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臭氧接触装置的传质与吸收试验研究.pdf

  • 上传人:TanyaWei
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  • 上传时间:2020-02-10
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    关 键  词:
    臭氧 接触 装置 传质 吸收 试验 研究
    资源描述:
    第 3 0卷第 2期 哈 尔 滨 建筑 大 学 学报 V o l 3 0 No 2 I 9 9 7 年 4月 J o u r n a l,o f Ha r b i n Un i v e r s i t y o f C E Ar c h i t e c t u r e A p r 1 9 9 7 臭氧接触装置的传质与吸收试验研究 、 、 7 张金松李伟光V 放赫俊国 袁纯英 ( 哈尔滨建筑大学) ( 黑龙江省轻工设计院) 捅 要 根据对臭氧接触反应装置影响吸收与传质的主要因素进行的试验研究,归纳 出不同孔径扩散器气泡直径 与空塔气速关系 的经验公式 ,并对进气 中臭氧浓度 、鼓泡塔 的水 力停 留时间、水深 与臭氧吸收率的关系进行 了试验和分析 关键词 给水处理;臭氧接触;鼓泡塔;臭氧吸收率 分类号 一 丁 1 ) 迄今,鼓泡接触设备仍是应用最为广泛的臭氧接触系统。鼓泡接触设备中水 力停 留 时间变化范围大 ,整个设备无活动部件,便于操作和维护;相界 比表面积大 ,传质系数 高;由于无需外加能量进行混合,能耗较低但在使用中,也发现这种设备存在着液相 全混、气相某种程度返混,以及高径比大时,比相界面积很快降低等不足。此处,塔 高 ( 池深) 较大,扩散器微孔堵塞、气泡垂直沟流等弊端亦不容忽视。因此, 有必要从化学 反应工程学的角度对鼓泡接触设备进行深入的分析,以此指导实际工程设计中反应器参 数的选择,并为臭氧接触反应器改进奠定基础。 1 试验装置 根据试验要求,设计、加工、安装的臭氧接触反应装置,见图 1 试验装置 的规格 及工艺参数如下: 臭氧发生器 图 1 臭氧接触反应装置示意 图 收稿 日期 : 1 9 9 6一叭一1 1 强金梧男讲师f 哈尔摈建筑大学市政环境工程学院( 1 5 0 0 0 8 ) 维普资讯 http:/ 7 6 哈尔滨建筑大学学报 第 3 0卷 1 1 臭氧接触柱 有机玻璃柱直径 4 0 mm,高 2 6 4 5 m,用微孔钛板 自底部进气 ,根据试验的需要 钛 板选 用 l 型 ( 孔径 l O g m) 、 型 ( 孔 径 1 O2 0 ,t t m) 、I I I型 ( 孔径 2 5 4 0 m a ) 。 试验 原水采 自哈尔滨建筑大学 自备井 ,由水 泵 自原水箱提升到高位水箱 ,臭氧接触拄上端 进水 下端进气 ,气本逆流接触,尾气 由柱顶排出 2 2 臭氧发生系统 采用x Y一1 型臭氟发生器,可调电压为 8 1 8 k V ,臭氧产量为 1 5 g h ,空气从 火气进入空压机 ,径过滤器 除尘除油岳,进入变压器吸附干燥装置 ,吸附剂采用硅胶, 臭氧产量可以通过调节升压变压器的初级电压来控制,用转子流量计测量进气量。臭氧 浓 度用碘 量法 测 定 。 2 试验结果及讨论 2 1扩散器孔径及臭氧化空气流量对气泡大小的影响 气泡大小及其分布直接影 响着鼓泡接触设备 的工作特性 确定气泡大小有 多种方 法,照相法测试设备简单 ,测定程序方便因而 得到广泛采用。此外 ,还有 光散射法, 光反射法和解 聚法等测定方法。近年来,确定气泡大小的各种光学和电学探头也相继开 发出来。有关的试验表明,照相法测定的结果与两点电针法 吻合较好 ” 】 ,故此,在 我们 的试验中也采 用这种 比较简单但测试精度同样可以满足要求的照相法 对于三种不同扩散器 的鼓泡塔,分别在不 同进气流量下测定了塔 内水 中臭氧气 泡的 太小,气泡的平均直径按下式计算: = 嚣 (1 根据式 ( 1 ) 计算气 泡的平均直径及 对应 的进气流量和空塔气速, 结果见图2 。 当气泡直 径大于 1 2 m m 时, 其形状呈椭球形。 计算 中 取长半轴与短半轴的平均值作为直径。 根据 黑 试验中 的直接观察与照片分析,在各种进 生 气流量下,气泡刚刚形成时都 比较小,直径 扩 约 0 1 0 3 mm但在随后的上升过程 中, 小气泡迅速合并成较大的气泡 ,其合并速度 及合并程度都随着气流量的加大而增加完 成合并所需 的路程 一般在 5 3 0 c m,超 过 3 0 c m后,合并变得不明显,所以试验 中的气泡测定都是在扩散板 以上 3 0 c m处进 行的。 气泡的大小在合并前后都是不均匀的。一般最大直径与最小直径可相差 2 5倍左 右。另 外观察中还发现,气泡直径小于 1 O mm 时,在水 中基本上是直线上升 的,而 当直径大 于 l 2 mm 以上时,则呈现不规则的摆动上升,由图 2可 看 出,气泡的平均直径 与气 体空塔流速成明显的线性关系 ( 三组数据的相关系数分别为0 9 9 7 , 0 9 9 4 和 0 9 9 1 ) 。 利用线 性回归方法分别求出了使用这三种孔径 的扩散板时气泡的平均直径 与气体空塔流速 的关 维普资讯 http:/ 第 2期 张金松 等: 臭氧接触装置的传质与吸收试验 研究 7 7 系 如 下 : 遥 式 : I 型扩散板: 型扩散板 型扩散板 d =A +By d =0 2 5 0+0 0 6 7 v d =O 3 7 2 +O 0 6 1 0 d =O 4 9 5 +O 0 7 0 v 经验数据表明气泡的体积 与扩散板的微孔半径 R成正比 直径与 R的 1 3次幂成正 比,所以考虑将式 ( 2 ) 中的 A表示成 A =a R 将式 ( 6 ) 代人式 ( 2 ) ,并将式 ( 2 ) 中的 B改写成 b ,得: d =a R +b y f 6 ) 式 中:d 气泡平均的直径 mi l l R 扩 散板 的微 孔半 径 L t m o 气体空塔 流速 tu f a d 、b 系数 对于不同的水质,式 【 7 ) 中的系数 a 和 b可能不同。影响气泡直径的因素除扩散板孔 径和气体空塔流速 以外 ,还有水的表面张力及水和气体的密度差;而温度及水 的粘滞性 影响极小 由于在不 同的研究 体系 中水和含 臭氧 气体 的密度差相对说来变化不大, 所以 a 和 b的值将主要受水的表面张力影响 对于试验 中所用的 I 型扩散板( 孔径 l O n ) 微孔平均直径取 5 ,u m,其余两种扩散 板取最大孔径与最小孔径的平均值。则三种扩散板的平均微孔半径为:R =2 5 p m, R, =7 5 1 ,R =1 6 2 5 p r r u 将它们分别代人式 ( 6 ) 并利用式 ( 3 ) ,( 4 ) 、 ( 5 ) 中的三个 值 ,可得 到 :0 1 8 4 , 吗=O 1 9 0 ,d 3 =O 1 9 5 。取平均值得 :a =0 1 9 0 。对于式 ( 3 ) 、 ( 4 ) 、( 5 ) 中的三 个 B值也取平均值 得:b =B =0 0 6 6 。将 d和 b的值代人式 ( 7 ) ,得 d平均 =o 1 9 o R +O 6 6 6 v ( 8 ) 式 ( 8 ) 为适用于本试验系统的气泡平均直径计算公式将试验中所用的三种微孔扩散 板的 R值及测定中所用的 p值分别代人武 ( 8 ) ,得到 的d 计 算值 分别列 于表 l 表3 , 并算 出了与实测值 之间的相 对误差 通过 比较可 以看 出,式 ( 8 ) 用 于计算本 试验系 统 中的气泡平均直径是 比较准确的,相对误差一般小于 1 0 在采用其它孔径的微孔扩散 板时 ,也可以根据式 ( 8 ) 来估算微孔扩散板在各种气体空塔流速下产生的气泡的平均直径。 表 1 I 型扩散板 d 计算值与实测值 比较 黼 气 出 导 以 可 此 固 维普资讯 http:/ 哈尔滨建筑太学学报 第 3 0卷 表 3 E l 型扩散 板 d 计算值与实测值 比较 2 2 进气中臭氧浓度对吸收率的影响 使用型 扩散 板, 在臭 氧投加 量l m g L 和厂 二 1 磊 匮 _ 2 m g L的 条件下, 分 别改 变进气 臭氧 浓度( 因 主 臭 氧 苎 苎 : = = : = 而改变气水比) 测定了其对臭氧吸收率的影响, j 。 i 结果见图3 。 墓 l l 由图3 可以看出,在臭氧投加量不变的条 要 8 0 件下,增加进气浓度( 减小气水比) 对于提高 i 臭氧吸收率效果是非常显著的。影响吴氧吸收 L1一 一 I 率的因素比较多,其中包括 臭氧投加量、进气 2 6 1 0 1 4 1 8 浓度 、接触时间,有效水深、水中消耗臭氧物 进氧臭氧浓度【 ra g L ) 质 的浓度及种类、 臭氧在水 中的分散程 度和水 图3 鼓泡塔臭氧吸收率与进气浓度关系 温等等。目前还不能做到用一个简单 的关 系式来概括这些 因素的影 响, 根据试验结果来 分析, 气体空塔流速 ( 由上述 因素 中的前 四项决定 ) 对臭氧吸收率起着决定性 的影响,当 气体空塔流速在 5 7 m h时, 吸收率 一般可达 9 6 9 8 以上, 而 当气体 空塔流速 达到 1 O m h以上 时, 吸收率迅速 F降。 2 3水在塔内停留时间的影响 一 苎 璺 差 量 ! , 测 面 广萌 页 _ _ 定 了 水 在 塔 内 的 停 留 时 间 对 臭 氧 吸 收 I q投 量l 3 l l , 率 的 影 响 , 结 果 见 图 4 。 兰 里 兰 = 兰 = 2 5 罾 图4 表明, 臭氧吸 收率随着停留 墼9 0 。一 一 ; 2 o 篙 羹 誓 茎 盖 呈 曩萋 、 : 三 二 : j 羹 留 时 间 延 长 以 后 , 进 气 流 量 随 进 水 流 酵 l 、 一 J n * 量而减小,也就是减小了气体空塔流 j J 速。因而使产生的气泡更小,有利于 了 一l咒 一 _ J 臭氧的充分吸收:同时由于小气泡 的 水力停留时间 皿 ) 上 升速度较慢 , 还 可 以延长其在水 中的 图4鼓泡塔臭氧吸收率与水的停留时间关系曲线 停 留时间,所 以臭氧吸收率会显著提高由图 4中还 可以看出, 随着停 留时 闭延长 , 尽 管 臭氧吸收率提高了, 而出水剩余臭氧浓度反而下降了。 这是 因为试 验用水 中的 消耗 臭 氧 的有机和无机物质 与臭氧的反应更加充分了 ( 据测定, 出水的cODm值约 为 0 2 5 mg L 2 右) 。 此外 , 由于臭氧在水中的 自身分解速度也 比较快, 在室温 和 中 性 条 件 下 ,其 半 衰 期只有 3 0 rai n左右。 随着停 留时间延长, 溶于水 中的臭氧也会产生更多的分解。 2 4鼓泡塔水深的影响 试 验 中考察了扩 散塔的有效水深对臭氧吸收率的影响, 结果见 图 5 维普资讯 http:/ 第2期 张全松等:臭氧接触装置的侍质与吸收试验研究 7 9 由试验 结果可 以看 出, 在 臭氧 1 0 0 投加量和停 留时间不变的条 件下, 增加水深可 以提 高臭氧吸收率,因 此适当地增加塔内有效水深是有益 墼 的。但在由于大多数臭氧发生器的 譬 运行 压力都 在 O 0 6 0 0 7 MP a的 范围内所以鼓泡扩散装置水深一 般限制在 5 m 以内 。 综上所述 ,我们 根据气 液反应 n 5 1 5 2 5 3 5 5 理论,从化学反应工程学角度,以 有效水探 m 】 臭氧接触设备的传质能力和臭 氧吸 图5 鼓泡塔水深对臭氧吸收率的影响 收率为指标,对鼓泡塔进行 了分析和试验,得出的结果对于评价臭氧接触设备的性 能,提高其工作效率具有一定的理论和实践意义 ,但结台其它类型的接触反应器,对鼓 泡塔进行更深入 的研究,以开发 出实用高教的新型臭氧接触设备,则需要进一步 的研究 和探索。 参考文献 l Koi d e ,K ,e t a 1 De s i g n Pa r a me t e r s Es t i ma tio n f or Bu b b l e Co l u mn, J Ch e m En g r g J a pa n , Vo l 1 2 No 2 1 9 7 9 2姜信真,张秦岭鼓泡塔工程放大的讨论 化工机械,1 9 8 1 f 3 ) 3 B e r g h ma n s ,J S t a b i l
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