一种紫外线氧化反应器及其优化方法

本发明涉及一种紫外线氧化反应器及其优化方法，属于水处理。

背景技术：

1、低压汞灯作为常见的紫外线光源，其内的汞蒸气在高能电子碰撞下，能够激发254nm和185nm波长的紫外线。传统低压汞灯使用普通石英玻璃管壁，仅透过和发射254nm紫外线；而双波长低压汞灯采用高透明度石英管壁，可透过254nm和185nm双波长紫外线。

2、然而，双波长低压汞灯反应器由于185nm紫外线在水中传播距离受限，导致氧化集中于靠近紫外灯区域，而远离灯的区域氧化性能不足。因此，这种反应器长期面临紫外线辐照剂量分布不均匀、消毒和氧化效率低的问题。在双波长低压汞灯用于高级氧化水处理时，185nm紫外线裂解水分子生成活性自由基。然而，由于近灯区污染物被降解，而远离灯区由于氧化性能不足，仍然存在高浓度的污染物残留。

3、图1显示了计算流体动力学(cfd)研究所展示的反应器内紫外线在水中的传播、辐射，其中(a)展示了185nm波长紫外线在水中的光场分布，(b)展示了254nm波长紫外线在水中的光场分布，颜色越深，代表紫外辐射越强。由于灯管设计，存在光照死区。而传统的uv反应器在实际操作过程中，流速不会太快，使得整体流动呈层流，部分流体照射不均匀，导致出口仍然存在较高浓度的污染物残留。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提出一种具有特殊形状挡板的紫外线氧化反应器及其优化方法，以解决现有的紫外线反应器内，紫外线在水层内衰减引起的消毒氧化性能空间分布不均、消毒氧化效率低下的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明其中一方面提出以下技术方案：

3、一种紫外线氧化反应器，包括：反应舱，其两端分别为流体入口和流体出口；多个挡板，沿所述反应舱轴向以预设间距安装于所述反应舱内；其中，所述挡板为带有缺口的螺旋线状圆环体，且所述挡板上开设有供紫外灯管穿过的孔；相邻的两个挡板以所述缺口错开预定角度的方式定位安装；紫外灯管，穿过所述多个挡板的所述孔安装于所述反应舱内，紫外灯管的轴向与反应舱的轴向平行；以及多个镜面翅片，安装于所述反应舱内壁上，与所述反应舱内壁成预定夹角，用来使得流体在反应舱内壁表面增加扰动，减少层流，以及反射紫外光。

4、进一步地，所述挡板的缺口大小为20％～90％圆周。

5、进一步地，所述螺旋线状圆环体的螺距为20～60mm。

6、进一步地，所述预设间距为所述反应舱长度的10％～50％。

7、进一步地，还包括固定在反应舱内壁的拉杆以及固定在所述拉杆上的定距管；所述多个挡板通过所述拉杆固定并通过所述定距管定距，以按所述预设间距安装。

8、进一步地，所述翅片为带有弧度的片状，且所述翅片的一侧边为斜切边，通过所述斜切边与所述反应舱内壁连接固定实现所述预定夹角的安装。

9、进一步地，所述预定夹角为5～30度。

10、进一步地，多个所述紫外灯管以20～60mm间距安装。

11、根据本发明另一方面，还提出了前述紫外线氧化反应器的优化方法，包括：通过流体力学模拟，模拟不同工况条件下所述反应舱内的流体特征，并观察所述反应舱内的流线、计算流体力学参数，对所述挡板的螺旋特征、数量和间距进行调整；其中所述工况条件包括入口流速、紫外灯管功率和挡板缺口大小；通过流体力学模拟，计算不同工况条件下模拟的流体出口的平均紫外线剂量以及紫外线均匀度参数，根据所述平均紫外线剂量高低以及所述紫外线均匀度参数的大小，确保合适的工况条件和反应器设计参数。

12、进一步地，所述平均紫外线剂量是dpm离散相模型模拟得到的紫外线剂量。

13、本发明技术方案的有益效果体现在：本发明的紫外线氧化反应器，通过对反应舱内挡板形状进行特殊设计，将挡板设计成带有缺口的圆环状并且是螺旋线形状的，能够在低流速下制造湍流，实现反应器内流态混合均匀的运行方法，提高水体受光均匀度。同时通过在反应舱内壁安装翅片，使得流体在管壁表面增加扰动，减少层流；同时镜面翅片可以反射紫外线，减少壁面吸收，增强反应舱的紫外线辐射。从而解决了紫外线在水层内衰减引起的消毒氧化性能空间分布不均、消毒氧化效率低下的技术问题，提高了紫外线氧化处理效率，使污水处理效果得以提升。

14、另一方面，本发明的优化方法，可在不同设计和工况条件下实现对反应器性能的有效评估。在相同的占地面积下，通过增加特殊形状设计的挡板，从而提高流体在反应器中的停留时间，进而提高了水处理效率。

技术特征：

1.一种紫外线氧化反应器，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的紫外线氧化反应器，其特征在于：所述挡板的缺口大小为20％～90％圆周。

3.如权利要求1所述的紫外线氧化反应器，其特征在于：所述螺旋线状圆环体的螺距为20～60mm。

4.如权利要求1所述的紫外线氧化反应器，其特征在于：所述预设间距为所述反应舱长度的10％～50％。

5.如权利要求1所述的紫外线氧化反应器，其特征在于：还包括固定在反应舱内壁的拉杆以及固定在所述拉杆上的定距管；所述多个挡板通过所述拉杆固定并通过所述定距管定距，以按所述预设间距安装。

6.如权利要求1所述的紫外线氧化反应器，其特征在于：所述翅片为带有弧度的片状，且所述翅片的一侧边为斜切边，通过所述斜切边与所述反应舱内壁连接固定实现所述预定夹角的安装。

7.如权利要求6所述的紫外线氧化反应器，其特征在于：所述预定夹角为5～30度。

8.如权利要求1所述的紫外线氧化反应器，其特征在于：多个所述紫外灯管以20～60mm间距安装。

9.如权利要求1-8任一项所述的紫外线氧化反应器的优化方法，其特征在于，包括：

10.如权利要求9所述的紫外线氧化反应器的优化方法，其特征在于：所述平均紫外线剂量是dpm离散相模型模拟得到的紫外线剂量。

技术总结
本发明公开了一种紫外线氧化反应器及其优化方法，该反应器包括：反应舱，其两端分别为流体入口和流体出口；多个挡板，沿反应舱轴向以预设间距安装于反应舱内；其中，挡板为带有缺口的螺旋线状圆环体，且挡板上开设有供紫外灯管穿过的孔；相邻的两个挡板以缺口错开预定角度的方式定位安装；紫外灯管，穿过所述多个挡板的所述孔安装于反应舱内，紫外灯管的轴向与反应舱的轴向平行；以及多个镜面翅片，安装于反应舱内壁上，与反应舱内壁成预定夹角，用来使得流体在反应舱内壁表面增加扰动，减少层流，以及反射紫外光。所述优化方法包括：通过流体力学模拟，模拟不同工况条件下反应舱内的流体特征，并观察反应舱内的流线、计算流体力学参数，对挡板的螺旋特征、数量、间距进行调整；其中工况条件包括入口流速、紫外灯管功率和挡板缺口大小；通过流体力学模拟，计算不同工况条件下模拟的流体出口的平均紫外线剂量以及紫外线均匀度参数，根据平均紫外线剂量高低以及紫外线均匀度参数的大小，确保合适的工况条件和反应器设计参数。

技术研发人员：王文龙,李龙帝,吴乾元,武云鹏
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27