何慶生，許 健，范景福

(中石化煉化工程(集團(tuán))股份有限公司洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心，河南 洛陽(yáng) 471000)

氣升式環(huán)流反應(yīng)器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)環(huán)流反應(yīng)器)是基于傳統(tǒng)鼓泡塔改進(jìn)后形成的多相反應(yīng)流體在反應(yīng)器內(nèi)形成循環(huán)流動(dòng)的高效反應(yīng)器，由于加裝了導(dǎo)流裝置，可使反應(yīng)流體有規(guī)律地循環(huán)流動(dòng)，具有良好的傳熱、傳質(zhì)和相間接觸效率，在能源化工、環(huán)境保護(hù)和生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用【1-4】。國(guó)內(nèi)外學(xué)者為強(qiáng)化環(huán)流反應(yīng)器的傳質(zhì)效率做了大量的研究，楊衛(wèi)國(guó)等【5】研究了主要操作條件對(duì)氣液傳質(zhì)系數(shù)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)增加表觀(guān)液速可使氣液相界面積和氣液傳質(zhì)系數(shù)增大。趙斌等【6】研究發(fā)現(xiàn)，增加液相湍流強(qiáng)度，氣液表面更新速率快，氧傳質(zhì)系數(shù)則相應(yīng)增大。韋朝海等【7-8】分析了固含率等參數(shù)與氧傳遞系數(shù)的相關(guān)性，結(jié)果表明隨著固含率增加，氧傳質(zhì)系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

氣體分布器是環(huán)流反應(yīng)器中的核心部件【9-10】。氣體分布器不僅能夠產(chǎn)生足夠的液體循環(huán)推動(dòng)力促使氣、液、固三相間進(jìn)行有效接觸，還能夠使水中的溶解氧穩(wěn)定在一定范圍，滿(mǎn)足污水處理過(guò)程中功能微生物的氧氣需求，因此氣體分布器的性能差異直接關(guān)系到反應(yīng)器的傳質(zhì)效率與運(yùn)行效能。環(huán)形氣體分布器是三大類(lèi)氣體分布器中重要的一種，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳質(zhì)效率高的特點(diǎn)。本文重點(diǎn)針對(duì)污水好氧生化處理領(lǐng)域的環(huán)流反應(yīng)器開(kāi)展環(huán)形氣體分布器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，考察各實(shí)驗(yàn)條件下，環(huán)形氣體分布器對(duì)環(huán)流反應(yīng)器的流化效果和傳質(zhì)性能影響，為后續(xù)環(huán)流反應(yīng)器在好氧生化污水處理方面的工業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了觀(guān)測(cè)方便， 本實(shí)驗(yàn)中的環(huán)流反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制成， 反應(yīng)器底部外筒內(nèi)徑為φ260 mm(外徑φ280 mm)，高1 800 mm；反應(yīng)器頂部采用錐形擴(kuò)徑結(jié)構(gòu)，頂部三相分離區(qū)高700 mm，外徑φ500 mm。內(nèi)設(shè)導(dǎo)流筒和環(huán)形氣體分布器，其中導(dǎo)流筒直徑為φ180 mm，高1 800 mm。導(dǎo)流筒半徑以R表示(R=90 mm)，其距反應(yīng)器底部高度為3R。將溶解氧儀探頭置于床內(nèi)降流區(qū)的中間位置(此位置較具代表性，經(jīng)多次測(cè)量此處的溶解氧濃度約為底部與頂部的平均值)測(cè)定環(huán)流反應(yīng)器溶解氧濃度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，向裝滿(mǎn)廢水的環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)通入壓縮空氣，經(jīng)氣體分布器射入反應(yīng)器與廢水混合，在上升區(qū)利用其所攜帶的動(dòng)能提升廢水。當(dāng)混合物到達(dá)反應(yīng)器頂部(氣液分離區(qū))時(shí)，大部分氣泡在氣液界面破裂后從排氣管排出。一部分殘余氣體以氣泡形式隨廢水與固相填料進(jìn)入降流區(qū)，繼續(xù)反應(yīng)后經(jīng)底部折流區(qū)再次返回上升區(qū)，形成完整內(nèi)環(huán)流。在此循環(huán)過(guò)程中，氣、液、固三相可均勻分散于整個(gè)反應(yīng)器中，實(shí)現(xiàn)氣、液、固三相高效傳質(zhì)。反應(yīng)器內(nèi)固相載體是粒徑為1～2 mm 的不規(guī)則顆?；钚蕴?，其投加量為反應(yīng)器體積的10%。

圖1 環(huán)流反應(yīng)器示意

如圖2所示，環(huán)形氣體分布器由中心的進(jìn)氣管、與環(huán)管相連的分支管、分布環(huán)和環(huán)上導(dǎo)氣孔等四部分組成；進(jìn)氣管下端可直接連通氣體管線(xiàn)，上端連通若干分支管，頂部密封；分支管之間以相同角度平均分布，分支管向心端焊接并連通到進(jìn)氣管上，另一端與分布環(huán)連通；分布環(huán)向外、下一定角度的圓圈上，按照一定的開(kāi)孔率均勻開(kāi)設(shè)導(dǎo)氣孔若干。

圖2 環(huán)形氣體分布器結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)在常溫、常壓下進(jìn)行，控制進(jìn)氣量為0.5～4.0 m3/h，依次調(diào)整環(huán)形氣體氣孔開(kāi)孔方向、分布器直徑、安裝高度等單一變量，監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)全程氧體積傳質(zhì)系數(shù)的變化，考察各實(shí)驗(yàn)階段氣升式環(huán)流生物反應(yīng)器流化效果和傳質(zhì)性能。

2.2 氧體積傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)量與計(jì)算

反應(yīng)器注滿(mǎn)水后，用氮?dú)鈱?duì)反應(yīng)器內(nèi)氧氣進(jìn)行驅(qū)趕，使反應(yīng)器內(nèi)溶氧值接近零值。此后，切換氮?dú)鉃榭諝猓萌芙庋鮾x監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)溶氧濃度的變化，最后利用式(1)計(jì)算得出氧體積傳質(zhì)系數(shù)(符號(hào)說(shuō)明見(jiàn)文末，下同)。

(1)

2.3 氣體分布器曝氣性能指標(biāo)

環(huán)流反應(yīng)器的氣體分布器性能優(yōu)劣主要通過(guò)充氧能力、氧利用率、理論動(dòng)力效率等指標(biāo)進(jìn)行量化評(píng)估，實(shí)驗(yàn)測(cè)定氧傳質(zhì)系數(shù)，再經(jīng)計(jì)算得出氣體分布器的充氧能力、氧利用率、理論動(dòng)力效率性能參數(shù)。充氧能力高，即氧傳質(zhì)系數(shù)大或推動(dòng)力大，則會(huì)增加能耗。若供氣量小，氧的利用率雖高，則供氧量(或吸氧量)不足；增大曝氣量，可提高氧的利用率，但動(dòng)力效率會(huì)降低。因此，評(píng)價(jià)氣體分布器曝氣性能最重要的指標(biāo)是在滿(mǎn)足足夠的充氧能力條件下動(dòng)力效率的高低。

充氧能力是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、測(cè)試條件下，氣體分布器在一定時(shí)間內(nèi)向溶解氧濃度為零的液相中傳遞氧氣的質(zhì)量。

分布器的充氧能力qc與氧體積傳質(zhì)系數(shù)KLa關(guān)系如下：

qc=KLa·V·Cs(20)=0.55·KLa·V

(2)

氧利用率指在20 ℃、常壓的測(cè)試條件下，氣體分布器在一定時(shí)間內(nèi)通過(guò)氣體傳質(zhì)傳遞到液體水中的氧氣體積量占?xì)怏w分布器供氧總體積量的百分比。

分布器的氧利用率E與充氧能力qc的關(guān)系如下：

(3)

動(dòng)力效率是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、測(cè)試條件下，氣體分布器在向液體供氣過(guò)程中，消耗 1 kW·h有用功所傳遞到液體水中的氧氣體積數(shù)。

分布器的動(dòng)力效率Ep與充氧能力qc的關(guān)系如下：

(4)

3 結(jié)果與討論

3.1 環(huán)形氣體分布器開(kāi)孔方向?qū)ρ躞w積傳質(zhì)性能的影響

開(kāi)孔方向?qū)Ψ植计鞯膶?shí)際應(yīng)用及操作產(chǎn)生較大影響。當(dāng)裝置停用時(shí)， 開(kāi)孔垂直向上的分布孔易被沉降的固體顆粒堵塞， 分布孔外斜向下可減少甚至避免堵塞現(xiàn)象的發(fā)生?？刂七M(jìn)氣量為0.5～4.0 m3/h，在分布器分布環(huán)直徑為R(即導(dǎo)流筒半徑)、安裝高度為1.2R條件下，調(diào)整分布器導(dǎo)氣孔開(kāi)孔方向分別為垂直向上(Ⅰ)、 水平外下30°(Ⅱ)、水平外下60°(Ⅲ)三個(gè)角度，測(cè)得氧體積傳質(zhì)系數(shù)變化見(jiàn)圖3，底部死區(qū)高度見(jiàn)圖4。

圖3 開(kāi)孔方向?qū)ρ躞w積傳質(zhì)系數(shù)KLa的影響

圖4 開(kāi)孔方向?qū)Φ撞克绤^(qū)高度的影響

如圖3所示，分布器開(kāi)孔方向垂直向上時(shí)，環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)氧的傳質(zhì)系數(shù)最大；水平方向外向下30°開(kāi)孔傳質(zhì)系數(shù)略大于水平方向外向下60°開(kāi)孔，這主要是由于向下的動(dòng)力損失較大，水平方向外向下30°與循環(huán)的流體相互作用，強(qiáng)化了傳質(zhì)，從而提高了傳質(zhì)效率。考慮到垂直向上的開(kāi)孔方向容易引起分布孔堵塞等情況，因此實(shí)際應(yīng)用時(shí)開(kāi)孔方向選用水平方向外向下30°更合適。

如圖4所示，分布器開(kāi)孔垂直向上時(shí)，反應(yīng)器底固相載體堆積較多，反應(yīng)器死區(qū)體積最大；隨著分布器開(kāi)孔角度從水平方向外向下30°增加至60°，反應(yīng)器底死區(qū)體積逐漸降低。這是因?yàn)樵诮嵌葹?0°時(shí)，隨著進(jìn)氣量的增加，氣體射流強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，氣泡向上流動(dòng)時(shí)易靠近內(nèi)筒壁而影響流化效果，當(dāng)進(jìn)氣量繼續(xù)增大時(shí)，有部分氣泡容易從內(nèi)筒逸出，從底部進(jìn)入環(huán)隙區(qū)域，進(jìn)而使外筒液體循環(huán)速度降低，導(dǎo)致固相載體堆積于反應(yīng)器底，增加反應(yīng)器死區(qū)。

3.2 環(huán)形氣體分布器直徑對(duì)傳質(zhì)性能的影響

分布環(huán)直徑是環(huán)形氣體分布器的重要尺寸之一，若直徑太小，則如同管式分布器，分散度不夠，容易產(chǎn)生氣泡聚并，不利于氣體擴(kuò)散溶解；若直徑太大，則氣體容易逸出導(dǎo)流筒，不利于反應(yīng)器內(nèi)流體循環(huán)流化?？刂七M(jìn)氣量為0.5～2.5 m3/h，在安裝高度為1.2R條件下，調(diào)整分布環(huán)直徑分別為0.4R、0.5R、0.6R和0.7R，測(cè)得氧體積傳質(zhì)系數(shù)變化見(jiàn)圖5。

圖5 分布環(huán)直徑對(duì)氧體積傳質(zhì)系數(shù)KLa的影響

從圖5可以看出：隨著環(huán)形分布器直徑從0.4R逐漸增大到0.7R，反應(yīng)器內(nèi)氧體積傳質(zhì)系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)；在不同氣量條件下，分布器直徑0.5R均表現(xiàn)出最大的氧體積傳質(zhì)系數(shù)。這是因?yàn)榉植辑h(huán)直徑過(guò)小時(shí)，氣泡聚并的機(jī)率增大，小氣泡聚并成大氣泡，氣液接觸的表面積變小，從而導(dǎo)致氧體積傳質(zhì)系數(shù)變??；而分布環(huán)直徑較大時(shí)，則易造成氣泡與內(nèi)筒壁接觸，甚至?xí)?dǎo)致氣泡從內(nèi)筒與反應(yīng)器內(nèi)壁之間的環(huán)隙區(qū)域逸出，從而降低環(huán)隙間氣液循環(huán)流速，不利于導(dǎo)流筒內(nèi)外循環(huán)流體特性的改善。

3.3 環(huán)形氣體分布器安裝高度對(duì)傳質(zhì)性能的影響

控制進(jìn)氣量為0.5～2.5 m3/h，在分布器直徑為0.5R、開(kāi)孔方向水平外向下30°條件下，選取進(jìn)氣分布環(huán)到導(dǎo)流筒底部距離為0、0.5R、1.0R和1.5R四個(gè)位置進(jìn)行安裝，測(cè)得氧體積傳質(zhì)系數(shù)變化見(jiàn)圖6。

圖6 進(jìn)氣管高度對(duì)氧體積傳質(zhì)系數(shù)KLa的影響

從圖6可以看出：隨著分布器安裝高度從0～1.5R逐漸增高，氧體積傳質(zhì)系數(shù)先增大后減小， 其中安裝高度為0.5R時(shí)， 反應(yīng)器在0.5～2.5 m3/h 氣量條件下，氧體積傳質(zhì)系數(shù)均呈現(xiàn)最佳；在進(jìn)氣量為2.5 m3/h，氧體積傳質(zhì)系數(shù)達(dá)到最高，為1.35 min-1。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，改變分布器安裝高度后，反應(yīng)器底部固相載體堆積較多，死區(qū)變化明顯。反應(yīng)器死區(qū)減少，固相載體不堆積意味著反應(yīng)器內(nèi)有效載體數(shù)量的增多。固相載體具有氣泡破碎功能，能夠進(jìn)一步提高傳質(zhì)效果，因而氧體積傳質(zhì)系數(shù)也隨之增大。安裝高度為1.0R時(shí)，由于氣體射流的原因有部分氣泡進(jìn)入外環(huán)導(dǎo)致氧體積傳質(zhì)系數(shù)減小，故氣體分布環(huán)到導(dǎo)流筒底部距離為0.5R時(shí)氧體積傳質(zhì)系數(shù)最高，傳質(zhì)效果最好。

3.4 環(huán)形氣體分布器性能

常溫條件下，在氣體分布器導(dǎo)氣孔方向?yàn)樗酵庀蛳?0°、直徑為0.5R、安裝高度為0.5R時(shí)的環(huán)流反應(yīng)器中測(cè)試優(yōu)化后的環(huán)形分布器的氧體積傳質(zhì)系數(shù)，通過(guò)計(jì)算【11】得出環(huán)形分布器充氧能力、氧利用率與動(dòng)力效率等性能指標(biāo)，見(jiàn)表1。

表1 環(huán)形分布器性能參數(shù)

由表1可以看出不同氣量下的環(huán)形氣體分布器的氧體積傳質(zhì)系數(shù)、充氧能力、氧利用率與動(dòng)力效率等性能指標(biāo)情況，其中環(huán)形分布器的氧體積傳質(zhì)系數(shù)與充氧能力均隨著氣體流量的增加而增加，氧利用率與動(dòng)力效率隨著氣體流量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。優(yōu)化后的環(huán)形分布器最優(yōu)氣體流量為2 m3/h，此時(shí)，環(huán)形分布器的充氧能力為0.14 kg/h，氧利用率為26.03%，動(dòng)力效率為2.52 kg/(kW·h)。

4 結(jié)論

1) 分布器導(dǎo)氣孔方向?yàn)樗酵庀蛳?0°時(shí)，可避免氣孔堵塞，并能保持較高的氧傳質(zhì)速率。

2) 分布器直徑過(guò)小，氣泡在升流區(qū)容易聚并；直徑過(guò)大，則氣泡容易從底部進(jìn)入導(dǎo)流筒與反應(yīng)器內(nèi)壁之間的環(huán)隙區(qū)域；當(dāng)分布器直徑為0.5R時(shí)，氧傳質(zhì)效果最佳。

3) 分布器安裝高度(即分布環(huán)與導(dǎo)流筒底部距離)為0.5R時(shí)，氧體積傳質(zhì)系數(shù)最高。

4) 環(huán)形氣體分布器在適宜的氣體流量條件下(2 m3/h)，其充氧能力為0.14 kg/h，氧利用率為26.03%，動(dòng)力效率為2.52 kg/(kW·h)。

符號(hào)說(shuō)明：

KLa——氧體積傳質(zhì)系數(shù)，min-1；

t——時(shí)間，s；

CL0——水中初始溶解氧濃度，mg/L；

CL(t)——時(shí)間為t時(shí)的氧濃度；

Cs(20)——20 ℃水中飽和溶解氧濃度，mg/L；

E——氧利用率，%；

V——反應(yīng)器的體積，m3；

qc——?dú)怏w分布器充氧能力，kg/h；

Ep——理論動(dòng)力效率，kg/(kW·h)；

Q——供氧體積量，m3/h；

NT——分布器充氧理論功率，kW。