三相微型反應(yīng)器的流態(tài)化和優(yōu)化運(yùn)行研究

羅志波，甘仁香，張大義 (五礦鹽湖有限公司，青海 西寧 816000)

0 引言

流化床技術(shù)是一種提高固體顆粒與液相、氣相、氣液相之間傳質(zhì)、傳熱過程的技術(shù).它借助于液體或者氣體,使反應(yīng)器中的固體顆粒呈流態(tài)化。與傳統(tǒng)的固定床式反應(yīng)器相比，反應(yīng)器內(nèi)的固體顆粒始終處于懸浮狀態(tài)并不停運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化了物質(zhì)的傳熱、傳質(zhì)過程，提高了反應(yīng)效率和凈化能力。高效節(jié)能的流態(tài)化床式反應(yīng)器可替代低效高能耗的回轉(zhuǎn)窯、固定床、移動(dòng)床反應(yīng)器[1-2]。

沸石具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，有很強(qiáng)的吸附能力，作為一種天然礦產(chǎn)，在我國儲(chǔ)量豐富，價(jià)格便宜，是理想的水處理材料[3]。利用沸石處理污廢水的研究大部分集中在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)[4]，而對(duì)沸石填充流態(tài)化處理污廢水的研究甚少?；诹鲬B(tài)化反應(yīng)器和沸石吸附，文章以沸石為填充床層，設(shè)計(jì)和建立了一個(gè)成熟、高效的流態(tài)化反應(yīng)裝置，探討了三相微型反應(yīng)器的最佳運(yùn)行條件（進(jìn)水流量、曝氣量、沸石用量等）。

1 反應(yīng)裝置

（1）流化床反應(yīng)系統(tǒng)如圖1所示。其主體反應(yīng)器以玻璃制成，圓筒狀，內(nèi)徑20 mm，總高度580 mm，有效工作高度450 mm，進(jìn)水口距離反應(yīng)器底部30 mm，出水口距離反應(yīng)器頂部 50 mm。

（2）如圖1所示，處理水經(jīng)蠕動(dòng)泵（KSP-F01A）抽送到進(jìn)水口，氣體通過氣泵抽送至進(jìn)氣口，經(jīng)曝氣石分散后與處理水混合，含氣水由下至上流經(jīng)沸石填充層，水從出水口溢出，氣體則由反應(yīng)器頂部出口釋放到大氣中。輸氣管和輸水管上分別配有氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)以控制氣體和處理水的流量，同時(shí)氣管上設(shè)有止回閥，防止水體倒流。

圖1 流化床反應(yīng)裝置系統(tǒng)一覽圖

（3）沸石：反應(yīng)器中填充市售人造沸石（20～40目），所購沸石使用前需經(jīng)過簡單預(yù)處理，干燥清潔后裝填。

2 結(jié)果與討論

2.1 單純曝氣

本組實(shí)驗(yàn)中，對(duì)反應(yīng)器中一次注水后無連續(xù)進(jìn)水，僅持續(xù)通氣。

a1、a2、a3三組實(shí)驗(yàn)采用不同的沸石填充高度，分別為150 mm，195 mm和240 mm，其余控制條件保持一致。反應(yīng)開始時(shí)，反應(yīng)器中注入清水至出水口。

a1組的濾料區(qū)在曝氣量為15 mL/s時(shí)達(dá)到最大高度，膨脹比為1.13； a2組的濾料區(qū)在曝氣量為17.5～20 mL/s時(shí)達(dá)到最大值，膨脹比為1.26；a3組在曝氣量為25 mL/s時(shí)達(dá)到最大濾料區(qū)高度，膨脹比為1.18.

由此可見，曝氣量是反應(yīng)器運(yùn)行的一個(gè)重要因素。根據(jù)各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為保證更大的濾料區(qū)和足夠的清水層高度，有效利用反應(yīng)器，曝氣量應(yīng)控制在15～25 mL/s間為宜。

2.2 氣水混合

本組實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)器進(jìn)水流量為15 mL/min，持續(xù)進(jìn)水且一直曝氣。

b1、b2、b3三組采用不同的沸石填充高度，分別為170 mm，220 mm和260 mm，其余控制條件保持一致。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各反應(yīng)區(qū)高度和膨脹比的變化與2.1中的變化規(guī)律相同，即：濾料區(qū)高度隨曝氣量的增加先增大，后減??；過渡區(qū)高度隨曝氣量的增加一直增大；清水層高度則隨曝氣量的增加呈減小趨勢(shì)。其中，b1組在曝氣量為17.5 mL/s時(shí)達(dá)到濾料層的最大值，最大膨脹比為1.20；b2組在曝氣量為25mL/s時(shí)達(dá)到最大濾層高度，此時(shí)的膨脹比為1.18； b3組濾料區(qū)在曝氣量為30mL/s時(shí)達(dá)到最大值，膨脹比為1.10。

與a組相比，本組實(shí)驗(yàn)中，曝氣量仍然是影響反應(yīng)器運(yùn)行的重要因素，而進(jìn)水對(duì)反應(yīng)器整體運(yùn)行的影響可以忽略不計(jì)。續(xù)進(jìn)水后，為保證最大高度的濾料區(qū)和適宜的清水層高度，充分利用反應(yīng)器的容積空間，曝氣量應(yīng)控制在17.5～30 mL/s之間。

2.3 沸石填充量

增加沸石的填充量，可以加強(qiáng)反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性，提升反應(yīng)器處理污染物質(zhì)的能力。通過對(duì)反應(yīng)器的參數(shù)優(yōu)化，可以在不干涉水力狀態(tài)的條件下，增加沸石用量，充分發(fā)揮反應(yīng)器的容積空間，對(duì)水中的污染物質(zhì)進(jìn)行高效高量的去除。

a、b各組中，因曝氣量的改變而引起的濾料區(qū)高度變化相對(duì)穩(wěn)定。影響濾料區(qū)高度的決定因素是沸石的用量。隨著沸石用量的增加，濾料區(qū)高度相應(yīng)增加；當(dāng)沸石的用量增大后，濾料區(qū)流態(tài)化所需的曝氣量也隨之增大，在較大的曝氣量下才能達(dá)到最大濾料區(qū)高度和最大膨脹比。適當(dāng)增加沸石填充量，能有效利用反應(yīng)器的工作高度，增強(qiáng)反應(yīng)器處理污染物質(zhì)的容量和效率，但同時(shí)也會(huì)增加反應(yīng)器工作時(shí)的能耗。如果沸石填充量過大，則需要更高的曝氣量引起流化膨脹，從而導(dǎo)致過渡區(qū)增大、清水層消失，如b3組，則反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性隨之下降，因此不可盲目增加沸石填充量。

隨著沸石填充量的增加，各組反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，達(dá)到最大膨脹比時(shí)所需的曝氣量也隨之增大。在相同的沸石填充量下，曝氣量較小時(shí)，沸石膨脹效果不明顯，膨脹比較??；隨著曝氣量的增加，沸石流化態(tài)明顯，膨脹效果增強(qiáng)，膨脹比增大；繼續(xù)增加曝氣量，更多的沸石在氣體作用下進(jìn)入過渡區(qū)，濾料區(qū)所含沸石量流失，高度降低，膨脹比也隨之減小。適宜的膨脹比，可以保證沸石層良好的混合狀態(tài)與流化運(yùn)行操作。

增大沸石填充量有利于提高反應(yīng)器的處理利用率，增強(qiáng)對(duì)污染物質(zhì)吸附和去除，為維持良好的流態(tài)化運(yùn)行，過大的沸石填充量導(dǎo)致曝氣量增加，能耗增大，降低操作的穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中，沸石填充高度在195～240 mm時(shí)，反應(yīng)器可保持較好的流態(tài)化和膨脹比，膨脹比為1.18～1.26。

2.4 三相反應(yīng)器的優(yōu)化運(yùn)行

通過單純曝氣和氣水混合兩種運(yùn)行條件的比較，優(yōu)選出適宜的反應(yīng)器運(yùn)行操作條件如表1所示，進(jìn)行持續(xù)通氣和通水的實(shí)驗(yàn)，按沸石投加量從小到大定為c1組、c2組、c3組、c4組，c5組。

表1 各組反應(yīng)條件一覽表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 三相反應(yīng)器優(yōu)化運(yùn)行比較

c2、c3、c5組實(shí)驗(yàn)結(jié)果與a2、a3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，相比于只通氣未通水的狀態(tài)，通水時(shí)濾料區(qū)高度有略微減小，可以忽略。且此時(shí)過渡區(qū)高度降低明顯，清水層高度增加，使得反應(yīng)器的處理效率和運(yùn)行穩(wěn)定性增強(qiáng)。

由圖2可知，反應(yīng)器的最佳操作運(yùn)行條件為：沸石填充高度為195 mm，進(jìn)水流量15 mL/min，曝氣量20 mL/s，此時(shí)的膨脹比為1.26，反應(yīng)器內(nèi)可以保持足夠多的沸石進(jìn)行流態(tài)化吸附處理，并保證良好的運(yùn)行狀態(tài)和出水水質(zhì)。

2.5 三相反應(yīng)器對(duì)氨氮廢水處理的實(shí)際運(yùn)用

設(shè)定進(jìn)水流量15 mL/min，曝氣量20 mL/s，沸石填充高度195 mm，利用三相反應(yīng)器處理氨氮廢水（100 mg/L），連續(xù)測(cè)定出水氨氮濃度。

取出水濃度C與進(jìn)水濃度C0之比C/C0=0.95時(shí)為吸附終點(diǎn)，此時(shí)可認(rèn)為沸石完全失去吸附能力，而經(jīng)歷的時(shí)間約為17.5 h，表明該三相反應(yīng)器在最佳運(yùn)行參數(shù)下能穩(wěn)定運(yùn)行較長時(shí)間。在動(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)里，三相反應(yīng)器中的沸石對(duì)氨氮廢水的吸附容量為24.91 mg/L；而對(duì)同種沸石進(jìn)行的靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)中，其對(duì)氨氮的吸附容量為26.54 mg/L。對(duì)比靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下沸石的吸附性能可知，在三相流態(tài)化反應(yīng)器的優(yōu)化運(yùn)行中，反應(yīng)器中的濾料層流態(tài)化良好、布水均勻、出水穩(wěn)定，反應(yīng)器可以連續(xù)高效運(yùn)行，反應(yīng)器中沸石的有效利用率可達(dá)94%，對(duì)氨氮廢水的處理效率高、處理效果好，且反應(yīng)器操作簡單，空間利用充分。

3 結(jié)語

（1）影響氣液固三相微型反應(yīng)器運(yùn)行的主要因素有沸石填充量和曝氣量，進(jìn)水流量的改變對(duì)水力運(yùn)行狀態(tài)無顯著影響。

（2）沸石填充量是反應(yīng)器濾料區(qū)高度值的決定性因素，其影響大于曝氣量對(duì)濾料區(qū)高度的作用。相同曝氣量下，隨沸石填充量增加，濾料區(qū)高度增加，過渡區(qū)高度減小，清水層高度呈減小趨勢(shì)。

（3）在進(jìn)水量15 mL/min，沸石填充高度195 mm，曝氣量20 mL/s下，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的固液氣三相反應(yīng)器具有良好的流化狀態(tài)，膨脹比達(dá)1.26，流態(tài)化反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，容積利用率高，處理效果良好，沸石的利用率可達(dá)94%。