一种含氧气体与水溶液混合装置的曝气性能评价方法与流程

本发明涉及设备性能评价，具体涉及一种含氧气体与水溶液混合装置的曝气性能评价方法。

背景技术：

1、在城镇建设行业中，尤其是水处理行业，曝气器应用广泛。曝气器是通过使气体(一般为空气)与水接触的方式，将气体中的氧气溶解于水里，可以通过溶解氧的浓度检测来测定曝气器的性能指标。

2、目前对于曝气器氧传质性能的测量方法(比如标准cj/t475-2015中)，是通过曝气并测量记录水体中溶解氧随时间的变化曲线，计算得出曝气器的标准氧总传质系数，标准氧传质速率，标准氧传质效率以及标准曝气效率。

3、对于标准cj/t475-2015中为了满足实验取得的数据，该标准做了以下限定条件，第一：测试水池中的水不进不出，是非稳态测定法。第二，仅考虑在测试容积的三个不同深度点进行溶解氧的检测，而没有规定测试所需要的容积。第三，该标准中适用的曝气器一般为微孔曝气器或鼓风曝气器，这类型曝气方法仅为气体通过微孔或管孔的形式鼓入水中，一般只考虑曝气器出气表面积占比测试装置底面积的比例，并没有考虑其他方式进行气液混合。

4、目前的曝气器氧传质性能的测量方法存在以下不足：

5、1)现有工业上大部分存在使用射流器、气液混合泵、文丘里管、膜曝气等形式的曝气方式，这些方式中几乎都需要使用泵作为动力，通过泵对液体循环，在泵循环过程中通过各种进气形式进行气液混合，得到含有气的水流，从而提高水体含氧量。因此，我们必须考虑泵循环因素，引入新的条件参数，才能得到具有实际意义的曝气性能、氧传质性能评价的方法。

6、由于有泵的引入，需考虑泵的循环量、能耗，以及泵的循环量与测试水容积的关系、泵的循环量与进气量的比例关系等，而现有的方法并未考虑这些因素对氧传质所带来的重大显著变化。

7、2)现有标准测试方法仅考虑气源为空气，未考虑含氧量不同的气源对曝气过程性能的影响。因此为了得到更具有工程指导意义的方法，需要考虑不同含氧量的气源对曝气性能的影响。

8、3)对于不同型号、规格、规模的设备，设备参数性能不统一，我们需要建立一个公平的评价方法，满足不同设备在相对同一的条件下进行对比、评价。

9、现有的标准只有测试、计算方法进行介绍，并没有对测试条件以及不同设备在不同容积水池情况下进行限定，会导致曝气器的测试性能在不同条件下得出来不同的性能参数结果，并且结果不具有实际指导意义。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种含氧气体与水溶液混合装置的曝气性能评价方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案包括：

3、本技术提供了一种含氧气体与水溶液混合装置的曝气性能评价方法，包括以下步骤：

4、s1.确定输入含氧气体中氧气含量；

5、s2.确定待测试装置循环泵流量；

6、s3.确定待评价装置的单次测试实验的循环频次，根据循环泵流量和循环频次得出测试条件的水溶液体积；所述循环频次为待测试装置循环泵流量与测试条件的水溶液体积的比值；

7、s4.开启待测试装置使测试容器中的水溶液循环流动，加入消氧剂使得水溶液溶解氧小于0.5mg/l并稳定后，调节气体流量向水溶液输入含氧气体；

8、s5.记录溶解氧及对应时间数值；

9、s6.重复步骤s1-s5,获得在不同循环频次、不同液气比下的随时间变化的溶解氧数值；所述液气比为循环泵流量与含氧气体流量的比值；

10、s7.根据溶解氧数值计算得出在不同循环频次以及不同液气比下的待测气液混合装置的系列曝气性能参数；并以液气比为横坐标，曝气性能参数为纵坐标绘制各曝气性能参数的图或表；所述曝气性能参数包括kla、sotr、sote、sae中的至少一项。

11、本发明所述的循环频次和液气比均未无量纲参数。

12、本发明的一个实施例中，步骤s1中，所述氧气含量为体积百分含量、摩尔百分含量或质量百分含量中的任一种；

13、步骤s3中，所述水溶液为纯水、清水、自来水中的任一种，其水质指标tds应小于2000mg/l。

14、本发明一个实施例中，步骤s3中，所述循环频次为0.01-100；

15、所述含氧气体与水溶液混合装置为具有气液混合功能的装置，包括射流曝气器、气液混合泵、文丘里管、膜曝气、微纳米气泡设备中的任一种，但不限于此。

16、本发明一个实施例中，步骤s7中，根据以下公式(1)-(10)计算kla、sotr、sote、sae：

17、

18、公式(1)中，c为曝气时间t相对应的水中溶解氧浓度值,mg/l；t为时间，min；c0为0时刻对应的溶解氧浓度值，mg/l；为达到稳态时的溶解氧浓度值，mg/l；kla为氧传质系数，1/min；

19、

20、klas＝kla×θ20-t  (3)

21、

22、

23、

24、公式(2)-(6)中，sotr为标准氧传质速率，kg/h；klas为标准状态、测试条件下的氧总传质系数，1/min；为标准状态下测试点的饱和溶解氧浓度值，mg/l；v为测试容器中水溶液的体积，m3；θ为温度修正经验系数，取1.024；t为试验时的平均水温，℃；为达到稳态时的溶解氧浓度值，mg/l；τ为温度修正系数；ω为压力校正因子；为101.235kpa大气压、测试水温下的饱和溶解氧浓度值，mg/l；为标准状态下的饱和溶解氧浓度值，mg/l；pb为测试时气体的绝对压力，kpa；pb0为101.235kpa；

25、

26、

27、公式(7)-(8)中，sote为标准氧传质效率，％；wo2为含氧气体中氧气的质量流量，kg/h；ρ为测试温度下，含氧气体的密度,kg/m3；qb为含氧气体的实际流量，m3/h；vol％(氧气)为含有气体中氧气的体积百分含量；

28、

29、p＝p1+p2  (10)

30、公式(9)-(10)中，sae为标准曝气效率，kg/(kw·h)；p为待测试装置所需要的总功率，kw；p1为水溶液循环需要的实际功率，kw；p2为含氧气体的制备成本折算功率及进入装置过程所需要的实际功率总和，kw。

31、本发明的计算公式中，由于采用不同氧含量的气体作为气源，不局限于空气为气源，因此对sote的计算公式进行了修改，形成了上述的公式(7)和(8)。

32、本发明的计算公式中，由于采用的水溶液为循环流动的水溶液，需考虑泵的功率，还需考虑其他辅助设备如氧气发生器、加压器等的总功率，因此需采用上述公式(10)对待测试装置所需总功率进行计算，并进而得出sae值。

33、通过前述评价方法，对比不同液气比条件下，各个曝气性能参数的差异，可以得到以下结果：

34、1)在某一液气比和某一个氧气浓度条件下，sotr标准氧传质速率最高(在系统追求溶解氧快速溶解时具有指导意义)；

35、2)在某一液气比和某一个氧气浓度条件下，sote标准氧传质效率最高(在系统追求氧气利用率时具有指导意义)；

36、3)在某一液气比和某一个氧气浓度条件下，sae标准曝气效率最高(在系统对氧气的溶解快慢和利用率没有非常高要求时，要求具有一定经济性时具有指导意义)。

37、本发明还提供了一种对比多台含氧气体与水溶液混合装置曝气性能的评价方法，包括以下步骤：

38、a1.根据前述方法得到多台含氧气体与水溶液混合装置在多个循环频次以及不同液气比下的系列曝气性能参数；

39、a2.选取多台含氧气体与水溶液混合装置在某个循环频次下，不同液气比的系列曝气性能参数，以单个曝气性能参数为纵坐标，液气比为横坐标绘制图或表，获得两套或多套气液混合装置在单个或多个曝气性能参数下的对比特征。

40、本发明的一个实施方案，所述多台含氧气体与水溶液混合装置为不同泵循环量和/或不同气体流量的装置；

41、各所述含氧气体与水溶液混合装置为具有气液混合功能的装置，包括射流曝气器、气液混合泵、文丘里管、膜曝气、微纳米气泡设备中的任一种，但不限于此。

42、本发明一个实施例中，步骤a1中，所述循环频次为0.01-100；所述液气比为0.2-200。

43、本发明还提供了一种基于前述评价方法在设计基于含氧气体与水溶液混合装置的系统中的应用，所述系统的应用领域包括水产养殖、水稻种植、湖泊河流充氧、臭氧高级氧化、生活污水处理、石化污水处理、超临界流体中的至少一种。

44、本发明基于前述方法获得曝气性能参数的图表，针对不同应用场景下，获得在某循环频次以及某液气比条件下含氧气体与水溶液混合装置的曝气性能参数适用范围，从而对装置应用在不同实际生产过程中的设计具有指导意义。

45、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

46、1、本发明提供了一种针对含氧气体与水溶液混合装置曝气性能的评价方法，由于有循环泵的存在，水体是循环流动的，由此首次提出了液气比和循环频次两个参数条件。通过实验过程中设计循环频次以确定实验用水容积，然后通过调整气体流量，改变液气比，对不同液气比的情况下进行实验，从而得到不同循环频次和不同液气比下的曝气性能参数。

47、2、本发明通过设计循环频次确定测试条件，通过设立一个模拟系统，让曝气器的运行条件更符合实际应用情况，用此种方法进行评估，可以得到最适合于系统的运行参数，对于需要应用的系统来说更具有代表性。根据调整液气比，找出更适合系统的应用条件，不是简单的评估设备性能，而是对所有情况进行评估，然后根据目的选取最适宜的运行参数，在实际工程中，对设备的应用进一步分析，具有工程意义。得到的液气比可以直接用在设计内，避免设备的表现效果与预期不符，使得在设计时对设备的性能评估有偏差，造成工程损失以及延误工期。此评估方法对条件进行统一限定，也可以在选择曝气器时提供公平的对比条件。