水中氧传质原理与设备幻灯片.ppt
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1、水中氧传质原理与设备第1页,共56页,编辑于2022年,星期六主要内容一、水中氧传质原理1、目前气液传质理论 2、双模理论 3、双模理论的推导4、影响氧传质的因素5、增加液相中溶解氧的方法6、气液传质理论研究进展二、曝气设备1、一般分类2、技术性能指标3、鼓风曝气系统4、机械曝气5、氧化沟中常用的曝气设备第2页,共56页,编辑于2022年,星期六一、水中氧传质原理1、目前气液传质理论双膜理论:假定传质的所有阻力来源于两相界面附近的层流膜中渗透模型:假定来自主体的流体微元运动到界面上停留一段时间,在这段时间内,两相间发生传质,并假定流体元在界面的停留时间为一常数表面更新模型:假定流体微元在界面处
2、的停留时间不是常数,而是一个分布函数目前工程和理论上应用较多的为双膜理论第3页,共56页,编辑于2022年,星期六一、水中氧传质原理2、双膜理论第4页,共56页,编辑于2022年,星期六一、水中氧传质原理理论要点:在气液两相接触的界面两侧存在着处于层流状态的气膜和液膜,其外侧则分别为气相主体和液相主体,两个主体处于紊流状态。气体分子以分子扩散方式从气相主体通过气膜和液膜而进入液相主体。气液两相的主体均处于紊流状态,其中物质浓度基本上是均匀的,不存在浓度差和传质阻力,气体分子从气相传递到液相,阻力仅存在于气液两层层流膜中。在气膜中存在氧的分压梯度,在液膜中存在着氧的浓度梯度,它们是氧转移的推动力
3、。氧难溶于水,因此,氧转移决定性的阻力又集中在液膜上,因此,氧分子通过液膜是氧转移过程的控制步骤,通过液膜的转移速度是氧转移过程的控制速度。第5页,共56页,编辑于2022年,星期六Fick定律:扩散过程的推动力是物质在界面两侧的浓度差,物质的分子会从浓度高的一侧向浓度低的一侧扩散、转移。式中:Vd:物质的扩散速率,单位时间、单位断面上通过的物质数量 DL:扩散系数 :浓度梯度,即单位长度内浓度的变化值一、水中氧传质原理第6页,共56页,编辑于2022年,星期六一、水中氧传质原理以M表示在单位时间t内,通过界面扩散的物质数量;以A表示界面面积,则因此3、双膜理论推导第7页,共56页,编辑于20
4、22年,星期六一、水中氧传质原理设液膜厚度为Xf(该值极低),则在液膜中溶解氧浓度梯度为:代入得:进一步可得:KL为液膜中氧分子传质系数,m/h第8页,共56页,编辑于2022年,星期六一、水中氧传质原理则前式可改写成:由于A值难测,通常项用总传质系数来表示因此:表示液相主体中溶解氧浓度变化速度(或氧转移速度),kgO2=(m3h);第9页,共56页,编辑于2022年,星期六一、水中氧传质原理 氧总转移系数,此值表示在曝气过程中氧的总传递性,当传递过程中阻力大,则 值低,反之则 值高。Cs:与气相主体中氧分压相当的液相主体中的饱和溶解氧浓度CL:液相主体中所要求的溶解氧浓度第10页,共56页,
5、编辑于2022年,星期六一、水中氧传质原理4、影响氧传质的因素4.1污水水质污水中含有各种杂质,它们对氧的转移产生一定的影响。比如污水中含有某些表面活性物质,这类物质的分子属两亲分子(极性端亲水、非极性端疏水),它们将聚集在气液界面上,形成一层分子膜,阻碍氧分子的扩散转移;此外,污水中含有盐类,也会影响氧在水中的饱和度。4.2水温第11页,共56页,编辑于2022年,星期六一、水中氧传质原理水温对溶解氧饱和度Cs值也产生影响,Cs值因温度上升而降低,KLa值因温度上升而增大,但液相中氧的浓度梯度却有所降低。因此,水温对氧转移有两种相反的影响,但并不能两相抵消。总的来说,水温降低有利于氧的转移。
6、在运行正常的曝气池内,当混合液在1530范围内时,混合液溶解氧浓度C能够保持在1.52.0mgL左右。最不利的情况将出现在温度为3035的盛夏。4.3氧分压溶解氧饱和度Cs值受氧分压或气压的影响。气压降低,Cs值也随之下降;反之则提高。第12页,共56页,编辑于2022年,星期六一、水中氧传质原理5、增加液相中溶解氧的方法提高Kla:加强液相主体紊流,加速气液界面更新,增 大气液接触面积、降低液膜厚度提高Cs:提高气相中氧分压第13页,共56页,编辑于2022年,星期六一、水中氧传质原理6、气相传质理论研究进展经典模型均将气液传质过程假定为简单的理想状况,实际情况要复杂得多。由于不清楚近界面流
7、场的结构,只好将影响传质的诸多因素归结为一个未知参数,该参数既不能理论预测,又难以用实验直接测定,只有通过传质实验结果反演而得,这样模型的性质就变成经验的或半经验的关联式,因此无法反映气液传质的本质规律。现在气液两相传质的理论研究还远不成熟,由于涉及界面区的热力学和动力学性质,因此要对其进行深入的研究,仅靠宏观分析是不够的,必须从微观入手,包括近微观的实验测定和微观的理论分析。第14页,共56页,编辑于2022年,星期六一、水中氧传质原理目前提出的一些新理论及其要点如下:膜渗透模型:该模型认为年龄大的流体元符合渗透模型,年龄小的流体元的传质机理与膜模型相符,在过渡段受膜模型和渗透模型两种机理的
8、共同作用,应将流体元划为不同时域按不同机理分别计算。旋涡扩散模型:根据质量传递与动量传递的类似性提出分子扩散和对流传递必须与“旋涡扩散”结合起来。旋涡池模型:假定旋涡的速度可由精确的数学表达式来描述,这样将速度表达式代入对流扩散方程就可解旋涡中的浓度分布。第15页,共56页,编辑于2022年,星期六大涡模型:认为在湍流场中质量传递起控制作用的是大尺度的含能涡。小涡模型:认为在充分发展的湍流场中,对传质起控制作用的是湍流场中最小的粘性耗散涡,尽管这些涡的能量较低,但它们促进大涡表面的充分混合,从而促进了质量的传递。究竟是大涡还是小涡控制湍流场中的质量传递,迄今仍有很大分歧。二维拟稳态单涡模型:假
9、定气液自由界面液相侧由一连串大小不同的涡构成。尽管整个界面的传质为非稳态,但单个旋涡内的传质是稳态的。但由于实际流场的复杂性,要测出界面处不同尺寸旋涡的统计分布是很困难的,所以单涡模型很难用于实际过程传质系数的预测。第16页,共56页,编辑于2022年,星期六多尺度局部均匀模型:该模型认为在气液界面液相侧存在着法向和切向流,两方向的流动均是具有一定统计特征的随机脉动流。气泡周围界面可划为若干局部区域,区域之间旋涡发生聚并与分裂,其湍流统计特性是非均匀的,但在每个区域内可以认为是统计均匀的。在每个区域内,满足湍流结构相似假定以自身相似假定。统计理论与计算机模拟:该统计理论在考虑速度波动对传质产生
10、影响的同时,也考虑浓度波动的影响,采用计算机模拟的方法进行研究,由于流体力学发展的限制,实际过程的许多未知因素需要人为假定,最后模拟结果尚难以令人满意。第17页,共56页,编辑于2022年,星期六一、水中氧传质原理界面非平衡理论:该理论的提出者经过实验测定认为在液相界面附近很小的区域内气液两相是不平衡的,存在一个很陡的浓度梯度,于是就产生了一个极薄的阻力膜层,界面不能视为理想的几何界面。阻力膜层厚度与分子尺寸、界面结构等因数有关,它涉及到分子间力、分子分布函数等知识,有关这方面迄今尚无成熟的理论。第18页,共56页,编辑于2022年,星期六二、曝气设备1、一般分类鼓风曝气装置机械(表面)曝气装
11、置第19页,共56页,编辑于2022年,星期六二、曝气设备2、技术性能指标动力效率(Ep):每消耗1度电转移到混合液中的氧量(kgO2/kwh)氧的利用率(EA):又称氧转移效率,是指通过鼓风曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的百分比(%)充氧能力(RO):通过表面机械曝气装置在单位时间内转移到混合液中的氧量(kgO2/h)第20页,共56页,编辑于2022年,星期六二、曝气设备3、鼓风曝气系统鼓风机(压力系统):中小型水厂一般用罗茨鼓风机,但噪声太大,必须采用隔音或消声措施。大型污水厂可以采用离心鼓风机,噪声小,动力效率高,但投资大,能耗较高。空气输送管道:一般采用焊接钢管,水中的配气管
12、道一般采用塑料管,耐腐蚀,使用寿命长,安装和连接、更换方便。第21页,共56页,编辑于2022年,星期六二、曝气设备(1)ABS工程塑料管第22页,共56页,编辑于2022年,星期六二、曝气设备(2)FRPP管材选用经偶联剂处理的玻璃纤维改性聚丙烯材料生产,一般用途的水、腐蚀性液体的输送,应用于石油、化工、电力、纺织、冶金、制药、造纸、食品、矿山、垃圾处理、建筑等行业第23页,共56页,编辑于2022年,星期六二、曝气设备扩散器(扩散装置):(1)气泡型 微气泡扩散器:多孔性空气扩散装置:陶粒、粗瓷等掺以粘合剂高温下烧结,氧的利用率较高(10以上)。缺点:易堵塞,空气需经过滤处理净化,扩散阻力
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