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1、气液固三相分离器的优化设计3郝晓刚(太原理工大学化工系, 太原市 030024)摘要将三相分离器的设计与 U A SB 反应器的工艺条件相结合, 建立了一种改进结构的三相分离器的设计模型, 可以求得分离器的最佳结构尺寸, 为反应器在高负荷 下稳定运行提供了依据。关键词U A SB 反应器三相分离器废水处理结构简单、 负荷高、 适应性广等特点, 一直受到国内外普遍重视, 已被广泛用于多种工业有 机废水的处理1 。传统的 U A SB 反应器设计重点集中在气21引言上流式厌氧污泥床 (U A SB ) 反应器因具有3 太原理工大学科研基金资助课题水力旋流器溢流管结构对其分流比的影响如图 6 所示。
2、 图中结果表明, 在所选溢流管结 构中, 采用厚壁直圆管结构时和普通型薄壁直 圆管结构时的水力旋流器分流比基本相同, 而另外三种溢流管结构则均使水力旋流器分流比有所减小。 同普通型薄壁直圆管结构溢流管相 比, 水力旋流器溢流管采用 30渐扩管加锥结构 时使水力旋流器分流比降低 15% , 而采用20渐扩管加环齿结构时使水力旋流器分流比 减小 1% , 采用虹吸式直圆管结构时使水力旋流器分流比降低 16% , 因为这三种溢流管结构 均能使水力旋流器溢流更顺畅地排出。因此, 当溢流管采用厚壁直圆管结构或普通型薄壁直圆管结构时, 水力旋流器分流比最大; 当采用虹吸式直圆管结构时, 水力旋流器分流比最
3、小。3结论溢流管采用 30渐扩管加锥结构时水力旋流器处理能力最高; 溢流管加虹吸装置时水力 旋流器分离修正总效率最高、 分流比最小; 采用普通型薄壁直圆管结构时水力旋流器修正分离粒度 d 50C 最小、分离精度 值最高, 而采用厚 壁直圆管作溢流管时旋流器修正分离粒度 d 50C最大; 溢流管采用厚壁直圆管和薄壁直圆管结 构时水力旋流器分流比均最大。参考文献1褚良银, 陈文梅, 李晓钟. 水力旋流器能耗降减的研究进展. 化工机械, 1996, 23 ( 6) : 360 363褚良银, 陈文梅, 李晓钟等. 水力旋流器结构与分离性能 研究 ( 一) 进料管结构. 化工装备技术, 1998, 1
4、9 ( 3)C h u L iang2Y in, L uo Q ian. H yd ro cyc lo ne w ith h igh sh a rp ne ss o f sep a ra t io n. F ilt ra t io n & Sep a ra t io n, 1994,31 ( 7) : 733 736C h u L iang2Y in, C h en W en 2M e i, L uo Q ian. Sep a ra t io n ch a rac te r ist ic s in th e h yd ro cyc lo ne w ith a cen t ra l co nea
5、nd annu la r tee th. T ran sac t io n s o f N o nfe r ro u s So c ie ty o f234图 6 旋流器溢流管结构对分流比的影响C h ina (E ng lish edn) ,1996, 6 ( 4) : 11 154气液固三相分离器的优化设计液2固三相分离器方面。 三相分离器是 U A SB反应器稳定运行的关键2, 3 , 而且在日益发展的 三相流态化技术中也有着广泛的应用前景。 但 到目前为止, 用于大规模生产的三相分离器结构在国外仍属专利4 , 有关设计方法也未见报道。 国内已有的报道对三相分离器大多按固液 和气液两相分
6、离的方法进行设计5, 6 , 所采用的结构在负荷较高时仍会出现污泥流失, 限制了 反应器负荷的提高。研究表明, 一种改进结构的分离器可有效地控制污泥的上浮流失7 。 本文将对这种三相 分离器的结构设计和优化设计进行探讨。也得到缓解, 使污泥能够顺利回流。三相分离器的分离效率不仅与其结构有 关, 还与进水流量、 浓度、 水力停留时间、 产气量等工艺参数和污泥数量、 活性及沉降性有关。 这些参数相互制约、 相互关联, 综合体现 为反应器的有机负荷。 因此三相分离器的分离 效率与反应器的负荷有密切关系, 设计分离器 时必须考虑实际的工艺操作条件。3三相分离器的设计一个性能优良的三相分离器应使沉淀区的
7、 浓缩污泥能够顺利回流至反应区, 污泥在沉淀 区的停留时间要短。 因此分离器设计的关键是 回流口的尺寸。 回流口下方的污泥浓度 Cm s 越 低, 沉淀区浓缩污泥回流的推动力也越大。 下2改进结构三相分离器的构造尽管三相分离器的结构形式有很多种,但分离器单元一般均由一个集气室、 沉降室、 混合液入流口和污泥回流口及反射锥或阻气板组 成 (有时入流口和回流口重合) 8 。 图 1 是改进结构三相分离器的示意图 (详见文献7 )。由于在 U A SB 反应器中料液的纵向流速一般都比 较低 (小于 1 2m s) , 因此引起污泥上浮的主 要原因是产气量。 当有机负荷提高时, 产气量 增加, 气体夹
8、带上升到悬浮层顶部的污泥量也 增多, 过高的污泥浓度将堵塞沉淀器的污泥回流系统, 因而限制了负荷的升高。 改进结构将 传统的三相分离器下部反射锥改为集气罩, 改 善了进入分离器的污泥和气体分布状况, 上升 到三相分离器的气体减少, 降低了沉淀器污泥 回流口下部的污泥浓度, 同时气体的干扰作用部集气罩最小断面面积 A 1 减小,进入三相分离器的气量减小,Cm s 降低,但同时最小断面纵向流速增大, 又使 Cm s 增加。Cm s 与悬浮污泥层浓度、 通过回流口的气量、 液体流速及污泥沉降速度有关。Cm s 可参照文献 9计算悬浮层污泥浓度的公式并通过小试实验归纳为下式:K t s 5 gdCm
9、dCm s =(1)K t s 5 g + V s1 - V L 15 gd= 5 u( )其中2gK sg5 g =V L (C s0 -C se )(3)f m eV L 1 = V L u u = A 1 A(4)(5)而且被集气罩最小断面的污泥浓度较高,上升气体夹带到这一部分的污泥沉降性较差,污泥的沉降为拥挤沉降。 污泥的界面沉降速度 可用下列经验公式表示5 :V s1 = aC - n( )6m s有机质的厌氧消化在具有固定床性质的污泥床和具有流化床性质的悬浮层两部分完成, 三相分离器不参与有机质的消化过程。 在一定 的 有 机 负 荷 下 悬 浮 层 浓 度 可 根 据 V an
10、D e r M ee r 等人提出的上流式反应器厌氧消化过程图 1 三相分离器单元结构示意图化工装备技术第 19 卷 第 4 期 1998 年5的数学描述9 求得。 这样三相分离器的设计首先要找出使 Cm s 值最小时的 u 3 , 即可获得集气 罩的最佳横向尺寸。水和污泥的混合物在进入沉淀室前, 气泡 必须得到分离, 气液分离的设计要选择合理的纵向流速, 即 V s1 V L 1。4模型算法及其应用在一定的反应器负荷下, Cm s 为 u 的单目标函数, 其优化模型为Cm s = f 5 gd()( )()目标函数求u , V L 1 u15缝隙宽度和上部集气罩横向尺寸,必须满足下(16)(
11、17)列关系4X = um inCm s0 u 1:A C A B V b V eA C = bsin A B = (d 2 - d 1 ) (2 sin )V e = F S(7)(8) (9)(10)约束条件其中由于目标函数 Cm s 的表达式复杂, 自变量 u的取值范围不大,故采用比较法寻求 m inCm s ,其可靠性和准确性通过 u 的离散密集程度来保证。 确定最小断面尺寸后即可求得分离器的其 它结构尺寸。 根据上述算法编制了计算机程序(略)。 在程序中设计了两种结构形式的三相分 离器, 流量较小时可采用圆形结构, 流量较大时采用矩形结构, 三相分离器可采用分单元组 合的方式安置。在
12、进行某厂废水处理的中试 U A SB 反应 器设计时, 应用这一方法取得了较满意的结果。 一般取 30 40, 对于圆形结构 S = b (d 2 +bsin ) ; 对于矩形结构 S = 2n lb。 气泡直径小于 012mm 时 V b 可由 S to ck s公式求出:V b = g (L - b ) d 2 (18)(11)bd 1 已由前面确定, 这样给定缝隙宽度 b 即可求出脱除直径为 d b 的气泡所需最小 d 2。 d 2 越大, 气体的分离效果越好, 去除的气泡也越 小。但 d 2 不能太大, 否则沉淀区最小断面的流 速 V m 高于 2m h , 使浓缩污泥回流困难。由于
13、三相混合液在进入三相分离器前大部分气体已 被排除, 沉淀区下方污泥浓度较低, 气量也少, 此时浓缩污泥颗粒的沉降速度可用自由沉降速 度来代替, 并用下列公式来计算不同粒径的污 泥沉降速度5 :处 理 的 废 水 流 量 为 1m 3 h ,进 水 平 均 浓 度10k gCOD m 3 ,小试反应器在一定范围水力停留时间下可获得 80% 的稳定去除率, 模型中有关参数由小试及菌种驯化实验获得。 三相分离 器的最佳结构尺寸计算结果如下:D = 1113mV L = 111m hu = 0162d 1 = 0187md 2 = 0194mb= 0119m(p - L ) g d 2p= 40 d
14、p = 012mmh 2 = 014mh 1 = 0114mV p =(R e 012)(12)18(p - L ) g d 116p114(012 R e 500)(14)L5结束语本文将三相分离器的设计与反应器最佳工 艺条件联系起来, 强调料液进入三相分离器前 预先排除大部分气体的重要性, 保证污泥回流 口下最小的污泥浓度, 增进污泥回流的推动力,由 V p co s V e 及 V p V m , 即可求出使浓缩污泥能够顺利回流的上部集气罩最小断面直 径。 考虑到颗粒形状不规则及仍有一定的干扰作用, 实际沉降速度要比计算值低。 另外, 下部集气罩最小断面的污泥沉降速度应高于料液6制冷系统
15、立式水冷器自动除垢防垢的高效节能新技术制冷系统立式水冷器自动除垢防垢的高效节能新技术3俞秀民龚曙光俞天兰叶施仁姜根发王泽军(湘潭大学, 湘潭市 411105)摘 要 介绍了直接利用立式下流水冷设备冷却水的自身位能、 驱动管内塑料扭带自转实现自动除垢防垢的结构原理, 对低流速下的可行性问题进行了等值能量理论 分析, 论述了除垢防垢用的塑料扭带结构的优化研究结果, 叙述了初次装机工业应 用试验的情况和效果。关键词 制冷 立式水冷器 位能 自动除垢立式水冷器主要用作为制冷系统的立式水冷冷凝器, 其次作为管外气体降温或冷却的水 冷设备。 从降低设备费用和便于及时清洗水垢两方面考虑, 大多数立式水冷器是
16、没有上下盖的敞式结构。 这种设备的运行水量低, 管内流速平均值低于 0110m s, 因而冷却水在管内呈 空心膜状向下流动, 而不能充满整个水冷管的横截面。 这种立式水冷设备的传热系数往往很低。近几年的研究工作中, 作者曾经到过数十家厂3 湖南省教委 1996- 1997 年度资助科研项目成果,国专利。已申请中可使其适应较高的反应器负荷。V L 料液纵向流速, m hV s1 最小断面污泥沉降速度, m h集气罩或沉淀器底板半锥角, ()符号说明m 25 g 单位时间每平方米反应器产气体积, m m 2h3A 反应器横截面积,b缝隙宽度, m( )5 gd单位 时 间 每 平 方 米 悬 浮
17、层 顶 部 产 气 体 积 ,m 3 (m 2h )Cm d 层部污泥浓度, k gSSm 3C se 溢流浓度, k gCOD m 3C s0 进料浓度, k gCOD m 3废水粘度, P arsk gm 3沼气密度,bd 2 上部集气罩横向尺寸,d b 气泡直径, mmL 废水密度, k gm 3p 污泥密度, k gm 3d p 污泥颗粒直径,m参考文献f m e 气体中甲烷含量g 重力加速度, m s2K sg 单位有机物甲烷转化量,l三相分离器长度, mn 三相分离器单元数R e雷诺准数123L e t t inga G et a l. B io tech B io eng,198
18、0, 22: 699 734m 3CH 4 k gCODSo uza M E. W a t Sc i T ech ,1986, 18 ( 12) : 55 69V an D e r M ee r R R et a l. J W a t Po llu t Co n t ro l F ed,1982, 54: 1482 14924郑元景等.1988.吴唯民等.污水厌氧生物处理. 中国建筑工业出版社,m 2S 缝隙总面积,1986, 6 ( 1) : 86 9510 ( 3) : 5 956789环境科学学报,u 下部集气罩最小断面面积与反应器横截面积之比胡纪萃. 中国沼气, 1992,太原工业大学学报, 1994, 25 ( 4) : 56 62化工装备技术, 1997, 18 ( 2) : 7 11郝晓刚等.郝晓刚等.V b 气泡上升速度,m hV e 缝隙料液流速 (应低于 2m h ) ,m hV an D e r M ee r R R et a l. B io tech B io eng, 1983, 25 ( 11) : 2531 2556V L 1 下部集气罩最小断面料液纵向流速, m h