二、动力学基础 对于任一反应器系统,其物料衡算式均可表示为 A的质量净变化率=A的质量输入率一A的质量输出率一反应消耗A的速率 物料衡算通常以某一组分为基准。若反应器组成均匀,物料衡算可在整个反应器范围内 进行;若组成不均匀,则应对反应器中某微元体积作物料衡算,以推导出反应器基本设计方 程。为简便起见,本节中反应速率均假设为-级 (一)问歇式反应器 间歇式反应器是一种全混的封闭系统,在反应期间,系统无物料出入,其物料衡算可简 化为 反应物A的质量净变化率=反应消耗A的速率 设反应器容积为v,反应物A初始浓度c。转化率为xA,反应速率以k表示,代入物料 衡算式 de dt kc 积分得 cod x (1-1) 式中t为使反应物A的转化率达到xA时所需的反应时间;c为反应物浓度;k为反应速率 常数。 由于xA=(c0-c)/ca 代入式(1-1),有 最后得 c=Coex(-kt (1-2) 该式表示间歇反应器内反应物浓度随时间变化的关系 (二)连续流搅拌反应器 连续流搅拌反应器示意图见图1-3,反应器体积为V,进入反应器的反应物流率为Q,由 此可写出其物料衡算式 v 3=Qco-Qc-V(kc (1-3) 1.在稳态条件下,V出=0,上式简化为 Qco-Qc-v(kc)=0 即 co EkV 上式可改写成 -0K 式中θ=V/Q,表示物料在反应器内的停留时间 图1-3连续流搅拌反应器 在非稳态条件下,式(1-3)可改写成
dt 积分得 C=(1+0k)-1-exp[-(1+0k)(t/0)]} (1-5) 由式(1-5)可看出,达到稳态条件 1.0 首先与t/0有关,当t值相当大时,上式 指数项可忽略不计,此时式(1-5)可简 化为式(1-4),即处于稳态条件;其次与 8K有关,OK越大,越易达到稳态条件 结果见图1-4。 (三)推流反应器 在理想的推流反应器中,各反应物 在流动方向上不存在混合现象,但却由 1/8 于反应而使浓度发生变化。因此反应物 图1-4连续流搅拌反应器达到稳态的时间 的浓度随空间和时间而变化,这是与连 续流搅拌反应器不同的。推流反应器示 意图如图1-5所示。由此可对微元列出物料衡算如下: F△)戏=Qc2-Q+2-(F△Z)kc2 △Z→dz时,上式可写成 k 距离 式中F为反应器截面积。 路去下标Z,并用水平流速V代替Q/F 上式可写成 ZZ+△z =-v5 图1-5推流反应器 在稳态条件下 ac 0,则有 dc kc 积分得 c=Coex(-Ke) (1-6) 式中,日=ZV表示反应物推流到距离Z所需的时间,当θ等于反应器理论停留时间时,c即 为出口浓度。 比较式(1-6)与式(1-2)即可发现,两式在形式上完全相同,只是个是反应物推流到 距离Z时所需的时间,一个为反应时间t因此,可以把推流反应器看作是一个沿水流方向 运动的间歇式反应器,亦即推流反应器中的位置变量Z对应于间歇式反应器中的时间变量t。 (四)串联连续流攪拌反应器 对申联连续流搅拌反应器的研究可从两个容积相同的连续流搅拌反应器开始(见图 6)。在稳态条件下,由前文分析可知,有
CI 22 co1+6c11+6K 于是有 依此类推,对n个等积串联反应器,有 (1-7) +oK 图1-6串联连续流搅拌反应器 对于n个等积串联反应器,共总容积V=n,总停留时间θ′=m0,代入式(1-7),当n→∞ 则有 lm(1+0k)=xP(-′k (1-8) 式(1-8)与推流反应器公式(1-6)相同,这说明,串联的连续流搅拌反应器数目越多, 其效果就越接近于总容积和停留时间与之相同的推流反应器。 另外.式(1-7)可改写为 1或v (1-9) 由上式可看出,在出口浓度c给定的前提下,n值越大,则每个反应器所需的容积及停留 时间就越小。此外,由于每个反应器的反应物平均浓度高于单一反应器(体积为n)浓度,因 而平均反应速率要大些,而所需的反应时间则相应地减少,因此反应器总的容积和总的停留 时间亦小于单个反应器。 三、水力特性 反应器水力特性的测定方法采用的是示踪响应法,即在反应器的进囗处加入一定量的示 踪剂(如放射性同位素、有色颜料、惰性物质等),同时测定反应器出口处示踪剂浓度随时间 的变化。示除剂的加入有两种方法,一种为连续加入,一种为脉冲加入 以推流反应器为例,如连续加入浓度为c的示踪剂,则示踪剂从理论停留时间t(v/Q) 起,以浓度c流出反应器,而在t之前,示踪剂浓度为0。如用脉冲加入浓度为cc的示踪剂 则反应器出冂只在t时刻能测出示踪剂,且浓度仍为c具体见图1-7。图1-7同时还描述了 连续流搅拌反应器和任意流反应器的水力特性。 四、反应器设计中的若于问题 在反应器设计过程中,首先要考虑的是反应器的选型。选型的影响因素有:(1)过程要 求;(2)反应动力学;(3)废水水质;(4)经济性等。由于各因素的重要性随具体过程而异, 所以在选型时,对各因素要分别考虑 在设计反应器时,还需考虑如何达到或接近所假设的理想状态。以设计连续流搅拌反应 器为例,实际情况是总在某种程度上偏离理想状态,这时应考虑如何引入水流以达到理论 即刻和完全混合的要求。 短路是影响反应器性能的另一个常见问题。由于短路,反应器的有效容积减小,或混合 不完全,或停留时间不够,从而影响处理效果。为防止反应器内产生短路,可能需要在反应 器内设置折流板,或者,如短路是由温差引起的异重流所导致,则需要以某种形式输入能量 使温度均衡。为此,常采用杋械搅拌和空气搅拌两种方法
推流反! 连续流搅拌池反应器 任意流反应器 示踪剂连续输入 面积 面积=1 面积=1 示踪剂脉冲输入 图1-7废水处理领域中常见反成器的水力特性
第二章预处理 第一节水质和水量调节 废水的水量和水质并不总是恒定均匀的,往往随着时间的推移而变化。生活污水随生活 作息规律而变化,工业废水的水量水质随生产过程而变 化。水量和水质的变化使得处理设备不能在最佳的工艺 条件下运行,严重时甚至使设备无法工作,为此需要设 置调节池,对水量和水质进行调节。 水量调节 最高水泣 水 废水处理中单纯的水量调节有两种方式:一种为线进水 最低 内调节(见图2-1),进水一般采用重力流,出水用泵提 升。调节池的容积可采用图解法计算,具体参见设计手 册。实际上,由于废水流量的变化往往规律性差,所以 图2-1水量调节池 调节池容积的设计一般凭经验确定 另-种为线外调节(见图2-2)。调节池设在旁路上,当废水流量过高时,多余废水用泵 打入调节池,当流量低于设计流量时,再从调节池 集水 泵房 流至集水井,并送去后续处理。 调节池 线外调节与线内调节相比,其调节池不受进水 图2-2线外调节方式 管高度限制,但被调节水量需要两次提升,消耗动 力大 水质调节 水质调节的任务是对不同时间或不同来源的废水进行混合,使流出水质比较均匀,水质 调节池也称均和池或匀质池, 水质调节的基本方法有两种 ①利用外加动力(如叶轮搅拌、空气搅拌、水泵循环)而进行的强制调节,它设备较简 单,效果较好,但运行费用高。 ②利用差流方式使不同时间和不同浓度的废水进行自身水力混合,基本没有运行费,但 设备结构较复杂 图2-3为-种外加动力的水质调节池,采用压缩空气搅拌。在池底设有曝气管,在空气搅 拌作用下,使不同时间进入池内的废水得以混合。这种调节池构造简单,效果较好,并可防 止悬浮物沉积于池内。最适宜在废水流量不大、处理工艺中需要预曝气以及有现成压缩空气 的惰况下使用。如废水中存在易挥发的有害物质,则不宜使用该类调节池,此时可使用叶轮 搅拌 差流方式的调节池类型很多。如图2-4所示为一种折流调节池。配水槽设在调节池上部 池内设有许多折流板,废水通过配水槽上的孔口溢流至调节池的不同折流板间,从而使某 时刻的出水中包含不同时刻流入的废水,也即其水质达到了某种程度的调节