一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法与流程

本发明涉及污水处理高级氧化反应器领域，尤其涉及一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法。

背景技术：

臭氧作为一种不产生二次污染的强氧化剂，常用于污水处理中降解高稳定性，生化难降解的有机物。大型反应器，包括纯臭氧氧化反应器以及催化臭氧氧化反应器，污水中整体有机物去除效率主要受反应器内部臭氧氧化反应分布的不均匀性制约。而大型工业化反应器内部的化学反应分布较复杂，与反应器内部水流分布以及物料传输相互作用，相互影响。采用传统试验方法很难得到足够的测量数据来对反应器内部化学反应进行深入的分析。因此目前臭氧反应器的设计多是在其他反应器的基础上基于经验进行改造。

中国专利cn1847168公开了一种用于臭氧氧化去除水体有机物的评估方法与反应器，该专利提供的方法和反应器能够根据需要控制反应过程期间溶液中臭氧浓度和ph值，减少了反应过程中的变量，反应器中的压力能够通过压力表和电磁阀的协同作用进行控制，从而可模拟实际处理工艺中水压对反应的影响，通过该专利可以建立简化的臭氧和目标有机物反应的动力学方程，用来指导优化臭氧工艺对目标物在实际水体中的去除效果。然而该专利只采用实验方法来建立简化的臭氧和目标有机物反应的动力学方程，采用了反应器内部化学反应分布均匀的假设，只能粗略地给出评估反应效率的方法。而臭氧反应器的设计需要一个更先进更全面的方法来充分研究反应器内部化学反应以及水流的三维空间分布从而对反应器设计进行优化。

中国专利cn104050330a公开了一种升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法及其应用，该专利所述方法是基于计算流体力学技术的数值模拟方法，研究不同水力上升流速条件下反应器内部流态特征及其对制氢反应器产氢速率的影响；采用欧拉-欧拉气液固三相流体模型获得液相速度场、固相体积分率、发酵气体氢气组分体积分率等详细流场信息，在此基础上，耦合生化反应动力学模型并对反应器产氢速率进行动态模拟和预测，并且根据各流场反馈对制氢反应器的影响，将模拟得到的不同流态数据进行综合分析，从而确定最佳水力上升流速，为升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计提供一种高效的方法。但是该专利只将化学反应简化为单个或几个简单的源/汇项，因此模拟结果不够精确。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法，模拟一个臭氧反应器内部反应在达到稳态后化学反应和各反应物，中间产物以及生成物浓度的三维空间分布，利用计算流体力学模拟方法，结合多相流模型模拟气液混合流，双膜法臭氧传输模型模拟臭氧溶解过程，以及反应动力学模型模拟臭氧自分解以及分解有机物的化学反应过程；通过模拟结果与验证实验结果相对比来验证模型的正确性，形成一个具备普遍适用性的臭氧反应器内反应分布优化的模型。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法，包括如下步骤：

(1)选取研究对象；选取的研究对象为臭氧反应器；

(2)根据研究对象建立模型、网格划分；主要包括：采用三维建模软件按照步骤(1)中选取的臭氧反应器的几何尺寸进行三维几何建模及网格划分；

(3)确定模拟实验的物理模型及边界条件、进行模拟实验；所述物理模型主要包括：

(3.1)臭氧反应器内的流场采用三维稳态模型，采用流体力学控制方程，连续性方程(1)和动量守恒方程(2)来模拟计算：

其中ρ为体积平均的密度，为流速，p为压强，为应力张量，和分别表示重力和外部受力；

整体流态采用eulerian多相流模型，模拟为气液两相流；清水或甲酸溶液为连续相，臭氧氧气混合气为分散相；流场在初始时充满连续相液体，液相中的紊流采用紊流模型模拟；

(3.2)溶质离子的物料传输采用物料传输控制方程来模拟计算：

其中，yi为第i个反应离子的质量分数；uj为沿j坐标方向的水流速度；di表示扩散系数；ri为反应源/汇项，在本模型中将化学反应模拟成物料传输方程中的源/汇项，si表示除化学反应之外的源/汇项；其中反应源/汇项，通过将表1所示的臭氧自分解过程的基元反应组来分别计算，其中紊流的亚网格效应采用涡耗散模型计算得到的反应速率与基元反应反应速率常数计算的反应速率取较低项进行模拟；

表1臭氧自分解基元反应组(yapsaklietal.,2004)

(4)进行验证实验并将验证实验的数据与模拟实验的数据进行比较，确认模型的正确性。

作为优选，所述步骤(1)中选取的臭氧反应器为圆柱形，所述臭氧反应器底部设置曝气装置、侧壁底部设置进水口、侧壁上部设置出水口、顶部设置出气口；所述步骤(2)中几何建模所用到的模拟地形主要包括液面、对称面、进水口、出水口及曝气装置；所述网格划分主要为曝气装置及其正上方区域建立平均尺寸为2mm的六面体网格来提高局部网格精度，以准确模拟气泡上升流，其余区域采用最大尺寸为3mm的四面体网格。

作为优选，所述步骤(3)中物理模型还包括臭氧溶解过程采用lewis-whitman双膜法模拟，将气液交界面分离为靠近气体一侧的气膜和靠近液体一侧的液膜；为简化模拟计算量而忽略气膜与液膜的厚度，气态臭氧传输到气膜速度较快，可以忽略，采用零阻力模型模拟；臭氧从液膜溶解到液体采用物料传输方程来计算，公式如下：

s＝ka(c^*-c)(4)

其中，c^*为离子在液体中的饱和浓度，由亨利定律决定；k为离子在液体中的物料传输系数；a为气液交界面面积。

本发明的有益效果是：

第一：本发明首次将化学反应与计算流体力学模拟进行耦合来研究整个臭氧反应器三维尺度内的化学反应；其中化学反应的模拟采用完整的基元反应组来模拟研究，从而得到更精确的每一种基元反应的反应物和生成物的空间分布，以及对应反应速率的三维分布，该模拟方法适用于模拟臭氧自分解反应，臭氧氧化反应，臭氧催化氧化反应以及污水处理中各种高级氧化反应在大型反应器内反应分布的模拟；相比其他模拟只将化学反应简化为单个或几个简单的源/汇项，模拟结果更精确，模拟结果表现更全面，可以给出各基元反应在反应器内三维的全部信息，因此具备普遍使用性；

第二：本发明采用lewis-whitman双膜法来模拟臭氧从气相到液相的转化过程，耦合臭氧自分解基元反应模拟了溶解态臭氧在反应器内部的分布；而其他计算流体力学模拟模型通常将气体溶解过程简化忽略；

第三：本发明通过开发三维多相流cfd模型来模拟一个臭氧反应器内部反应在达到稳态后化学反应和各反应物，中间产物以及生成物浓度的三维空间分布，利用计算流体力学模拟方法，结合多相流模型模拟气液混合流，双膜法臭氧传输模型模拟臭氧溶解过程，以及反应动力学模型模拟臭氧自分解以及分解有机物的化学反应过程；通过模拟结果与验证实验结果相对比来验证模型的正确性，形成一个具备普遍适用性的臭氧反应器内反应分布优化的模型，该研究方法可以突破传统臭氧反应器设计的瓶颈，从机理上深入而全面地研究大型臭氧反应器内部设计变量对于臭氧反应器整体效率的影响，进而革新性地优化臭氧反应器整体设计，并且本方法应用范围可以扩展为多种多相流化学反应器的反应器优化设计。

附图说明

图1本发明中验证实验设置示意图。

图2是本发明模拟地形图。

图3是本发明验证实验测量臭氧反应器不同高度处溶解臭氧浓度与模拟实验结果的对比图。

图4是模拟实验曝气装置正上方的气态臭氧浓度随着臭氧反应器高度的分布图。

图5是模拟实验臭氧反应器内部对称面上溶解臭氧浓度的分布图。

图中：1是臭氧反应器、1.1是进水口、1.2是出水口、1.3是出气口、1.4是液面、1.5是对称面、2是曝气装置、3是臭氧发生器、4是气瓶、5是第一蠕动泵、6是进水箱、7是第二蠕动泵、8是出水箱、9是臭氧气体浓度计。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法，包括如下步骤：

(1)选取研究对象；选取的研究对象为臭氧反应器1；

(2)根据研究对象建立模型、网格划分；主要包括：采用三维建模软件按照步骤(1)中选取的臭氧反应器的几何尺寸进行三维几何建模及网格划分；

(3)确定模拟实验的物理模型及边界条件、进行模拟实验；所述物理模型主要包括：

(3.1)臭氧反应器内的流场采用三维稳态模型，采用流体力学控制方程：连续性方程(1)和动量守恒方程(2)来模拟计算

其中ρ为体积平均的密度，为流速，p为压强，为应力张量，和分别表示重力和外部受力；

整体流态采用eulerian多相流模型，模拟为气液两相流；清水或甲酸溶液为连续相，臭氧氧气混合气为分散相；流场在初始时充满连续相液体，液相中的紊流采用紊流模型模拟；

(3.2)溶质离子的物料传输采用物料传输控制方程来模拟计算：

其中，yi为第i个反应离子的质量分数；uj为沿j坐标方向的水流速度；di表示扩散系数；ri为反应源/汇项，在本模型中将化学反应模拟成物料传输方程中的源/汇项，si表示除化学反应之外的源/汇项；其中反应源/汇项，通过将表1所示的臭氧自分解过程的基元反应组来分别计算，其中紊流的亚网格效应采用涡耗散模型计算得到的反应速率与基元反应反应速率常数计算的反应速率取较低项进行模拟；

表1臭氧自分解基元反应组(yapsaklietal.,2004)

(3.3)臭氧溶解过程采用lewis-whitman双膜法模拟，将气液交界面分离为靠近气体一侧的气膜和靠近液体一侧的液膜；为简化模拟计算量而忽略气膜与液膜的厚度，气态臭氧传输到气膜速度较快，可以忽略，采用零阻力模型模拟；臭氧从液膜溶解到液体采用物料传输方程来计算，公式如下：

s＝ka(c^*-c)(4)

其中，c*为离子在液体中的饱和浓度，由亨利定律决定；k为离子在液体中的物料传输系数；a为气液交界面面积。

(4)进行验证实验并将验证实验的数据与模拟实验的数据进行比较，确认模型的正确性；

作为优选，所述步骤(1)中选取的臭氧反应器1为圆柱形(参考图2)，所述臭氧反应器底部设置曝气装置2、侧壁底部设置进水口1.1、侧壁上部设置出水口1.2、顶部设置出气口1.3；所述步骤(2)中几何建模所用到的模拟地形主要包括液面1.4、对称面1.5、进水口1.1、出水口1.2及曝气装置2；所述网格划分主要为曝气装置2及其正上方区域建立平均尺寸为2mm的六面体网格来提高局部网格精度，以准确模拟气泡上升流，其余区域采用最大尺寸为3mm的四面体网格；曝气装置2可以是曝气盘或曝气头，在此不做限定。

实施例1：

(1)模拟实验

本实施例中使用ansyscfx19.1软件建立模拟实验的模型；选取一个直径20cm，高50cm的圆柱状有机玻璃臭氧反应器1，臭氧反应器1底部正中设置一个15cm直径的陶瓷微孔曝气盘，设置两个进水口1.1，分别位于臭氧反应器1侧壁底部，对称设置，距离臭氧反应器1底部高度3厘米，为圆孔，直径为半英寸，出水口1.2位于其中一个进水口1.1正上方，距离臭氧反应器1底部37.8厘米，也为直径半英寸的圆孔；

模拟地形主要包括模拟液面1.4、对称面1.5、进水口1.1、出水口1.2及曝气装置2；网格划分主要为陶瓷微孔曝气盘及其正上方区域建立平均尺寸为2mm的六面体网格来提高局部网格精度，以准确模拟气泡上升流，其余区域采用最大尺寸为3mm的四面体网格；

边界条件为：

进水口1.1进水水质组成为纯水或者toc浓度为18mg/l的甲酸溶液，设置总进流流量进口如下：

α＝1(7)

其中ql和qg分别为垂直进口方向总进水流量和总进气流量，和分别为垂直进口方向进水流速和进气流速，a为进口横截面面积；α为液体体积分数，而1-α则相应为气体体积分数。

计算域陶瓷微孔曝气盘表面设置进气平均流速进口设置如下：

α＝0(10)

顶部设置为出气口1.3，压力值设置为标准大气压，出水口1.2设置总进流流量也为2.16g/s，一个对称边界设置为对称面1.5，其余边界都设置为对气体完全光滑墙面而对液体界面零速度墙面，模型设置的具体参数见表2：

表2标准方案的模拟条件

(2)验证实验

验证试验在一个直径20cm，高50cm的圆柱状有机玻璃臭氧反应器1中进行，即为模拟实验中的臭氧反应器1，进水口1.1、出水口1.2、出气口1.3以及陶瓷微孔曝气盘的设置均与模拟实验一致；验证实验设置图(参考图1)所示；采用氧气源通入臭氧发生器3(t4000,5.0gl-1,oxyzoneptyltd,australia)生成臭氧，生成初始气泡大小平均为2mm左右，通过控制臭氧发生器3电流强度以及氧气进气量来控制生成气态臭氧浓度约为3％质量分数，臭氧反应器1进水口1.1连接第一蠕动泵5和进水箱6，出水口1.2连接第二蠕动泵7和出水箱8，出气口1.3连接臭氧气体浓度计9；

验证实验时液面1.4与出水口1.2位置平齐，沿臭氧反应器1高度方向，在高度0.06m，0.13m,0.20m,0.27m以及0.378m位置分别取样，采用靛蓝法测量溶解臭氧浓度；

(3)将模拟实验结果与验证实验结果进行比较，确认模型的正确性

模拟实验的结果为：在曝气量0.38l/min的情况下，采用陶瓷微孔曝气盘进行臭氧进料的10l臭氧反应器1的出口溶解臭氧浓度为7.79±0.46mg/l；沿臭氧反应器1高度方向五个不同高度(0.06m，0.13m,0.20m,0.27m以及0.378m位置)溶解臭氧浓度变化不大，标准差为0.58mg/l；表明臭氧反应器1内部混合较好，溶解臭氧浓度分布较均匀；模拟实验结果与验证实验结果比较得到平均偏差为3.9％(参考图3)；虽然在高0.06m处，受进水水流流速稳定性影响而测得最大偏差为11.2％，但验证实验测量方法本身误差也有近7％，所以可以认为该模型具有较高的精度来预测臭氧反应器1内溶解臭氧的分布。

除了取样点的溶解臭氧浓度之外，模拟实验结果还给出臭氧反应器1内三维的水流分布，臭氧反应器1内部的主要水流特征为气泡上升流，陶瓷微孔曝气盘正上方为上升流区域，气体体积分数较高，平均值为0.35％；而靠近臭氧反应器1侧壁区域，流体特征为由水流循环引起的水力下降流，气体体积分数较低，接近于0。

模拟实验结果还可以给出在连续流反应达到稳态后臭氧反应器1内部不同位置的气泡中气态臭氧质量分数以及液体中溶解态臭氧的分布；在臭氧反应器1内部位置越高的气泡中臭氧质量分数越低，随着高度增加到液面1.4位置，气态臭氧浓度从进气的3％下降到了2.4％(参考图4)，与验证实验测量出气口1.3处气态臭氧浓度相近；同时，臭氧质量分数的下降速率也随着高度的增加而逐渐减小，这是由于臭氧溶解速率随臭氧质量分数下降而降低导致的，相比之下，在臭氧反应器1内部，尤其是臭氧反应器1上半部分的溶解臭氧浓度分布基本一致。

从(图5)所示的对称面1.5上的臭氧浓度分布可以看出，在靠近进水口1.1的位置，溶解臭氧浓度较低，接近0，进入臭氧反应器1内部后，随着离进口的距离增大，臭氧浓度逐渐增加。

上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。