固定床厌氧反应器中有气体存在时液相非理想流态的研究

固定床厌氧反应器中有气体存在时液相非理想流态的研究 固定床厌氧反应器中有气体存在时液相非 理想流态的研究 刘海燕固定床厌氧反应器中有气体存在时液相非理想流态的研究 固定床厌氧反应器中有气体 存在时液相非理想流态的研究 刘海燕 (广西大学化学化工学院,广西南宁530004) 摘要采用脉冲应答技术对模拟厌氧固定床反应器内的液相非理想流态进行了研究.实验的液体流速"=i.2i×i0-3, 6.8i×i0_m/s,气体流速为0.oo8,0.034m/s,该范围相对应的厌氧反应器处理的废水COD浓度大约为1100,4000mg/L.结 果表明,在不同的气速条件下,Pe,Re曲线都呈一拱形,即有一最佳的Re数范围, 在该范围内Pe数达到极大;一定量气体的存在 会使得Pe数显着增大. 关键词固定床厌氧反应器非理想流态 随着经济的高速发展,能源和环境问题日益受 到重视.20世纪五六十年代,在污水处理技术方面 占主导地位的好氧法受到了厌氧法的严重挑战,因 为后者同时具有能源和环保效益,正符合目前废水 处理技术的发展方向. 由于反应器内流体流态的非理想程度对反应器 的性能,处理效率影响很大,而对厌氧反应器这一水 处理设备中的非理想流态研究报道又很少.同时, 废水处理中所用厌氧反应器的体积通常很大,由数 十立方米至数千立方米,对它进行合理以减少 其体积具有重要经济意义.因此,有必要针对厌氧 反应器中流态的非理想性来展开研究. 前人在研究反应器中非理想流态时,主要是以 纯气相或纯液相通过反应器的非理想流态为研究对 作者:刘海燕,女,1973年生,硕士,讲师,研究方向为水污染控制工程. 象的,而且后者研究得较多L】],关于有气相存在时 液相流态的研究在查阅的文献中记载得较少,至于 对厌氧反应器内流态的非理想性的研究报道更是没 有发现.实际上,用厌氧法来处理有机废水时,总是 伴随有CH,HS,CO等气体产生,所以在反应器 中加入气体后再来研究液相流态的非理想性对厌氧 法处理废水更具有重要的现实意义. 1理论模型 流体在反应器中的流动情况很复杂,但就流体 的返混情况而言,可以抽象出两种极限情况,即两种 理想流态:完全没有返混的活塞流和返混达到极大 值的全混流.但实际反应器中的流体流态介于这两 种理想流态之间. 3结论 (1)生活污水的处理效果随气体流量的增加有 先增后降的趋势.从氧的利用率和处理效果方面来 考虑,选择通气量为0.09m./h较合适. (2)在水力停留时间3h时,CoD和NH.一N 的去除率分别达到了91和96.6,达到3h后,处 理效果完全达到设计要求,所以控制水力停留时间 在3h附近为宜. (3)通过各区气相含率的变化,表明在升流区 (提升管)有利于载体生物膜的更新脱落,在降流区 (移动床)利于生物膜的增长. (4)在生物膜厚在145ptm附近时,吸收基质的 速率最大,因此最佳膜厚为145m. (5)气体流量小于0.15m./h的范围内,随着 气体流量的增大,DO浓度增加;随着载体量的增 加,流化床内氧传质系数先增后减.所以固含率取 5为宜. 参考文献 1SehreverH.CoughlinR.Effectsofstratificationinafluidizedbed bioreactorduringtreatmentofmetalworkingwastewaterBiotech no1.Bioeng,1999,63(2):129,14O 2张忠祥,钱易.废水处理新技术北京:清华大学出版社,2004 281,295 3国家环保总局水和废水监测方法北京:中国环境科学出版 社,1989252,357 4沈耀良,黄勇,赵丹,等固定化微生物污水处理技术北京: 化学工业出版社,200264,67 责任编辑:贺锋萍(修改稿收到日期:2004—12—23) ? 189? 环境污染与防治第27卷第3期2005年6月 流体在反应器中流态的不同,可由流体质点在 反应器内的停留时间分布来描述.逗留时间分布可 采用应答技术,由实验来测定.停留时间分布有两 个数学特征值,即其方差o和平均停留时间t,o 和t的不同可反映出轴向离散程度的差异. 本实验采用离散模型(dispersionmode1)来研 究固定床中流体非理想流态L6],并按照Levenspiel 所出的停留时间分布曲线两特征值方差o和 平均停留时间与离散模型参数Pe数的关系式来 求Pe数: o:一o/i o:一2/Pe+3(1/PP) 0 即Pe—干 式中,o-2,t为C,t曲线得方差和平均停留时间;Pe 为Peclet准数,Peclet准数是一表示离散程度的参 数,当P0时,流态接近全混流,轴向离散很大;当 Pe一..时,流态接近活塞流,轴向离散可忽略. 2实验装置与研究方法 2.1实验装置及材料 采用的实验装置如图1所示.反应器尺寸与填 料特性见参考文献E7].实验中所用液相为水,气相 为空气. 2.2实验方法 如图1所示,自来水经泵由高位槽送至模拟固 定床的底部,空气由气泵抽至反应器底部,两相经过 一 个三通后共同进人固定床中.水和空气的流量大 小均由针形阀来控制,并可从转子流量计的刻度上 直接读出流量大小. 345 图l实验装置示意图 1.高位槽;2.水泵3.气泵;4.针形阀;5.流量计; 6.模拟固定床;7.电导电极;8.电导率仪;9.平衡记录仪 本实验以饱和NaC1水溶液作示踪剂,采用脉 冲注人法,即在柱的底部将0.5mLNaC1饱和溶液 瞬间注人,并同时通过记录仪记录固定床出水中 NaC1浓度随时间的变化情况,即C,t曲线(停留 时间分布曲线). 实验时,先固定气速,测定不同液速下的停留时 ?190? 间分布曲线.将相同气速不同液速下所得曲线作为 一 组,待该组实验做完后再将气速改为另一定值,重 复前述实验. 2.3数据处理方法 参见文献E7]. 3结果分析 3.1实验数据及Pe,Re曲线 本实验记录了气速"分别为0,0.008,0.017, 0.034m/s时,不同液体流速下的c,t曲线共计 144条,每条曲线可获得一个Pe数据及Re数据. 并以Re数为横坐标,Pe数为纵坐标作图,如图2, 图5所示. 2O O 100 8O 60 40 05O1OO 图2Pe—Re曲线( 05O1OO15O 图3Pe—Re曲线(一0.008m/s) 80 6o 40 05O1OO15O 舶 图4Pe—Re曲线(一0.017m/s) 80 6O 40 0b0100150 如 图5Pe—Re曲线(一0.034m/s) 上述4图中,液速在0.43X10,6.81× 10一m/s,液体Re数在1.31,152.3,Pe数在8.94 , 88.68. 3.2结果分析与讨论 3.2.1Pe数随Re数的变化规律 从图2至图5可看出,4条Pe,Re曲线都呈 拱形,即Pe数先随Re数的增大而增大,当达到一 最佳Re数范围时,Pe数出现最大值,然后Pe数又 随Re数的增大而减小.可见只有当Re数达到一 ? 1H O 刘海燕固定床厌氯反应器中有气体存在时液相非理想流态的研究 定值,才会减少反应器内存在的横断面上的流速不 均,减弱死角等对流态的影响,但Re数太大会使得 反应器内的轴向离散加剧,使Pe数下降. 3.2.2气相存在的影响 将4种气速条件下得到的数据描绘于同一图 中,如图6所示. ?u':0m/s ?u.:0.008m/s ×u':0.017m/s ?u.:0.034m/s 050l00IbU e 图6Pe—Re曲线汇总 从图6可明显看出,气相的存在会使液相的Pe 数成倍地显着增大.本实验有气相存在时的最大 Pe数大约是无气相存在时的最大Pe数的2.5倍. 这应是由于有气相存在后,气泡在上升过程中起到 混合的作用,使反应器内液相的流动更均匀. 3.2.3气速的影响 在不同气速条件下的Pe,Re拟合曲线上取相 同Re数下对应的Pe数的值,并作Pe,U曲线,如 图7所示. 由图7可知,在相同Re数下,Pe数先随气速 U的增大而迅速增大,后随U的增大而有下降的趋 势,即气速对Pe数的影响也有一最佳范围,在该最 佳范围内,Pe的值达到最大值. 90 70 50 30 10 —— ?一Re=l0 — 七卜-Re=40 —- tr__Re=64 — ?-_Re=84 — ?卜l-Re=l10 00.010.UZ0.03U.04 u./(m?s) 图7Pe,u曲线 3.2.4与实际厌氧反应器应用范围的比较 从图7可看出,可将U一0.008,0.034m/s, Re=40,110时Pe=64.5,78视为本实验的最佳 操作范围.可按有关厌氧反应器中甲烷的产气量来 粗略估算该气速范围对应的废水浓度.经估算,在 U一0.008,0.034m/s,Re一40,110范围内对应 的废水中的COD浓度大约在1100,4000mg/L 内.可见本实验的操作范围在用厌氧法处理的废水 浓度范围内. 4结论 (1)反应器中不论有无气相存在,Pe,Re曲 线都呈拱形,即Pe数先随Re数的增大而增大,当 达到一最佳Re数范围时,Pe数出现最大值,然后 Pe数又随Re数的增大而减小. (2)气相的存在会引起Pe数的显着增大,本实 验条件下,有气相存在的Pe数大约是无气相存在 时Pe数的2.5倍. (3)在液相Re数一定的情况下,在气速较小 ("<0.008m/s)时,Pe数随U的增大而迅速增 大,当U>0.008m/s时,Pe数随U的增大而下 降,但变化缓慢. (4)本实验的操作范围为:U:0.008,0.034 m/s,Re=40,1l0.与该范围相对应的实际厌氧 反应器处理的废水COD浓度大约为1100,4000 mg/L,与厌氧反应器在现实中用于处理高浓度有机 废水的情况较吻合. 参考文献 1GunnDJ.Axialdispersioninpackedbeds:theeffectofthe qualityofpacking.Trans.1nstn.Chem.Engrs.,1971,49:351 , 354 2ChungSF,WenCY.Longitudinaldispersionofliquidflowing throughfixedandfluidizedbeds.AICHE.J.,1968,14(6):857 , 862 3NeungWH,JayendraB.Longitudinalandlateraldispersionin packedbeds:effectofcolumnlengthandparticledistribution. AICHE.J.,1985,31(2):277,281 4AnabelaL.PhilomeneC.Tracerexperimentsinfixedbeds:dis— persionflowmaldistributionontheestimationoftransportkinet— icparameters.Chem.Eng.J.,1994,53:193,197 5SolcovaO,SchneiderP.Axialdispersioninsingle-pellet-string columnspackedwithcylindricalparticles.Chem.Eng.Sci., 1994,49(3):401,406 6DanckwertsPV.Continuousflowsystems.Chem.Eng.Sci.. 1953,12(1):1,4 7刘海燕.固定床反应器中液相非理想流态的研究.环境,2004, 增刊:120,121 责任编辑:陈泽军(修改稿收到日期:2004一10—15) ?191? ?????0