内循环气升式反应器的操作特性与流体力学研究

气升式反应器在化工和环境等领域有着广泛的应用,准确预测反应器内气液两相流动与传质行为对于反应器的设计与放大十分重要。论文通过建立稳态条件下内循环气升式反应器内的气液两相流动模型,实现对循环液速vL、气含率εG与气相循环比β等重要流体力学参数的求解。当提升管高度分别为2和6 m时,模型参数c0取0.65,模型计算的反应器内的vL与εG值与实验结果的相对平均误差小于6.2%。在此基础上,进一步考察了提升管高度H对平均循环液速和平均气含率的影响规律。模拟结果表明,随着提升管高度的增加,循环推动力增加,循环液速上升,平均气含率略有下降。下降管和提升管内气含率比α与反应器尺寸和表观气速等操作条件相关,取值范围为0.72~0.80。

气升式浆态床外环流反应器流体力学性能研究

针对气含率和浆液循环流速两个关键流体力学参数,系统研究了气升式浆态床外环流反应器的流体力学特性,掌握了气含率与浆液循环流速的变化规律。验证了体积膨胀法、压差法和电导探针法测量气含率的方法准确性。研究了气体分布器结构对气升式浆态床外环流反应器流体力学特性的影响,结果表明开孔向下双环管分布器的综合性能最优。气含率与浆液循环液速之间存在线性关系,建立了预测浆液循环流速的计算式,计算误差基本小于20%。

气升式环流反应器在生化处理中的中试试验

生化处理是炼油废水处理过程中的关键环节,目前的生化处理工艺以氧化塘、SBR为主,但好氧反应区域存在气液混合不均匀、发泡尺寸较大等问题,进而导致氧气利用率低、能耗高。为提高生化反应效率,缩短曝气时间,本文设计了气升式环流反应器(ALR),通过安装微细气泡曝气盘配合曝气环产生分形气泡以强化气-液-固三相传质和混合,将二级生化处理单元中的好氧反应区和沉淀区集成在同一个反应器内,并开展了中试试验。研究对比了ALR和SBR对气浮出水的处理效果,衡量了两者的技术经济性指标。试验结果表明:在ALR与SBR在油含量、COD和氨氮去除效果相当的情况下,ALR的污泥负荷提升了10倍,COD容积负荷提升了5倍;同时,ALR的吨水处理的鼓气量减少了57%,吨水处理占地面积仅为SBR的50%左右,吨水处理的能耗降低了22.9%,解决了传统生化处理工艺占地面积大、能耗高等问题,为未来生化反应器的升级改造提供了重要参考。

导流筒结构对气升式反应器传质性能的影响研究

气升式环流反应器广泛应用于化工、环境等领域,深入研究反应器内气-液两相流体流动行为对提高其传质性能具有重要意义。通过分别建立气-液两相流模型和气泡粒群衡算模型并实现二者的耦合求解,研究了单个方形导流筒、单个圆形导流筒和6个圆形导流筒结构对气-液两相流体流动特性、气泡尺寸分布和气-液相间传质的影响。研究表明,含6个圆形导流筒结构的气升式环流反应器气含率和液相速度分布趋于均匀,平均气含率更大,气泡尺寸更小,传质速率更大,反应器的综合性能得到显著提升。相关模拟结果为气升式环流反应器结构优化和放大指明了方向。

气升式内循环反应器短程硝化控制策略的研究

在启动气升式内循环短程硝化反应器的基础上,通过正交试验研究了各操作条件对短程硝化的联合效应.结果表明,最优组合为: 温度35℃、pH 8.0、溶解氧质量浓度1.0 mg/L、反应器中氨氮质量浓度56 mg/L、水力停留时间16 h,其中pH、温度、溶解氧质量浓度为显著因子.根据试验和分析结果,提出了短程硝化的“优先联合”控制策略.采用该控制策略对短程硝化反应器的运行进行优化,30 d的运行结果证明,反应器运行稳定,出水中[NO-2 ]/[NOx-]最低值为0.896,最高值为0.976,平均值为0.945,明显高于采用本控制策略前的[NO-2 ]/[NOx- ]平均值.所提出的控制策略能够实现短程硝化反应器的高效稳定运行.

气提式内循环硝化反应器运行性能的研究

气提式内循环反应器具有很好的生物硝化性能 ,能承受高进水氨浓度 (78 49mmol L) ,具有高容积转化效率 (16 3 18mmol L·d) ,运行性能稳定 (氨去除率保持在 94 42 %以上 )。在气提式内循环反应器的运行过程中 ,可产生硝化颗粒污泥。颗粒污泥开始出现的时间约为 45d ,颗粒污泥的粒径平均值 0 83mm ,沉降速度 5 5 5 3m h ,氨氧化活性 0 95mmol (NH+4 N) g(VS)·d。硝化颗粒污泥也具有厌氧氨氧化活性 ,氨氧化速率 0 2 3mmol (NH+4 N) g(VS)·d ,亚硝酸还原速率 0 2 4mmol (NO-2 N) g(VS)·d。

气升式环流反应器在不同体系下的循环液速和局部气含率

在气升式环流反应器中,分别研究了空气-水、空气-0.1%乙醇水溶液和空气-水-活性污泥体系中的循环液速以及气含率随操作条件的变化规律。实验结果表明,循环液速随着表观气速的增加而增大,不同体系中的循环液速差别不大;导流筒内、外不同高度处的局部气含率均呈自下向上增大的趋势,且导流筒内部气含率高于导流筒外部的气含率。体系的聚并特性对平均气含率和局部气含率有较大影响。

蜂窝陶瓷固定化细胞气升式内循环生物反应器的水力学特性

在鼓泡塔式 (BubbleColumns ,BC)和气升式循环 (AirliftLoop ,AL)生物反应器基础上 ,于内循环管中加装蜂窝陶瓷载体 ,开发出蜂窝陶瓷固定化细胞的气升式内循环生物反应器 (InternalAirliftLoopBioreactorwithCellsImmobilizedontoCeramicHoneycombSupport,IALBR CICHS) .采用示踪技术通过测定反应器的水力停留时间分布来考察上述 3种反应器的有效工作体积和反应器内走旁路流体的比例 .实验和理论分析表明 ,IALBR CICHS可大大提高反应器的有效工作体积 ,减少流体走旁路的比例 .

改进型气升式内环流硝化反应器氧传递特性的研究

在废水处理领域，气升式内环流硝化反应器有着较好的应用前景；但其氧传递性能有待进一步改善。通过调整导流简直径以及导流简内静态混合元件的个数，试验了反应器结构对氧传递特性的影响。研究发现，当导流简直径取5．5cm，并在导流简内安装13个静态混合元件时，这种改进型硝化反应器的氧传递能力显著提高。在表观气速为5．05～23．80cm·s^-1。的条件下，测得氧传递系数为0．151～0．778min^-1，充氧能力为7．84～42．80g O2·h^-1，容积供氧能力为2．00-10．93kg O2·m^-3·d^-1，氧转移效率为39．2％～48．1％，氧转移动力效率为3．2～4．0kg O2·（kW·h）^-1,相对于普通气升式内环流硝化反应器，改进型内环流硝化反应器的氧传递系数、充氧能力、氧转移效率和氧转移动力效率都提高72.5％。根据Higbie渗透模型和Kolmogoroff各向同性理论，建立了氧传递系数与相关参数的关联式，预测值与试验结果相吻合，两者的相对误差为9．15％。

气升式内循环蜂窝陶瓷反应器降解2,4-二氯酚的研究

从以 2 ,4 二氯酚 (2 ,4 DCP)长期驯化的好氧活性污泥中分离出一株以 2 ,4 DCP为唯一碳源的菌种 ,将这种菌固定在气升式内循环蜂窝陶瓷反应器内 ,研究了此反应器在半连续流运行时 ,对 2 ,4 DCP单基质及其与苯酚共基质时对污染物的降解情况及降解动力学 .结果表明 ,2 ,4 DCP单基质时 ,反应器对氯酚的去除效果随着实验次数的增加而加快 ;2 ,4 DCP与苯酚共基质时 ,苯酚的降解速率随着半连续流实验次数的增加而加快 ,而氯酚的降解速率则表现出下降的趋势 .此外 ,还研究了此反应器在连续流运行时对 2 ,4 DCP的降解 ,水力停留时间为6h ,进水 2 ,4 DCP浓度为 6 9～ 1 0 2 4mg/L ,系统稳定状态对 2 ,4 DCP平均去除率为 96 5 % .运行中间断性以乙酸钠和蛋白胨作碳源替代 2 ,4 DCP 。

内置蜂窝陶瓷的气升式内循环生物反应器I．水力学特征及其影响因素

在鼓泡塔式(BC)和气升式内循环(IAL)生物反应器的基础上,于内循环导流管中间安装了蜂窝陶瓷载体,构成了带有蜂窝陶瓷载体的气升式内循环(IAL-CHS)生物反应器.用示踪技术测定了流体在BC、IAL和IAL-CHS反应器内的停留时间分布,并用组合模型建立了描述反应器中流体停留时间分布的数学模型.比较研究了这3种形式的生物反应器的水力学特性,探讨了曝气量对停留时间分布的影响.结果表明,相同条件下,相比BC和IAL,IAL-CHS生物反应器提高了反应器内完全混合区的比例,减少了流体走旁路的比例.曝气量越大,完全混合区越大,而流体走旁路的比例越小.

气体分布器对气升式反应器内流场和传质特性的影响

在气升式反应器冷模实验装置中,研究了气体分布器类型及结构参数对流场和传质的影响规律。结果表明:与环形分布器和四喷嘴分布器相比,采用半球形分布器时平均气含率更高、气含率径向分布更均匀、气泡直径更小、比表面积更大、下降段液速更大、液相体积传质系数更高。气升式废水处理反应器中选用半球形气体分布器可获得更好的混合和传质效果。进一步考察了半球形分布器开孔率和开孔角度对气含率、下降段液速和体积传质系数的影响,确定了最优开孔率为0.457%、最优开孔角度为45°。研究结果可为气升式反应器的工业设计和操作优化提供依据。

强制液体外循环气升式内环流反应器的流体力学特性

在有机玻璃制成的主体反应器(0.286m×3.0m)内,采用空气-水的气液两相体系考察了不同表观气速下带有中心下料管和环管式气体分布器的环流反应器内局部气含率和内环气泡上升速度的流体力学特性。结果表明:气含率均随表观气速的增大而增大;从外环流入内环的气泡数量比较少;在相同条件下外环的气含率远远低于内环的气含率;新型气体分布器的采用和液体外循环的引入可以增大床层气含率并使其分布趋于均匀,从而增大了内环中气液两相的接触面积和湍动强度,使传递过程得到强化。在此基础上采用商业软件ANSYSCFX10.0对该反应器进行了数值模拟研究,模拟结果与实验数据基本吻合,说明了基于实验验证的Euler-Euler法可以用于该反应器开发和放大研究。

内置筛板外循环气升式生物反应器中液相循环时间的研究

在上升管与下降管直径之比为６．６，罐体高径比为２．９的内置筛板外循环气升式生物反应器内，以羧甲基纤维钠水溶液为模拟介质，测定了反应器内液相循环时间与操作参数的关系，用均匀设计考察了操作参数对液相循环时间的影响程度，结果表明介质粘度对循环时间影响最大。

外循环气升式生物反应器气含率及其用于井冈霉素发酵的研究

对外循环气升式生物反应器的气含率进行了试验研究 ,得出了气含率与操作条件之间的关联式。在此基础上 ,进行了井冈霉素发酵试验 ,并与 10 L 机械搅拌生物反应器进行了比较 ,实验结果表明 :当外循环气升式生物反应器的空气喷嘴直径为 1.5和 3.0 mm时 ,井冈霉素的发酵效价分别为 19975和 1895 0 u/ml,而 10 L机械搅拌生物反应器的井冈霉素发酵效价为 196 30 u/ ml。因此 ,将气升式生物反应器应用于井冈霉素的发酵是一项值得研究的工作。

强制液体外循环气升式环流反应器中内环气含率分布

在常规环流反应器基础上,将液体强制外循环并采用中心下料管和环管式气体分布器结构,该反应器主体(φ0.284m×3.0m)是有机玻璃制成的。采用空气-水气液两相体系以考察气体速度和外循环液体速度对内环气含率轴径向分布的影响。实验结果表明,内环局部气含率和轴向平均气含率均随表观气速和外循环液速的增大而增大;在不同的轴向位置,内环气含率的径向分布特性有所差异,其原因是由研究所采用的特殊反应器结构所致;内环轴向平均气含率先随轴向高度的升高而增大,在离开导流筒后略有降低。在此基础上采用商业软件ANSYSCFX10.0对该反应器进行数值模拟。模拟结果表明,装置的非轴对称导致内环气含率呈非轴对称分布特性;截面平均气含率在分布器上方出现骤然增大,由于下料管液流的影响在其下方出现一个相对低点,这对实验研究起到了补充作用。因此,对于新型反应器的研发,可采用实验与模拟相结合的策略。

内循环气升式生物反应器培养甘草细胞

自行设计研制了７Ｌ，９Ｌ及２５Ｌ内循环气升式生物反应器，并应用于甘草细胞的放大培养研究。在接种量为８％（Ｗ／Ｖ）通气率为０．２—０．２５ｖｖｍ的条件下，甘草细胞在反应器中生长迅速。其中在９Ｌ反应器中生长最好，最高生物量达１６．２５ｇ／Ｌ，生长速率达０．９ｇ／Ｌ．ｄ，均高于摇瓶培养。培养过程中ｐＨ值、溶氧状况通过电极自动显示记录，说明设计的气升式生物反应器适合于甘草细胞的大规模培养。

气升循环分体式膜生物反应器再生回用厕所污水的研究

研究了分体浸没式膜生物反应器及其应用于厕所污水的再生回用 .试验结果表明 ,在入水浓度COD440～970mg/L、BOD53 0 7～ 61 2mg/L、NH3 N 5 9～ 1 1 1mg/L的情况下 ,出水水质稳定 ,平均COD <47mg/L、BOD5<8 5mg/L、NH3 N <2 0mg/L ,处理水质达到建设部颁布的生活杂用水回用标准 .研究了动力学参数污泥负荷、容积负荷和HRT对出水COD的影响 ,确定本试验较佳的污泥负荷和容积负荷分别为 0 1kg/(kg·d)和 1kg/(m3·d) ,HRT为 7～ 8h .本文对污泥浓度。

气升式内循环接触氧化生物反应器处理啤酒废水的研究

在接触氧化法处理啤酒废水的基础上 ,增加内循环装置 ,并与无内循环接触氧化法进行比较研究。分别用间歇处理废水的方法考察了这两种情况下废水CODCr的降解速率和去除率。并在此基础上进行了 90多天的连续运行 ,取得了较好的效果。结果表明 ,增加内循环装置 ,可以强化气 -液传质 。

基于电阻层析成像技术的气升式内循环鼓泡反应器流体力学研究

采用电阻层析成像(ERT)技术,对高为1 024 mm、直径为165 mm,导流筒高为590 mm、直径为80 mm的气升式内循环反应器进行流体力学参数的测量。考察表观气速对上升区和下降区内等3个截面处气含率的影响以及反应器内流型的变化情况。研究结果表明:在上升区,气含率随表观气速的变化与普通鼓泡塔情况一样,而在下降区,一部分气泡由于气液湍动被带入下降区;随着表观气速的增加,液体的循环速度逐渐增大,更多的气泡被拖曳到下降区,下降区内气含率增加明显。通过对ERT图像时间序列的叠加,可以清晰得出在上升区低气速下气泡离散式上升,随着表观气速的增加,以气泡群的方式流动且气泡聚并明显,并出现气泡群的摆动;在下降区,随着液体循环速度增加,下降区气液层消失,气含率逐渐增大。