摘要

关于这一课题已有一些研究，也有一些水力模型被应用于预测生物和非生物填料床(过滤)反应器的水力特性。流体动力学对反应器的效率起着重要的作用。随着环境中废水问题的日益严重，需要一种能在较短的填充床时间内显示良好结果的反应器。因此，本研究的目的是通过不同类型填料床的应用条件、曝气和不曝气来检验流动填料床对塞流式反应器(PFR)的影响。这个反应堆由收集器管在存储容量30 L,有5个派热克斯玻璃管和3种不同类型的填充床有关的安排,反应堆的描写停留时间分布的影响利用RTD与曝气和曝气的效果。采用脉冲法引入示踪剂流入。由RTD的结果，Peclet数(P_e)和色散系数(D_一个)可以计算。Peclet数质量估计范围为0.5到24，色散系数的值为D_一个在1.8 × 10附近是低的吗^－3和8.7×10^－5米²/ s。对这些品质的了解引导我们给一个合适的流展示。

结果表明，填料层对流体的影响会增加处理时间，因此该方法可用于初始水平的水处理。实验结果还表明，在无曝气条件下，使用聚酯填料床有利于增加反应器内流体的处理时间，而聚氨酯填料床由于孔隙率的差异，在曝气条件下更容易影响其使用。

关键字

停留时间;平推流反应器;填料床(聚氨酯、聚酯、聚酯(疏水性));描述

缩写

C:示踪剂浓度;D:管直径;D_一个:轴向弥散系数;E:停留时间分布函数;F:累积函数;I:内部年龄功能;李:管长度;P_e:沛克莱数;P_emax: Max-peclet数量;问:流量;问₀:初始流量;问_C:短路;R²:线性回归系数;S:管;T_年代:平均停留时间;U:速度;V_R:反应堆体积;V_米:死体积;V_一个:访问卷;V_T:管体积;Δ:强度函数;Ω:电导率;τ:运输时间;σ²:方差;θ:减少时间;ρ:密度;µ:动态粘度

医生点

1. 研究了三种填料床的塞流式反应器在好氧和厌氧条件下的水力特性。
2. 在有曝气作用的反应器中，聚氨酯填料床处理废水效果最好。
3. 在厌氧条件下，聚酯填料床能较好地延长流体在反应器中的水力停留时间。

介绍

反应器内流体动力学和混合条件的研究对于实现特定系统的规格设置和解决通常由反应器效率较低导致的问题是至关重要的。有些参数对测定反应器内的流量是有用的。停留时间分布(RTD)是计算有效平均停留时间的重要参数，与水力停留时间(HRT)有很大不同。在模型建立时计算了反应堆的水力停留时间。在流体力学领域，如化学反应器、酶反应器、污水生物反应器、池塘甚至河流中，RTD的使用非常广泛。该技术将示踪剂快速插入进水中，然后从出水中提取样品，计算浓度和RTD曲线[1]。

示踪剂是少量的化学物质;分子或原子用来控制其在反应堆中的流动。研究中使用了不同类型的示踪剂，包括锂、氯化物、染料、放射性元素或微生物。在这些示踪剂中，锂是最好的，因为它不被微生物降解和吸收[2]。

名为化学反应工程(CRE)的工程分支，将反应器的大纲纳入其扩展，利用数据，学习领域的经验，例如，质量交换、热力学、金融分析、化学动力学、热交换和流体力学。一般来说，与CRE相关的建模程序建立了理想的环境，假设塞流反应器(PFR)中的段塞流和CSTR中的理想混合。不管改进的数学处理,大量的假设会导致真正的反应堆行为本身很长的路从理想条件,在很大程度上限制和产品销售有巨大的偏差可能是由于特定的流动路径形成、分布和死区[3]。

在生物反应器用于废水处理的研究中，完美混合模型和Plug-flow模型被认为是理想模型。然而，反应器内的流致理想偏差也会发生。考虑到这些理想偏差，就有可能更好地了解反应堆[4]内部发生的情况。

大多数用于废水处理的生物反应器没有理想的水动力行为，但可以考虑在可接受的误差范围内，塞流或完全混合反应器[5]。死区、窜流和短路是流入的主要问题，也可以用RTD来描述。在一些模型中，只有理想的描述是可用的，如理想塞流反应器等。

本研究的主要目的是融合所有流体动力学理论，并将其应用于废水处理，以提高填料床在反应器中的流动效率，并将填料床与上述反应器的水力性能联系起来。通过本研究可以生产生物填料床，以检验废水处理中的水力特性、降解性能和COD去除。本实验采用三种填料材料(聚氨酯、聚酯和疏水聚酯)，考察了它们在流动方式下的效率。通过曝气和不曝气两种方式对填料床的性能进行了测试。雷诺数、解离常数和peclet数反映了流体的分布和弥散特性。流速在实验中也起着重要的作用，流速随好氧/厌氧条件的变化而变化。在曝气段，流量会因空气压力而改变。流量的增加会引起紊流，在这种情况下很难控制其他参数。因此，在选择填料材料和反应器类型时，了解其水力特性是提高反应器效率的关键。

材料和方法

实验装置

在本研究中，RTD的计算包含一个容量为30升的塑料罐和5个耐热玻璃管。它由一个有助于水流动和混合的泵组成。在水箱出口安装电导率测试装置。利用可变变阻器平衡水流。曝气也是设置的一部分，因此曝气泵安装在反应器的进口(图1a)。

图1:试验装置。

示踪剂测试

在本部分，自来水用于在化学反应器中创造可持续性，以保证水流。示踪剂采用脉冲法注入到滤光片的底部。低电解质排列的KCl(10毫升)用作示踪剂。示踪剂浓度为1 mol/L。用WTW Inolab测力仪检测电导率。每隔2分钟取电导率值来测量浓度。通过KCl的电导率，用标定曲线求出KCl的浓度。

试验采用曝气和不曝气两种方式进行。在曝气和不曝气作用下，水流具有不同的特性。曝气实验中空气浓度为1 L/ min。

在这个实验中，水的运动是自上而下的。水分子和示踪剂以同样的方式运动。反应器中有2-3个水平板，上面有小孔。分子的运动不受这些孔的影响(图1b)。

填充床的属性

本研究采用聚氨酯泡沫和聚酯丝作为包装材料，其基本性能如表1所示。

材料	亲水/疏水1	包装密度(公斤/米3.）	孔径(PPI)2	特定区域 (m2/ g)
聚氨酯泡沫	亲水	27.28	30.	89.5
涤丝	亲水	21.14	-	11．2

表1:聚氨酯泡沫接触角测试

采用动态接触角法测定其润湿性和亲水性。PPI为海绵孔径单位，指一英寸内海绵的数量。

反应器特性

停留时间的分布通常与反应堆的性能有关。在实际的反应器中，反应器体积和在时间(t)内剩余的分子取决于流体动力学和反应器的结构。所以，这样停留时间就可以和平均停留时间不同。为了显示混合反应器的质量和误差，比较平均停留时间(T_年代)，由RTD和停留时间τ计算得到。

如果平均停留时间小于τ，则存在死体积，如果平均停留时间大于τ，则存在短路。

停留时间分布函数

用示踪剂浓度所得到的值，我们用示踪剂浓度所得到的值来表示RTD的各种函数。

用[7]关系式给出了停留时间E(t)的弥散能力

\ [E \离开θ(\ \)= \压裂{{c左\ [t \]}} {{\ smallint _0 ^ \ infty c \ (t \右)dt }}\,\,\,\,\,\,( 1) \]

累积函数由[7]派生

\ [F \左(t \右)= \ smallint _0 ^ tE \左(t \右)dt = \压裂{{\ smallint _0 ^ tc \离开(t \右)dt}} {{\ smallint _0 ^ \ infty c \ (t \右)Qdt离开了 }}\,\,\,\,\,\,\,\,( 2) \]

内部年龄分布I(t)，由[7]

\[我\左(t \右)= \压裂{1}{\τ}左\ [{1 - \ smallint _0 ^ tE左(t \右)dt \} \ ]\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 3) \]

强度关系A(t)用[8]描述

\[一个\左(t \右)= \压裂{{E \左(t \右)}}{{我\左(t \右 )}}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 4) \]

在死体积和短路的情况下，反应堆不能很好地工作。但在很长一段时间内，它并没有表现出单调增长的行为。短路和死体积的存在可以通过这种形状来检查。

确定的参数和方法

为了计算平均停留时间，采用脉冲法注入示踪剂。使用有空气和无空气的不同类型的填充床测量不同流速下的浓度(如表3所述)。每种浓度都有不同的恢复曲线，可根据恢复曲线估计RTD。出口处的电导率可以描述示踪剂在混合物中的浓度。电解质的存在引起了电导率的改变

该预实验是为了检验该反应器在废水处理领域的流动特性。本实验采用填充床作为示踪剂的吸收剂。为进一步研究，这些吸附剂可用于降低废水的TSS(如上所述)。本实验示踪剂用量由下向上递减(图2)。

图2:反应堆热图。

造型

通过计算无量纲Peclet数(P_e)。

P_e特点是:

\ [{P_e} = \压裂{{UL}}, {{{D_a}}} \ \ \,, \ \, U = \压裂{{问{\ rm{}}}}{年代}\]

\[S = {{pi {D^2}} {4}\，\，\，\， (5)\]

闭式反应器的Peclet公式如下:

\[\压裂{{{\σ^ 2}}}{{{{\离开({{t_s}} \右)}^ 2}}}= \压裂{{\离开({\压裂{2}{{{p_e}}}} \右)- 2左\ [{1 - \ exp \离开({- {p_e}} \右)}\右]}}{{p_e ^ 2 }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 6) \]

P_e可以增加它，假设长时间(t)，则扩散为零(D=0)，对于长时间间隔(t)，谁比较Peclet数exp (-P_e)变成零[7]。

因此,通过压缩

我们可以化简方程8

\[\压裂{{{\σ^ 2}}}{{t_s ^ 2}} = \压裂{2}{{{P_ {e \马克斯 }}}}\,\,\,\,\,\,( 7) \]

\ [{P_ {e \马克斯}}= \压裂{{\压裂{2}{{{\σ^ 2}}}}}{{t_s ^ 2 }}\,\,\,\,\,\,\,( 8) \]

自[1-exp (p_e) / P_e2]可以忽略不计(2/P_e)所以

\ [{D_a} = \压裂{{QL}} {{{P_e }}}\,\,\,\,\,\,\,\,( 9) \]

D_一个可以由这个公式确定，

\ [{D_a} = \压裂{{QL}} {{{P_e }}}\,\,\,\,\,\,\,( 10) \]

雷诺数可由下列公式确定

\ [{R_e} = \压裂{{Ud \ρ}}{\μ }\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 11) \]

结果和讨论

采用脉冲示踪技术，通过校准曲线法计算不同填充床层在不同流速下的浓度(图3)。浓度的变化是由电解质引起的。在这些条件下的平均停留时间。

图3:浓度与电导率的关系发生变化。

不同流量、填充层效应和空气效应下浓度随时间的变化(图4)。

图4:示踪剂浓度的时间演变。

曲线的形状与浓度因子相同。曲线的偏差与理想的PFR反应器[7]相同。

RTD参数的测量使用以下公式(表2)。

参数	公式
方差σ2	|(̄t年代) 2 -(̄t年代) ｜
平均停留时间	∑tC (t)Δt / c (t)Δt∑
通过时间τ	VR/ Qo
死体积V米	VR- v一个；与虚拟机/虚拟现实= 1 - (t年代/τ)
访问体积V一个	问O．̄t年代
短路问c	问C/ QO= 1 -(τ- t年代̄)

表2:用于计算RTD参数的公式。

RTD参数汇总表(表3)。

填充床	Q (L / h)	∑C×Δt	∑Ct×Δt	意思是住宅 时间	σ2	正常化 浓度	σ
没有空气，没有床铺	34.35	961.7	20325.64	21.13	87.04	45.50	9.32
空气,没有填充床	43.27	870.92	12220.93	14.03	674.02	62.06	25.96
没有空气、聚氨酯	33.03	445.4	7465.49	16.76	23.50	26.57	4.84
空气、聚氨酯	34.62	415.26	5702	13.73	25.76	30.24	5.07
没有空气,聚酯	36	1290.43	28338.8	21.96	116.85	58.76	10.80
空气,聚酯	27.7	369.16	3283.22	8.89	19.81	41.50	4.45
无空气，聚酯(疏水性)	35.12	712.41	12105	16.99	55.45	41.92	7.44
空气,聚酯(疏水)	28.89	456.77	5922.88	12.96	53.89	35.22	7.34

表3:RTD参数汇总表。

当我们比较方差和平均停留时间的价值和不同的填充床和没有填充床,意味着停留时间减少使用聚氨酯和增加使用聚酯,但是当空气添加到这个过程中,这两个值降低而使用任何填充床或没有填充床。

保持分子在反应器中的时间

在该反应器中，分子在任何时候的停留时间也可以用以下公式计算:

\ [\ smallint _i ^ nE \左(t \右)d \左(t \右)=阴影\区域 \,\,\,\,\,( 12) \]

\[= \压裂{3}{8}t \离开({{f} + 3{₂}+ 3 {f_3} + {f_4}} \ )\,\,\,\,\,\,\,( 13) \]

分子花费时间可以用这个公式在任何地方找到[9]。

E(t)的值随时间的增加而增加，但在特定的时间内。实验半衰期结束后，E(t)又开始下降，本实验得到的E(t)最大值在时间持续的中间点。因此，在不同的生物填料床存在的不同地方，分子在反应器中的剩余时间不同。同样，用这种方法，我们可以在这一项的帮助下计算它们。

RTD参数的描述

RTD的许多参数都可以用浓度来测量。例如分布函数E(t)，累积函数F(t)。这些参数之间的关系如图5所示。

图5:e(t)和f(t)的比较。

如上所述，E(t)的值随时间的增加而增加，但在有限的时间内，F(t)在本实验中表现出相同的行为。我们知道F(t)与E(t)和时间成正比。E(t)的值相同，F(t)也会得到相同的结果。

流模型

在理想的反应器中，流型一般是可以改变的;通过计算轴向弥散系数和Peclet数(P_e）.P的估计_e和D_一个载于(表4)。

填充床	问(m3./秒)	U	σ2	Pe	D一个	Re	流
没有空气，没有床铺	9.5×10－6	8.6×10－4	87.0418	10.26	8.3×10－5	101.3	层流
空气,没有填充床	1.2×10－5	1.09×10－5	674.02	0.584	1.8×10－3	130.8	层流
没有空气、聚氨酯	9.1×10－6	8.2×10－4	23.50	23.9	3.4×10－5	98.4	层流
空气、聚氨酯	9.6×10－6	8.7×10－4	25.76	14.63	5.9×10－5	104.4	层流
没有空气,聚酯	1×10－5	9×10－4	116.85	8.25	1.09×10－4	108	层流
空气,聚酯	7.6×10－6	6.9×10－4	19.812	7.97	8.7×纯	82.8	层流
无空气，聚酯(疏水性)	9.7×10－6	8.9×10－4	55.45	10.41	8.5×纯	106.8	层流
空气,聚酯(疏水)	8.05×10－6	7.3×10－4	53.89	6.23	1.17 4×打败	87.6	层流

表4:的P值_e和D_一个, R_e．

Peclet数由公式8测量。

P_e值越高，P值越低_e在美国，将会有明显的变化。从这些结果得出的结论是，轴向弥散模型在P_e趋于零。当出口使用开极限条件时。P_e越接近小的反混合，或者扩散运动变得越来越关键，对比对流转变[10]。在开放系统中，真实的反应C(t)是否与E(t)有关也是粗略的。此外，在选择的不考虑密切系统中，很难想象C在很大程度的反混合中螺旋位置是自主的，如果不考虑扩展散射，这个假设是可以证实的。

结论

本工作的目的是了解PFR的工作效率。此外，我们将把这个实验的结果与我们进一步研究的微观和宏观管的流动行为以及生物填充床的结果进行比较。利用示踪脉冲技术对曝气和不曝气反应器中填料层的差异进行了评价。通过E(t)计算反应器内流体动力学是必要的。该函数表示示踪剂在系统中的水力特性。在结果中，Peclet数(P_e)和轴向微分系数(D_一个)也可以用来研究流动的性质。通过这些信息，可以知道在何种性质的流动(层流，过渡或湍流)废水可以很好地处理。这些参数会影响废水中组分的去除率。该机理可用于生物填料(生物膜)存在时的活性污泥处理。通过对其性能的了解，可以确定在有曝气作用的反应器中处理废水的最佳方法是聚氨酯填料床，因为在有曝气作用的反应器中，流体在该填料床中的停留时间比在另一填料床中的停留时间长。

参考文献

1. Verfahrenstechnik C(2012)催化固定床反应器。Int J Chem Eng 2019: 9。
2. Escotet-espinoza MS, Moghtadernejad S, Oka S, Wang Y, Romanospino A, et al.(2019)示踪材料性能对连续粉末混合操作停留时间分布(RTD)的影响。第二部分的第一部分:实验评价。粉末技术342:744-763。［Ref。］
3. (2014)管式反应器的停留时间分布。摘自2014年巴西库里蒂巴COMSOL大会论文集。［Ref。］
4. Collivignarelli MC, Bertanza G, Abba A, Damiani S(2019)全面污水处理厂的故障排除 :从示踪剂测试可以学到什么。国际环境科学技术杂志16:3455- 3466。［Ref。］
5. El-Gendy AS, Biswas N, Bewtra JK(2006)城市垃圾填埋场渗滤液处理在漂浮水系统中使用水风信子去除金属。水环境研究78:951-964。［Ref。］
6. Yazdanpanah N, Cruz CN, Connor TFO(2019)用于流动化学和连续制造的管状反应器的多尺度建模。Comp Chem Eng 129: 106510。［Ref。］
7. Coker KA(2001)化学动力学建模和反应器设计。海湾专业出版社，美国。［Ref。］
8. Mills MA, Bonner JS, McDonald TJ, Page CA, Autenrieth RL(2003)石油影响湿地的内在生物修复。Mar pollution Bull 887-899。［Ref。］
9. 福格勒HS(2006)化学反应器停留时间的分布。参见:化学反应工程要素。Prentice Hall PTR，威斯康星大学麦迪逊分校，美国13:867-944。［Ref。］
10. (2012) CPC反应器中停留时间分布的确定。能源进程18:368-376。［Ref。］

在此下载临时PDF

条信息

文章类型:研究文章

引用:朱超，马辉，王辉，Arshad AS(2019)填料床对塞流式反应器水力特性的影响。国际给水排水5(1):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.160

版权:©2019朱C，等。这是一篇开放获取的文章，在知识共享署名许可协议的条款下发布，该协议允许在任何媒体上无限制地使用、发布和复制，前提是注明原作者和来源。

出版的历史:

收到日期:2019年5月,08年

接受日期:07年8月,2019年

发表日期:2019年8月14日