何慶生，許 健，范景福

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

氣升式環(huán)流反應(yīng)器(以下簡稱環(huán)流反應(yīng)器)是基于傳統(tǒng)鼓泡塔改進后形成的多相反應(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，具有良好的傳熱、傳質(zhì)和相間接觸效率，在能源化工、環(huán)境保護和生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用【1-4】。國內(nèi)外學者為強化環(huán)流反應(yīng)器的傳質(zhì)效率做了大量的研究，楊衛(wèi)國等【5】研究了主要操作條件對氣液傳質(zhì)系數(shù)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)增加表觀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。

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)推動力促使氣、液、固三相間進行有效接觸，還能夠使水中的溶解氧穩(wěn)定在一定范圍，滿足污水處理過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)效率與運行效能。環(huán)形氣體分布器是三大類氣體分布器中重要的一種，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳質(zhì)效率高的特點。本文重點針對污水好氧生化處理領(lǐng)域的環(huán)流反應(yīng)器開展環(huán)形氣體分布器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，考察各實驗條件下，環(huán)形氣體分布器對環(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 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了觀測方便， 本實驗中的環(huán)流反應(yīng)器采用有機玻璃制成， 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)多次測量此處的溶解氧濃度約為底部與頂部的平均值)測定環(huán)流反應(yīng)器溶解氧濃度。實驗過程中，向裝滿廢水的環(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)利用其所攜帶的動能提升廢水。當混合物到達反應(yīng)器頂部(氣液分離區(qū))時，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)過程中，氣、液、固三相可均勻分散于整個反應(yīng)器中，實現(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?；钚蕴浚渫都恿繛榉磻?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；進氣管下端可直接連通氣體管線，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，按照一定的開孔率均勻開設(shè)導(dǎo)氣孔若干。

圖2 環(huán)形氣體分布器結(jié)構(gòu)

2 實驗方法

2.1 實驗過程

實驗在常溫、常壓下進行，控制進氣量為0.5～4.0 m3/h，依次調(diào)整環(huán)形氣體氣孔開孔方向、分布器直徑、安裝高度等單一變量，監(jiān)測實驗全程氧體積傳質(zhì)系數(shù)的變化，考察各實驗階段氣升式環(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)的測量與計算

反應(yīng)器注滿水后，用氮氣對反應(yīng)器內(nèi)氧氣進行驅(qū)趕，使反應(yīng)器內(nèi)溶氧值接近零值。此后，切換氮氣為空氣，利用溶解氧儀監(jiān)測裝置內(nèi)溶氧濃度的變化，最后利用式(1)計算得出氧體積傳質(zhì)系數(shù)(符號說明見文末，下同)。

(1)

2.3 氣體分布器曝氣性能指標

環(huán)流反應(yīng)器的氣體分布器性能優(yōu)劣主要通過充氧能力、氧利用率、理論動力效率等指標進行量化評估，實驗測定氧傳質(zhì)系數(shù)，再經(jīng)計算得出氣體分布器的充氧能力、氧利用率、理論動力效率性能參數(shù)。充氧能力高，即氧傳質(zhì)系數(shù)大或推動力大，則會增加能耗。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，但動力效率會降低。因此，評價氣體分布器曝氣性能最重要的指標是在滿足足夠的充氧能力條件下動力效率的高低。

充氧能力是在標準狀態(tài)、測試條件下，氣體分布器在一定時間內(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 ℃、常壓的測試條件下，氣體分布器在一定時間內(nèi)通過氣體傳質(zhì)傳遞到液體水中的氧氣體積量占氣體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)

動力效率是在標準狀態(tài)、測試條件下，氣體分布器在向液體供氣過程中，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)形氣體分布器開孔方向?qū)ρ躞w積傳質(zhì)性能的影響

開孔方向?qū)Ψ植计鞯膶嶋H應(yīng)用及操作產(chǎn)生較大影響。當裝置停用時， 開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。控制進氣量為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)三個角度，測得氧體積傳質(zhì)系數(shù)變化見圖3，底部死區(qū)高度見圖4。

圖3 開孔方向?qū)ρ躞w積傳質(zhì)系數(shù)KLa的影響

圖4 開孔方向?qū)Φ撞克绤^(qū)高度的影響

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

如圖4所示，分布器開孔垂直向上時，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。這是因為在角度為30°時，隨著進氣量的增加，氣體射流強度逐漸增強，氣泡向上流動時易靠近內(nèi)筒壁而影響流化效果，當進氣量繼續(xù)增大時，有部分氣泡容易從內(nèi)筒逸出，從底部進入環(huán)隙區(qū)域，進而使外筒液體循環(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，測得氧體積傳質(zhì)系數(shù)變化見圖5。

圖5 分布環(huán)直徑對氧體積傳質(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；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)。這是因為分布環(huán)直徑過小時，氣泡聚并的機率增大，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，則易造成氣泡與內(nèi)筒壁接觸，甚至會導(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傳質(zhì)性能的影響

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

圖6 進氣管高度對氧體積傳質(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， 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；在進氣量為2.5 m3/h，氧體積傳質(zhì)系數(shù)達到最高，為1.35 min-1。

結(jié)合實驗現(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，由于氣體射流的原因有部分氣泡進入外環(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)氣孔方向為水平外向下30°、直徑為0.5R、安裝高度為0.5R時的環(huán)流反應(yīng)器中測試優(yōu)化后的環(huán)形分布器的氧體積傳質(zhì)系數(shù)，通過計算【11】得出環(huán)形分布器充氧能力、氧利用率與動力效率等性能指標，見表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、氧利用率與動力效率等性能指標情況，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，氧利用率與動力效率隨著氣體流量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。優(yōu)化后的環(huán)形分布器最優(yōu)氣體流量為2 m3/h，此時，環(huán)形分布器的充氧能力為0.14 kg/h，氧利用率為26.03%，動力效率為2.52 kg/(kW·h)。

4 結(jié)論

1) 分布器導(dǎo)氣孔方向為水平外向下30°時，可避免氣孔堵塞，并能保持較高的氧傳質(zhì)速率。

2) 分布器直徑過小，氣泡在升流區(qū)容易聚并；直徑過大，則氣泡容易從底部進入導(dǎo)流筒與反應(yīng)器內(nèi)壁之間的環(huán)隙區(qū)域；當分布器直徑為0.5R時，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，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%，動力效率為2.52 kg/(kW·h)。

符號說明：

KLa——氧體積傳質(zhì)系數(shù)，min-1；

t——時間，s；

CL0——水中初始溶解氧濃度，mg/L；

CL(t)——時間為t時的氧濃度；

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——氣體分布器充氧能力，kg/h；

Ep——理論動力效率，kg/(kW·h)；

Q——供氧體積量，m3/h；

NT——分布器充氧理論功率，kW。