 m/s条件下,分析入口速度对涡流场的影响,优化入口速度;分析反应器不同特征截面处的湍流耗散率、涡流速度梯度G0和涡流尺度λ。模拟结果表明,小涡流絮凝反应区域增大,以径向运动为主,径向速度大小分布在00.08 m/s之间,径向速度梯度使颗粒间产生碰撞,形成大而疏松的絮体。微涡流絮凝反应区中存在微涡流和微旋流的双重絮凝作用,并在微气泡参与下进行接触絮凝,有利于将大而疏松絮体打碎重新生成小而密实的絮体。小涡流絮凝反应区平均涡流速度梯度分布在42.7848.06 s-1之间,微涡流絮凝反应区和塞流絮凝反应区的平均涡流速度梯度分别为96.44 s-1和7.69 s-1。小涡流絮凝反应区中剪切破碎作用相对较弱,速度梯度产生颗粒的碰撞能形成更为有效的絮凝作用;反应器不同特征截面处的涡流尺度均小于1.0mm,微涡流场促进小而密实絮体的形成。（3）气携式涡流絮凝反应器微涡流絮凝反应区流场测试。对改进型气携式涡流絮凝反应器内部流场进行单相流测试,针对反应器Y=-350 mmY=-50 mm高度范围内的流场,选取Y=-270 mm和Y=-100 mm高度处为数据读取线,将其轴向速度和径向速度的测试值与CFD的模拟值进行对比。测试结果发现,Y=-270 mm和Y=-100 mm高度处的特征截面的轴向速度及径向速度的测试值与的CFD模拟值相吻合,速度分布趋势一致,测试结果证明了模拟结果的可靠性与准确性。（4）改进型气携式涡流絮凝反应器絮凝处理页岩气压裂返排液试验。采用改进型气携式涡流絮凝反应器对涪陵页岩气压裂返排液进行强化絮凝试验,考察了絮凝沉降时间、进液量、进气量、破胶剂（K2FeO4）、混凝剂（PAC）和絮凝剂（PAM）用量及废液pH值对COD和TOC去除效果的影响。利用CCD相机对不同特征截面高度下的絮体进行拍摄,计算生成絮体的等效粒径,并与涡流尺度模拟值进行对比分析。试验结果表明,在进液量和进气量分别为2.0 L/h和2.0 L/h、K2FeO4、PAC和PAM用量分别为120 mg/L、15 mg/L和2.5 mg/L、pH=11条件下,COD去除率达27.40%,TOC去除率达到35.45%。絮体等效粒径与涡流尺度模拟值相对偏差最大为0.38 mm,最小为0.01 mm,涡旋尺度与絮凝等效粒径接近,表明反应器中产生的微涡旋促进了胶体颗粒间相互碰撞,从而形成了高效絮凝作用。该论文有图47幅,表11个,参考文献115篇。