陳偉　高乃云　范瑾初

　　提要　評(píng)價(jià)水廠中折板絮凝池的實(shí)際運(yùn)行狀況是一件比較困難的事。從反應(yīng)器角度出發(fā),利用反應(yīng)器工作原理,結(jié)合具體的測(cè)定實(shí)例,對(duì)折板絮凝池運(yùn)行狀況的評(píng)價(jià)方法作了一些探討。
　　關(guān)鍵詞　折板絮凝池　反應(yīng)器　運(yùn)行狀況　評(píng)價(jià)

0 前言

　　折板絮凝池是近十年來在隔板絮凝池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種絮凝池形式,其構(gòu)造是在池內(nèi)放置一定數(shù)量的平行折板或波紋板,水流沿折板豎向上下流動(dòng),多次轉(zhuǎn)折,促使絮凝。目前,折板絮凝池在水廠已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,其優(yōu)點(diǎn)是水流在同波折板之間曲折流動(dòng)或在異波折板之間連續(xù)不斷地縮放流動(dòng),形成眾多的小渦漩,從而提高了原水中顆粒碰撞絮凝的效果。在折板的每一轉(zhuǎn)角處,兩折板之間的區(qū)域可以視作一個(gè)完全混合連續(xù)型(CSTR) 反應(yīng)器。眾多的CSTR 單元反應(yīng)器串聯(lián)起來,就接近推流型(PF) 反應(yīng)器。因此,從總的情況看,折板絮凝池接近于推流型反應(yīng)器
　　為了提高后續(xù)的沉淀池對(duì)已絮凝的顆粒沉降分離的效果,在折板絮凝池中的水流流速應(yīng)沿流程逐漸減少。絮凝池一般分為前段、中段和后段三段。前段各格的豎向流速較大(一般0.25m/ s～0.35m/ s)以利于水中顆粒碰撞形成大而密實(shí)的礬花;后段各格的豎向流速較小(一般0.05m/ s～0.15m/ s) ,以避免形成的礬花破碎。這樣,在絮凝池中存在著沿流程的流速梯度,而且水流是豎向上下流動(dòng),多次轉(zhuǎn)折,這些給實(shí)際測(cè)定絮凝池的工作運(yùn)行狀況帶來了很大困難。我們?cè)噲D從反應(yīng)器原理來對(duì)折板絮凝池的工況評(píng)價(jià)進(jìn)行一些探索。

1　非理想均相反應(yīng)器

　　完全混合間歇式反應(yīng)器(CMB) 、完全混合連續(xù)式反應(yīng)器(CSTR) 和推流式反應(yīng)器( PF) 是三種理想反應(yīng)器。在實(shí)際反應(yīng)器中,由于在反應(yīng)器內(nèi)部存在著液體不流動(dòng)或流動(dòng)極緩慢的死角,降低了反應(yīng)器的有效容積。反應(yīng)器中液流未經(jīng)主體流動(dòng)而發(fā)生的短路流以及在推流式活塞流中由于渦流等引起的返混現(xiàn)象,均使得實(shí)際反應(yīng)器情況復(fù)雜化。通過研究反應(yīng)器中的返混程度,可以衡量實(shí)際反應(yīng)器偏離理想反應(yīng)器的程度,從而可以定性了解反應(yīng)器中的流體型態(tài),判斷該反應(yīng)器接近哪一種型式的理想反應(yīng)器。返混程度可以用停留時(shí)間分布來衡量。目前停留時(shí)間分布已成為反應(yīng)器設(shè)計(jì)和放大必須考慮的因素之一。
1.1 停留時(shí)間分布函數(shù)
　　考察停留時(shí)間分布一般可采用兩種統(tǒng)計(jì)方法:一種是年齡分布,即反應(yīng)器中的流體物料從進(jìn)入反應(yīng)器到進(jìn)行考察的某一瞬間,不同停留時(shí)間的物料質(zhì)點(diǎn)在設(shè)備中的物料總體中所占分率的分布;一種是壽命分布,即從反應(yīng)器入口到出口,不同停留時(shí)間的物料質(zhì)點(diǎn)在物料總體中所占分率的分布。通常,所謂停留時(shí)間分布指壽命分布。
　　停留時(shí)間測(cè)定主要采用激發(fā)—響應(yīng)技術(shù)。其中,常用的方法是脈沖響應(yīng)法,如圖1 所示。當(dāng)物料以恒定的體積流率( V S ,0) 通過一定體積的反應(yīng)器時(shí),在反應(yīng)器入口處脈沖注入示蹤物,同時(shí)在反應(yīng)器出口處按一定時(shí)間間隔測(cè)定示蹤物的量。脈沖響應(yīng)法操作方便,其缺點(diǎn)是不易保證示蹤物投加的瞬時(shí)性。
　　設(shè)示蹤物的注入量為m ,在反應(yīng)器出口處測(cè)得停留時(shí)間為t～ ( t + Δt ) , 示蹤物的流出量為Δm ,則這部分示蹤物在注入總量中所占的分率為Δm/m 。

　　稱E(t) 為停留時(shí)間分布函數(shù),則有停留時(shí)間分布函數(shù)曲線E(t)～t如圖2 所示。

　　τ表示平均停留時(shí)間,可得

　　

　　理論停留時(shí)間T 為

　　T=V/Q　　　　　　　　　　　　　(6)

　　式中V 為反應(yīng)器體積; Q 為流體流量。

　　

　　令F(t) = C(t)/C0 表示在出口物料中, 在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間由0 到t 的物料在總物料中所占的分率,稱為累積停留時(shí)間分布函數(shù),如圖3 所示。

　　

1.2　縱向擴(kuò)散模型(PFD)
　　實(shí)際反應(yīng)器介于PF 和CSTR 兩種理想反應(yīng)器之間。PFD 的基本假設(shè)便是在推流型基礎(chǔ)上加上一個(gè)縱向混合,而這種混合又設(shè)想為一種擴(kuò)散引起, 其中包括分子擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散、短流、環(huán)流及流速不均勻等。可采用類似于分子擴(kuò)散方程,以縱向擴(kuò)散系數(shù)( Dl) 來表征它的特征:

　　

　　式中Jl 稱為縱向擴(kuò)散通量。

　　PFD 模型的另一假設(shè)條件是:在垂直液流方向上,濃度是完全均勻的。因此, PFD 模型的質(zhì)量傳遞就是液體主流和縱向擴(kuò)散。圖4 為縱向擴(kuò)散模型的示意圖,它在PF 型的質(zhì)量傳遞上多了一項(xiàng)縱向擴(kuò)散量。

　　

　　設(shè)反應(yīng)器長(zhǎng)L ,斷面積為ω,液體以均勻流速v流動(dòng)。物料i 僅在縱向存在濃度梯度,在垂直液流方向上完全混合均勻。在圖4 中取一微元長(zhǎng)度Δx ,列出物料平衡算式如下單位時(shí)間物料輸入量

　　

　　單位時(shí)間物料輸出量

　　

　　單位時(shí)間化學(xué)反應(yīng)量

　　ωΔxr(Cj)

　　單位時(shí)間微元內(nèi)物料變化量

　　

　　式(12) 中(D_l/vL)稱為返混準(zhǔn)數(shù),其倒數(shù)Pe=(vL/Dl)稱為Peclet 準(zhǔn)數(shù)。若停留時(shí)間分布近似于正態(tài)分布,則有

　　σ2=2/Pe　　　　　　(13)

　　式(13) 中σ2 稱為停留時(shí)間分布的離散度,即有

　　

　　對(duì)于推流式反應(yīng)器(PF) ,返混準(zhǔn)數(shù)(D_l/vL)＝０,即無返混現(xiàn)象。

　　對(duì)于完全混合連續(xù)式反應(yīng)器(CSTR),(D_l/vL)＝→∞。

　　對(duì)于實(shí)際反應(yīng)器,當(dāng)返混準(zhǔn)數(shù)(D_l/vL)≤0.002時(shí), 為小量擴(kuò)散; 當(dāng)(D_l/vL)≥0.2時(shí), 為大量擴(kuò)散, 當(dāng)0.002 ≤(D_l/vL)≤0.025時(shí), 可認(rèn)為反應(yīng)器接近推流式反應(yīng)器。

2　折板絮凝池運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)

　　上海某水廠工藝流程為黃浦江原水經(jīng)管式靜態(tài)混合器混合后,經(jīng)配水渠進(jìn)入折板絮凝池,在絮凝池中經(jīng)絮凝后進(jìn)入平流沉淀池,再經(jīng)普通砂濾池過濾進(jìn)入清水池。該折板絮凝池設(shè)計(jì)處理能力為50 000m3/ d ,設(shè)計(jì)絮凝時(shí)間15min ,絮凝池起端流速0.35m/ s ,末端流速0.10m/ s。絮凝池如圖5 所示, 縱向分為7 格,每格中放置4 排同波折板,水流沿折板豎向上下流動(dòng),多次轉(zhuǎn)折。

　　用脈沖響應(yīng)法測(cè)定折板絮凝池停留時(shí)間分布曲線,以了解池子實(shí)際的水流特征。以食鹽(NaCl) 作為示蹤物。先將16kg 食鹽充分溶解,配制食鹽溶液,在如圖5 所示的(1) 格進(jìn)水端將食鹽溶液瞬間傾倒于絮凝池中,用精度為1/ 100s 的秒表開始計(jì)時(shí)。同時(shí),在絮凝池出水口處(如圖5 所示的A、B 點(diǎn)) 取水樣進(jìn)行混合代表絮凝池出水水樣,測(cè)定混合水樣中Cl - 濃度。在傾倒食鹽溶液之前,先在(1) 格進(jìn)水端0 點(diǎn)處取水樣測(cè)定Cl- 濃度作為原水中的Cl-濃度。測(cè)定時(shí)水溫為t=9.5 ℃,水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)γ= 0.013 29cm2/s , 進(jìn)水流量Q = 2600m3/h ( 即62400m3/d) ,原水Cl-濃度為60mg/L 。測(cè)定結(jié)果見表1。根據(jù)表1繪制C～ t 曲線,如圖6 所示。

　　采用代數(shù)和方法求出C～ t 曲線與原水Cl - 濃度( 60mg/ L ) 所圍的近似面積A , A = ∑C′Δt =60mg·min/ L ,列表求出絮凝池平均水力停留時(shí)間τ,見表2 。
　　由表2 可知, 當(dāng)取樣測(cè)定時(shí)間為15min 時(shí),F( t) = 0.317 2 ;當(dāng)取樣測(cè)定時(shí)間為19.5min 時(shí),F( t) = 0.950 6 ,即經(jīng)過19.5min 從折板絮凝池出口處流出的示蹤物(食鹽) 累計(jì)量達(dá)到總投入量的95 %。這說明該絮凝池池壁以及水中的雜質(zhì)和已形成的絮凝體礬花等對(duì)投入的食鹽示蹤物吸附較少,采用脈沖響應(yīng)法,以食鹽作為示蹤物測(cè)定折板絮凝池水力停留時(shí)間是可行的。表2 中計(jì)算出的該折板絮凝池平均水力停留時(shí)間為τ= 15.4min (進(jìn)水流量Q = 62 400 m3/ d) ,這同設(shè)計(jì)絮凝時(shí)間15min (進(jìn)水流量Q = 50 000m3/ d) 有一定的差距。

　　根據(jù)表2 繪出停留時(shí)間分布函數(shù)曲線E(t)～t和累積停留時(shí)間分布函數(shù)曲線F(t)～t,分別見圖7和圖8。

　　由圖7 的E( t ) ～ t 曲線可見該曲線近似于正態(tài)分布,則根據(jù)公式(13) : 可近似求得該折板絮凝池的返混準(zhǔn)數(shù)。

　　停留時(shí)間分布離散度

　　

　　返混準(zhǔn)數(shù)

　　

　　返混準(zhǔn)數(shù)在0.002～0.025 之間,說明該折板絮凝池接近于PF 推流型反應(yīng)器,池子內(nèi)返混程度較小,水流引起的短流、渦流等影響較弱,這同圖8 累積停留時(shí)間分布函數(shù)F ( t ) ～ t 曲線所表達(dá)的是一致的。從反應(yīng)器原理角度評(píng)價(jià),該絮凝池運(yùn)行狀況良好。再結(jié)合絮凝體礬花在池子中形成的具體情況( 如礬花絮體的大小和密實(shí)度等) ,則可以判斷絮凝池的運(yùn)行效果。

3 　結(jié)語(yǔ)

　　將折板絮凝池整體上近似當(dāng)作PF 推流型反應(yīng)器,用食鹽作為示蹤物,利用反應(yīng)器原理中停留時(shí)間分布和縱向擴(kuò)散模型(PFD) 來分析絮凝池的返混程度,以判斷實(shí)際工作的折板絮凝池偏離理想反應(yīng)器的程度,從而評(píng)價(jià)池子的運(yùn)行狀況。這可以作為一種評(píng)價(jià)絮凝池運(yùn)行狀況的可行方法。采用脈沖響應(yīng)法測(cè)定絮凝池水力停留時(shí)間分布時(shí),一定要注意保證投加示蹤物的瞬時(shí)性,以減少對(duì)絮凝池出水口處示蹤物濃度測(cè)定的影響。由于折板絮凝池本身構(gòu)造的復(fù)雜性和池內(nèi)水流流態(tài)的轉(zhuǎn)折多變,在用該法評(píng)價(jià)池子運(yùn)行狀況時(shí)還需考察池內(nèi)絮凝體礬花形成的情況。

參考文獻(xiàn)

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