摘要：鉛鋅冶煉污酸水中的砷主要以3價砷形態(tài)存在，處理污酸水中的砷需要將3價砷氧化為5價砷。為了提高氧化效率，采用一種新型的射流反應(yīng)器，對該反應(yīng)器中的氣液兩相流動進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得到了壓力場分布、氣液速度場分布、氣泡尺寸、氣含率、宏觀混合效果等參數(shù)，對后續(xù)的氧化工藝設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：射流反應(yīng)器；數(shù)值模擬；流體行為；宏觀混合效果

中圖分類號：TQ051.1" " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " "文章編號：1004-0935（2024）04-0493-04

鉛鋅冶煉過程，砷隨煙氣進(jìn)入制酸工藝進(jìn)入污酸水中[1]，導(dǎo)致污酸水中的砷含量遠(yuǎn)高于國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)行脫砷處理。石灰法[2]、石灰鐵鹽法[3]、硫化法[4]處理含砷污酸水，所產(chǎn)生的含砷廢渣的主要成分都是3價砷酸鹽[5]。3價砷酸鹽在水中的溶解度較大[6]，導(dǎo)致脫砷效率低，處理后污水仍達(dá)不到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。一些研究者[7-9]提出氧化的方法，將3價砷酸鹽氧化為較為穩(wěn)定的5價砷酸鹽，然后再固化處理，可以實現(xiàn)固化體長期、穩(wěn)定達(dá)到國家規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)。氧化的方法主要有化學(xué)試劑氧化法（雙氧水、高錳酸鉀、二氧化錳礦、次氯酸鈉等）和氧氣氧化法（空氣、工業(yè)氧氣）。用氧氣作為氧化劑處理污酸水，沒有二次污染，但有研究[10]表明氧氣的利用率不高，因此高效利用氧氣將3價砷酸氧化為5價砷酸是亟待解決的重要課題。本研究引入一種新型射流反應(yīng)器強(qiáng)化氧化反應(yīng)效率，利用ANSYSCFX軟件系統(tǒng)地研究反應(yīng)器內(nèi)氣液流動行為，為氧化法處理污酸水提供理論和實驗依據(jù)。

1" 研究內(nèi)容及方法

1.1" 數(shù)學(xué)模型

本研究采用瞬態(tài)三維歐拉-歐拉模型，各相通過相間的能量傳輸、動量傳輸、質(zhì)量傳輸模型耦合[11]。以CFX 15作為計算平臺，采用非穩(wěn)態(tài)分離求解器求解模型方程。設(shè)置速度為入口邊界條件，出口為開放邊界條件。采用基于PBM理論的多氣泡組質(zhì)量傳遞的MUSIG模型[12]。該模型考慮了不同尺寸的氣泡直徑的變化以及氣相之間的聚并與破碎，將氣泡直徑按系統(tǒng)中氣泡尺寸范圍分為多組。氣泡被分為10個氣泡組，氣泡組最小直徑為0.5mm，最大直徑9.5mm。使用SST湍流模型計算液相湍流運動，SST模型結(jié)合了自動壁面函數(shù)，提高了近壁區(qū)域計算精度。數(shù)學(xué)模型的方程如表1所示。

1.2" 模型與網(wǎng)格驗證

設(shè)備的幾何模型計算域如圖1所示，計算區(qū)域采用六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格無關(guān)性驗證與計算的準(zhǔn)確性驗證已在之前的工作中完成[13]，本文不再進(jìn)一步介紹。本次模擬的物理總時間為80s，時間步長為0.001 s，氣相體積流量為7 m3·h-1，液相體積流量為5.38 m3·h-1。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 壓力場分析

在反應(yīng)器底部，液體從底部泵入，流體經(jīng)過文丘里段后，氣體在負(fù)壓狀態(tài)下被高速液體卷吸進(jìn)入反應(yīng)器。在進(jìn)入擴(kuò)張段時，混合流體由于氣液密度不同、重力、流體壓力變化等因素共同作用導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生流體擺動。隨著軸向位置的升高，壓力變化對流體的擾動逐漸降低。圖2為反應(yīng)器軸向高度為-0.545、-0.745、-0.945m的3組橫截面壓力平均值，描述壓力隨時間的變化關(guān)系，反映反應(yīng)器內(nèi)流體的壓力分布。

30s之后計算達(dá)到穩(wěn)定，3組壓力值具有相似的周期性變化規(guī)律。壓力波動的劇烈程度隨著反應(yīng)器高度增加而減小，水平面上氣液相互作用的程度也隨高度升高而減弱。

2.2" 氣液速度場分析

在氣液兩相流中，相界面的分布特征與氣液兩相運動規(guī)律是研究氣液反應(yīng)器流場的重點。本文通過研究氣液兩相流的速度場分布，考察反應(yīng)器內(nèi)相間傳質(zhì)效果，結(jié)果如圖3所示。

圖3為反應(yīng)器圓柱段和圓錐段中心剖面的速度分布，流體速度為3個方向的合速度。兩相速度分布輪廓較為清晰，分布形態(tài)相似。氣液兩相流體速度的中心峰域?qū)挒?.1m，占反應(yīng)器徑向尺寸的40%?；旌狭黧w的中心峰速度在反應(yīng)器內(nèi)部沿徑向位置往復(fù)擺動，這種擺動現(xiàn)象有利于氣體從中心向外擴(kuò)散，促使氣液充分反應(yīng)。圖4為反應(yīng)器不同軸向高度的截面平均氣速隨時間變化的氣相速度分布。

隨著軸向位置逐漸降低，氣體速度振蕩幅度越大，振幅由0.07 m·s-1增至0.45m·s-1。通過改變圓錐段角度和長度調(diào)整流體在圓錐段停留時間有利于氣液相充分接觸，強(qiáng)化氣液反應(yīng)效率。

2.3" 氣含率與氣泡尺寸分析

圖5為軸向高度為z=-0.545m與z=-0.745m處的氣含率分布。隨著軸向位置逐漸升高，氣含率逐漸增加。在-0.545m和-0.745m處徑向氣含率分布基本重合，氣含率為0.15～0.25，說明在反應(yīng)器的這兩個軸向高度處已經(jīng)為充分發(fā)展階段。該位置反應(yīng)器內(nèi)部氣含率高于反應(yīng)器位置-0.945的氣含率50%，平均氣含率低于0.3。氣含率低于0.3時，以液體為連續(xù)相的氣液兩相流不會被破壞，氣液反應(yīng)可以順利進(jìn)行[14]。

反應(yīng)器內(nèi)部氣含率對氣泡尺寸分布有一定影響，本研究對反應(yīng)器軸向位置氣泡平均直徑分布展開了研究，結(jié)果如圖6所示。流體流經(jīng)文丘里段后，以較大速度向上流動。

圖6中軸向位置z=-0.945 m的氣含率較低，氣體在液體的強(qiáng)烈攪拌作用下破碎為小氣泡，氣泡直徑為5～1.5 mm。隨著反應(yīng)器高度的增加，射流作用減弱，小氣泡聚并成大氣泡，氣泡尺寸隨高度增加而增加，在反應(yīng)器圓柱段氣泡尺寸主要分布于1.5～3.5 mm。

2.4" 宏觀混合效果分析

為了描述反應(yīng)器內(nèi)的宏觀混合效果，本研究引入混合指數(shù)[15]這個概念?；旌现笖?shù)是將流體的分布描述成有限個質(zhì)點，利用統(tǒng)計學(xué)中描述數(shù)據(jù)偏離期望值的程度所使用的標(biāo)準(zhǔn)差公式，加以分析和研究。它通過從模擬計算結(jié)果中得到的流體體積分?jǐn)?shù)，代入相關(guān)公式中，從而計算出混合指數(shù)M值。

通過不同軸向位置截面上的液相濃度（體積分?jǐn)?shù)）求取混合指數(shù)（M）來表征反應(yīng)器的混合特性，其中N為界面上統(tǒng)計的總的點個數(shù)，這里取值根據(jù)網(wǎng)格劃分時的節(jié)點均勻取測點；Ci為各個點的濃度，也就是各個測點的液相體積分?jǐn)?shù)；Ca為截面濃度的期望值（通常為0.5），通過各點值總的期望計算得出。M值的評價方法是，越接近0，說明混合效果越好，對于加快氣液反應(yīng)效率有積極作用。圖7為反應(yīng)器軸向位置各截面的M值。

隨著軸向高度上升，M值逐漸降低，表示混合程度越好。z=-1.1m處，氣液兩相從喉管段進(jìn)入擴(kuò)散段，通過旋流擴(kuò)散使得氣液兩相混合越來越均勻，但此時氣液兩相速度值還較大，從而表現(xiàn)為混合指數(shù)相對較大，進(jìn)入錐形區(qū)域和圓柱區(qū)域后，氣液兩相速度值逐漸降低，分布開始均勻，混合越來越好，表現(xiàn)為混合指數(shù)逐漸降低。

3結(jié) 論

本文在氧氣-污酸水體系中進(jìn)行了CFD-PBM耦合模型數(shù)值模擬研究，通過三維數(shù)值模擬方法探究了射流反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。

1）混合流體由于氣液密度不同、重力、流體壓力變化等因素共同作用導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生流體的周期性擺動。隨著軸向位置的升高，流體的擺動程度逐漸降低。

2）隨著軸向高度上升，混合指數(shù)M值逐漸降低，表示混合程度越好。從喉管段進(jìn)入擴(kuò)散段，通過旋流擴(kuò)散使得氣液兩相混合越來越均勻，進(jìn)入錐形區(qū)域和圓柱區(qū)域后，氣體分布更均勻，混合指數(shù)逐漸降低。

3）反應(yīng)器圓柱段氣泡尺寸為1.5～3.5 mm，圓錐段氣泡尺寸為5～1.5 mm。平均氣含率最大值為0.25，該反應(yīng)器中能夠保持穩(wěn)定的以液相為連續(xù)相的氣液兩相流。

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Study onFluid Behavior of Sewage Acid Water

As （III） Oxidation in Jet Reactor

WANG Zhenwei， LI Ruibing

（Shenyang University of Chemical technology， Shenyang Liaoning110142， China）

Abstract：" In the waste acid water from lead and zinc smelting， arsenic mainly exists in the form of trivalent arsenic，treatment of arsenic in waste acid water requires oxidation of trivalent arsenic to pentavalent arsenic. In order to improve oxidation efficiency， a new type of jet reactor was used in this study， numerical simulation of gas-liquid two-phase flow in the reactor was carried out， and parameters such as pressure field distribution， gas-liquid velocity field distribution， bubble size， gas holdup and macro mixing effect were obtained， having important guiding significance for subsequent oxidation process design.

Key words：Jet reactor; Numerical simulation; Fluid behavior; Macro mixing effect