圓柱形ABR反應(yīng)器在不同HRT下的水力特性研究

孫凌凌， 俞從正

(1.陜西省石油化工研究設(shè)計(jì)院， 陜西 西安 710054； 2.陜西科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

起源于分階段多相厭氧反應(yīng)器(Staged Multi-Phase Anaerobic Reactor，簡稱SMPA) 理論的厭氧折流板反應(yīng)器(Anaerobic Baffled Reactor，簡稱ABR)自誕生以來，已經(jīng)過了一系列地改進(jìn).最新的改進(jìn)是由Skiadas和Lyberatos于1998年開發(fā)的周期性折流式厭氧反應(yīng)器(Periodic Anaerobic Baffled Reactor,簡稱PABR)[1].該反應(yīng)器采用了圓柱形結(jié)構(gòu)，這一改變直接影響著反應(yīng)器的水力流態(tài)特征和死區(qū)體積的大小，而這兩個(gè)因素又決定著基質(zhì)和微生物的接觸程度,控制著反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)的傳輸，對反應(yīng)器的處理效果具有很大的影響.因此，研究圓柱形厭氧折流板反應(yīng)器(Cylinder Anaerobic Baffled Reactor，簡稱CABR)的水力特性，是了解CABR反應(yīng)器的運(yùn)行效果，以及展望其應(yīng)用前景的必要工作.據(jù)此，本文自行設(shè)計(jì)出CABR反應(yīng)器，并通過示蹤脈沖響應(yīng)實(shí)驗(yàn), 依據(jù)流態(tài)表征的特征參數(shù)(水力死區(qū)容積率Vd/V、完全混合串聯(lián)槽數(shù)N值等)，對該反應(yīng)器在不同水力停留時(shí)間(Hydraulic Retention Time,簡稱HRT)條件下的水力特性進(jìn)行了清水試驗(yàn).

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1是試驗(yàn)用CABR反應(yīng)器裝置示意圖.該反應(yīng)器由兩個(gè)高450 mm，直徑分別為160 mm和50 mm的同軸圓柱體構(gòu)成，內(nèi)外圓柱體之間的圓環(huán)體區(qū)域被四個(gè)高440 mm豎向分隔板等分成四個(gè)橫截面為扇形的封閉式區(qū)域，每個(gè)封閉式區(qū)域再被高440 mm的折流板分隔成體積比為4∶1的上下流室，折流板下設(shè)45°拐角，折流板下沿距底板20 mm.反應(yīng)器有效容積V約為8.20 L，用有機(jī)玻璃板制作[2,3]，進(jìn)水泵采用BT100-1J蠕動(dòng)泵(保定蘭格恒流泵有限公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用停留時(shí)間分布法(Residence Time Distribution,簡稱RTD)，研究該反應(yīng)器在HRT分別為1h、3h、5h、7h、9h下的水力混合狀況.以染料作示蹤劑，采用脈沖進(jìn)樣法進(jìn)行RTD研究.反應(yīng)器使用自來水作為進(jìn)水，調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵至預(yù)定流速，待反應(yīng)器內(nèi)流速穩(wěn)定后，在進(jìn)水口快速注入一定量的染料溶液，每隔0.1HRT，在反應(yīng)器出口處取樣一次，測定該樣品中染料的濃度(分光光度法)，持續(xù)3.0HRT以上時(shí)間.

圖1 水力特性實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 流態(tài)試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算公式

在流態(tài)試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算過程中,主要參數(shù)符號和計(jì)算公式如下所述[4,5]：

2.1 主要參數(shù)符號

τ—理論水力停留時(shí)間，min；

ti—示蹤劑首次出現(xiàn)的時(shí)間，min；

tp—觀察到峰值濃度的時(shí)間，min；

ti/τ—短路指數(shù).對于理想平推流反應(yīng)器，比值為1，隨著混合增強(qiáng)，該值接近于0；

tp/τ—眾數(shù)停留時(shí)間指數(shù).對于平推流，該比值趨近于1，對于完全混合流態(tài)，趨近于0，若比值大于或小于1.0時(shí)，水流在反應(yīng)器內(nèi)的分布不均勻.

2.2 計(jì)算公式

2.2.1C-θ曲線

(1)標(biāo)準(zhǔn)化濃度C

C(θ)=C(t)/C0(1)

式中：C0為示蹤劑總投加量/反應(yīng)器有效容積，mg/L；C(t)為t時(shí)刻出水中示蹤劑濃度，mg/L.

(2)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間(無因次時(shí)間)θ

θ=t/HRT (2)

式中：HRT為反應(yīng)器有效容積/進(jìn)水流量，min；t為示蹤劑流出反應(yīng)器的時(shí)間，min.

2.2.2停留時(shí)間分布特征數(shù)

由于實(shí)驗(yàn)測得的是等時(shí)間間隔離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，故

(3)

(2)方差σ2

(4)

標(biāo)準(zhǔn)化方差(無因次方差)

(5)

2.2.3死區(qū)百分率的計(jì)算

(6)

式中：V為反應(yīng)器的有效容積，L；Vd為反應(yīng)器內(nèi)死區(qū)容積，L；va為θ=0時(shí)，示蹤劑流出量占注入總量的比值；μa為θ=2時(shí)，C-θ曲線平均值.

2.2.4完全混合槽串聯(lián)數(shù)N

完全混合槽串聯(lián)數(shù)N=1/σ2，它表示用N個(gè)串聯(lián)的完全混合反應(yīng)器，來模擬一個(gè)實(shí)際反應(yīng)器的混合流態(tài).當(dāng)N=1時(shí)，為完全混合流(Continuous Stirred-Tank Reactor, 簡稱CSTR)；N→∞時(shí)，為平推流(Plug-Flow Reactor,簡稱PFR).非理想反應(yīng)器流動(dòng)特性可用N段CSTR來表示.因此，可用N值唯一地確定反應(yīng)器的非理想程度，N值越大,串聯(lián)個(gè)數(shù)越多,越趨于推流式,反之,則越趨于完全混合式.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與探討

3.1 不同HRT下的C-θ曲線

圖2顯示的是不同HRT下的C-θ曲線，分別就該曲線的整體趨勢、峰值和示蹤劑首次出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行分析：

圖2 不同HRT下的C-θ曲線

(1)各HRT下的C-θ曲線均為不對稱單峰曲線，反映的變化規(guī)律是在峰值之前，示蹤劑濃度C值迅速增大；峰值過后，C值逐漸減小，這與相同條件下普通ABR反應(yīng)器得到的C-θ曲線的變化規(guī)律一致[3,6]；

(2)各HRT條件下，均在t=HRT左右時(shí)，反應(yīng)器出口處示蹤劑的濃度達(dá)到峰值，即眾數(shù)停留時(shí)間指數(shù)tp/τ大體都為1.根據(jù)tp/τ的定義可知，該反應(yīng)器趨近于平推流，也說明峰值出現(xiàn)的時(shí)間與HRT的大小無關(guān)，但峰值的大小與HRT有關(guān)，它隨著HRT的增大而增大；

(3)各曲線的短路指數(shù)ti/τ也基本一致，在0.4或0.5，說明峰值和示蹤劑首次出現(xiàn)的時(shí)間與HRT的變化沒有直接關(guān)系，且根據(jù)ti/τ的定義可知，該反應(yīng)器雖然趨向于平推流反應(yīng)器，但由于值小于1，故并非是理想平推流反應(yīng)器.

綜上所述可知，CABR反應(yīng)器的C-θ曲線趨向于正態(tài)分布，反應(yīng)器本身趨向于平推流反應(yīng)器.

3.2 圓柱形ABR反應(yīng)器流態(tài)特征分析

經(jīng)運(yùn)算，HRT分別為1h、3h、5h、7h、9h時(shí)，所測得的水力特性參數(shù)如表1所示.

表1 不同HRT下的水力特性參數(shù)

3.2.1 死區(qū)容積率Vd/V的變化

由表1可知，實(shí)驗(yàn)測得該反應(yīng)器的Vd/V在0.154～0.026之間，遠(yuǎn)小于其它類型的厭氧反應(yīng)器[3].該結(jié)果的產(chǎn)生可能是由于在體積相同的情況下，CABR反應(yīng)器確定了較大的高徑比，因而減少了占地面積，使得拐角處的體積減少，而反應(yīng)器的死角一般都產(chǎn)生在水流的拐角處.此外，由于面積的減小,使得拐角處流速增大，加強(qiáng)了局部的混流，進(jìn)一步減少了死區(qū)容積.

圖3 HRT對Vd/V的影響

從圖3可看出，當(dāng)HRT從1～9 h變化時(shí)，Vd/V值隨HRT的增大逐漸減少，其中HRT由3 h變化到7 h時(shí)，Vd/V下降最快，分析在此過程中，反應(yīng)器的流態(tài)變化較大.可見，對于結(jié)構(gòu)一定的ABR反應(yīng)器，Vd/V對于HRT而言，存在突變點(diǎn).因此，進(jìn)水流速增大幅度不宜過大，否則反應(yīng)器的水力死區(qū)可能迅速增大,從而影響反應(yīng)器的處理效率.

3.2.2 流態(tài)的變化

當(dāng)N=1時(shí)，為單級CSTR；當(dāng)N→∞時(shí)，為PFR，上表中列出的N值在6～8之間，故反應(yīng)器的流態(tài)介于CSTR和PFR之間.當(dāng)HRT一定時(shí)，隔室數(shù)對反應(yīng)器的水力特性影響較大，隔室數(shù)越多，反應(yīng)器的推流效果越明顯，反應(yīng)器也就越接近于推流式，要想使反應(yīng)器呈現(xiàn)推流的流態(tài)，可以通過增加隔室數(shù)來實(shí)現(xiàn)[7]，而該反應(yīng)器由于采用了較大的高徑比，在減少占地面積的同時(shí)，延長了流程，相當(dāng)于在流向上增加了隔室，因而產(chǎn)生了增強(qiáng)推流化程度的效果.此外，由于沒有增加額外的拐角，故對Vd/V沒有負(fù)面影響.

當(dāng)HRT在1～9 h變化時(shí)，隨著HRT的增加，N值也逐漸增加.根據(jù)N值的基本含義可以知道，N值提高表明反應(yīng)器理論串聯(lián)完全混合槽數(shù)的增加.即隨著HRT的增加，反應(yīng)器內(nèi)的返混現(xiàn)象減弱，反應(yīng)器的流態(tài)更加地趨向于理想平推流.因此，對于結(jié)構(gòu)確定的ABR反應(yīng)器，為保持較好的水力流態(tài)，應(yīng)控制HRT不宜過小.

4 結(jié)論

(1)C-θ曲線的峰值出現(xiàn)時(shí)間，以及示蹤劑首次出現(xiàn)時(shí)間等均與HRT無關(guān)，眾數(shù)停留時(shí)間指數(shù)tp/τ大體都為1，短路指數(shù)ti/τ也基本一致，為0.4或0.5.但C-θ曲線峰值的大小與HRT有關(guān)，會隨著HRT的增大而增大.

(2)不同HRT下，CABR反應(yīng)器的C-θ曲線趨于正態(tài)分布，完全混合槽串聯(lián)數(shù)N值為6.76～8.26之間，這都表明CABR反應(yīng)器具備較強(qiáng)的推流化特點(diǎn).

(3)對于Vd/V值的分析顯示，相同HRT條件下，CABR反應(yīng)器的Vd/V為0.154～0.026之間，說明CABR反應(yīng)器的容積利用率高，死區(qū)體積明顯小.

(4) 對于結(jié)構(gòu)確定的ABR反應(yīng)器，存在最佳的HRT范圍，且應(yīng)控制HRT不宜過小，以保持較好的水力流態(tài).

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