圖1:試驗裝置。
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曹國偉朱Zarak馬哈茂德＊Hongrui馬琴王Abdul Saboor艾爾沙德
陝西科技大學環境科學與工程學院環境工程係，中國*通訊作者:陝西科技大學環境科學與工程學院環境工程係，中國，電子郵件:zarakkahlon3@gmail.com
關於這一課題已有一些研究，也有一些水力模型被應用於預測生物和非生物填料床(過濾器)反應器的水力行為。流體動力學對反應堆的效率起著重要作用。隨著環境中廢水問題的日益嚴重，迫切需要一種能在短時間內取得良好效果的填料床反應器。因此，本研究的目的是通過不同類型填料床存在的條件、曝氣和不曝氣來檢驗填料床在塞流反應器(PFR)中的影響。該反應器由貯氣量高達30 L的集熱器管組成，其中有5根耐熱玻璃管和3種不同類型的填料床排列相連，利用駐留時間分布RTD在曝氣和不曝氣的作用下影響反應器的表現。采用脈衝法引入示蹤劑流入。從RTD的結果，Peclet數(Pe)和分散係數(D一個)可以計算。Peclet數質量的估計範圍從0.5到24，而色散係數D的值一個低在1.8 × 10附近－3和8.7×105米2/ s。對這些特性的了解指導我們給出合適的流顯示。
結果表明，填料床對流體的影響增加了處理時間，因此該方法可用於初始水平水的處理。實驗結果還表明，在不曝氣條件下，使用聚酯填料床可以很好地延長反應器中流體的處理時間，而聚氨酯填料床由於孔隙率的差異，更容易影響在曝氣條件下的使用。
停留時間;平推流反應器;填充床(聚氨酯，聚酯，聚酯(疏水性));描述
C:示蹤劑濃度;D:管直徑;D一個:軸向分散係數;E:停留時間分布函數;F:累積函數;I:內部年齡函數;李:管長度;Pe:沛克萊數;Pemax: Max-peclet數量;問:流量;問0:初始流量;問C:短路;R2:線性回歸係數;S:管;T年代:平均停留時間;U:速度;VR:反應堆體積;V米:死體積;V一個:訪問卷;VT:管體積;Δ:強度函數;Ω:電導率;τ:運輸時間;σ2:方差;θ:減少時間;ρ:密度;µ:動態粘度
- 研究了基於三種填料床的塞流反應器(PFR)在好氧和厭氧條件下的水力特性。
- 在有曝氣功能的情況下，聚氨酯填料床是處理反應器廢水的最佳方法。
- 聚酯填料床在厭氧條件下能有效地延長反應器內流體的水力停留時間。
對反應器內流體動力學和混合條件的研究對於實現特定係統的規範設置和解決反應器效率低下通常導致的問題是至關重要的。有些參數對測定反應器內的流量是有用的。停留時間分布(RTD)是確定有效平均停留時間的一個重要參數，它與水力停留時間(HRT)有很大區別。在建模時計算反應堆的HRT。RTD廣泛應用於流體力學領域，例如化學反應器、酶反應器、汙水生物反應器、池塘甚至河流。該技術的工作原理是在進水中快速插入示蹤劑，然後從出水中提取樣品，計算濃度和RTD曲線[1]。
示蹤劑是一種微量化學物質;分子或原子用來檢查它在反應堆中的流動。研究中使用了不同類型的示蹤劑，包括鋰、氯化物、染料、放射性元素或微生物。在這些示蹤劑中，鋰是最好的，因為它不被微生物降解和吸收。
工程的分支稱為化學反應工程(CRE)，它將反應堆的輪廓融入到它的擴展中，利用數據，學習從領域的經驗，例如，質量交換，熱力學，財務分析，化學動力學，熱交換和流體力學。一般來說，與CRE相關的建模過程建立了理想的環境，假設塞流反應器(PFR)中存在段塞流，CSTR中存在理想的混合。不管改進的數學處理，大量的假設導致真正的反應堆行為本身與理想條件有很大的差距，在大多數情況下，極限和產物分布有巨大的偏差，這可能是由特定的流道形成、分布和死區[3]造成的。
在生物反應器用於廢水處理的研究中，完美混合模型和Plug-flow模型被認為是理想的模型。然而，在反應堆內部會產生流致理想度偏差。考慮到這些理想偏差，就有可能對[4]反應堆內部發生的情況有更好的了解。
大多數用於廢水處理的生物反應器都沒有理想的水動力性能，但可以考慮在可接受的誤差範圍內，塞流或完全混合反應器[5]。死區、流道和短路是流入的主要問題，也可以用RTD來描述。在一些模型中，隻有理想的描述，如理想塞流反應器等。
本研究的主要目的是融合流體動力學的各種理論，並將其應用於廢水處理中，利用填料床提高反應器內的流動效率，並將填料床與上述反應器的水力性能聯係起來。在此基礎上，研究了生物填料床在廢水處理中的水力性能、降解性能和COD去除情況。實驗中使用了三種填料(聚氨酯、聚酯和疏水性聚酯)，考察了它們在流動方式上的效率。通過曝氣和不曝氣對填料床的性能進行了測試。雷諾數、解離常數和peclet數反映了流體的分布和分散特性。流速在本實驗中也起著重要作用，流速隨條件(好氧/無氧)的變化而變化。在曝氣段，由於空氣壓力的變化，流量會發生變化。流量的增加會引起紊流，在這種情況下很難控製其他參數。因此，了解反應器的水力特性對於選擇填料和反應器類型以獲得更好的效率是至關重要的。
實驗裝置
在本研究中用於RTD計算的包括一個，容量為30升的塑料罐和5個耐熱玻璃管。它由一個幫助水流和混合的泵組成。在水箱出口安裝電導率測試裝置。利用可變變阻器平衡水流。曝氣也是裝置的一部分，因此曝氣泵安裝在反應器的進口處(圖1a)。
示蹤劑測試
自來水被用來在這個區域的化學反應堆中創造可持續性，以保證水流。用脈衝法在過濾器底部注入示蹤劑。采用低電解質氯化鉀(10毫升)作為示蹤劑。示蹤劑的濃度為1 mol/L。用測功儀WTW Inolab檢測電導率。每2分鍾取一次電導率值來測量濃度。用校準曲線通過KCl的電導率求出KCl的濃度。
本實驗在曝氣和不曝氣的作用下進行。有曝氣和無曝氣時，流動有不同的特性。曝氣實驗中空氣量為1 L/ min。
在這個實驗中，水的運動是從下往上的。水分子和示蹤劑以同樣的方式運動。反應堆裏有2-3個帶氣孔的水平板。分子的運動不受這些氣孔的影響(圖1b)。
填充床的屬性
本研究采用聚氨酯泡沫和聚酯絲作為包裝材料，其基本性能如表1所示。
| 材料 | 親水/疏水1 | 包裝密度(公斤/米3.） | 孔徑(PPI)2 | 特定區域 (m2/ g) |
| 聚氨酯泡沫 | 親水 | 27.28 | 30. | 89.5 |
| 滌絲 | 親水 | 21.14 | - | 11.2 |
表1:聚氨酯泡沫接觸角試驗
采用動態接觸角法測定其潤濕性和親水性。PPI為海綿孔徑單位，表示一英寸內海綿的數量。
反應堆的特性
停留時間的分布通常與反應堆的性能有關。在真實的反應器中，反應器體積和剩餘分子時間(t)取決於流體動力學和反應器的結構。因此，在這種情況下，停留時間可以與平均停留時間不同。為了顯示反應器的混合和誤差質量，比較平均停留時間(T年代)，由RTD和停留時間(τ)計算。
如果平均停留時間小於τ，則會出現死體積;如果平均停留時間大於τ，則會出現短路。
停留時間分布函數
通過示蹤劑濃度得到的值，我們使用各種RTD函數根據示蹤劑濃度得到的值。
停留時間的色散能力E(t)由關係[7]給出
\ [E \離開θ(\ \)= \壓裂{{c左\ [t \]}} {{\ smallint _0 ^ \ infty c \ (t \右)dt }}\,\,\,\,\,\,( 1) \]
累積函數源自[7]
\ [F \左(t \右)= \ smallint _0 ^ tE \左(t \右)dt = \壓裂{{\ smallint _0 ^ tc \離開(t \右)dt}} {{\ smallint _0 ^ \ infty c \ (t \右)Qdt離開了 }}\,\,\,\,\,\,\,\,( 2) \]
內部年齡分布I(t)，除以[7]
\[我\左(t \右)= \壓裂{1}{\τ}左\ [{1 - \ smallint _0 ^ tE左(t \右)dt \} \ ]\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 3) \]
強度關係A(t)用[8]描述
\[一個\左(t \右)= \壓裂{{E \左(t \右)}}{{我\左(t \右 )}}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 4) \]
在存在死體積和短路的情況下，反應堆不能很好地工作。但它並沒有在很長一段時間內顯示出這種單調增長的行為。短路和死體積的存在可以通過這個形狀檢查。
確定的參數和方法
為了計算平均停留時間，采用脈衝法注入示蹤劑。不同流速下的濃度(如表3所示)，分別使用不同類型的填料床，有空氣和沒有空氣進行測量。每種濃度都有不同的還原曲線，通過它可以估計RTD。在出口處測得的電導率可以描述混合物中示蹤劑的濃度。電解液的存在引起了電導率的改變
為了將反應器應用於廢水處理領域，對反應器內的流動特性進行了預實驗。本試驗采用填料床作為示蹤劑的吸收劑。在進一步的研究中，這些吸收劑可用於降低廢水的TSS(如上所述)。本實驗示蹤劑用量從下到上依次遞減(圖2)。
圖2:反應堆熱圖。
造型
基本的水動力模型可以通過計算無量綱Peclet數(Pe)來自實驗RTD曲線。
Pe特點是:
\ [{P_e} = \壓裂{{UL}}, {{{D_a}}} \ \ \,, \ \, U = \壓裂{{問{\ rm{}}}}{年代}\]
\[S = \frac{{\pi {D^2}}}{4}\，\，\，\， (5)\]
封閉式反應堆的Peclet公式如下:
\[\壓裂{{{\σ^ 2}}}{{{{\離開({{t_s}} \右)}^ 2}}}= \壓裂{{\離開({\壓裂{2}{{{p_e}}}} \右)- 2左\ [{1 - \ exp \離開({- {p_e}} \右)}\右]}}{{p_e ^ 2 }}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 6) \]
Pe，則擴散將為零(D=0)，對於較長的時間間隔(t)，誰比較最極端的Peclet數exp (-Pe)趨於零[7]。
因此,通過壓縮
我們可以化簡方程8
\[\壓裂{{{\σ^ 2}}}{{t_s ^ 2}} = \壓裂{2}{{{P_ {e \馬克斯 }}}}\,\,\,\,\,\,( 7) \]
\ [{P_ {e \馬克斯}}= \壓裂{{\壓裂{2}{{{\σ^ 2}}}}}{{t_s ^ 2 }}\,\,\,\,\,\,\,( 8) \]
自[1-exp (pe) / Pe(2/Pe)所以
\ [{D_a} = \壓裂{{QL}} {{{P_e }}}\,\,\,\,\,\,\,\,( 9) \]
D一個可以由這個公式確定，
\ [{D_a} = \壓裂{{QL}} {{{P_e }}}\,\,\,\,\,\,\,( 10) \]
雷諾數可由以下公式確定
\ [{R_e} = \壓裂{{Ud \ρ}}{\μ }\,\,\,\,\,\,\,\,\,( 11) \]
采用脈衝示蹤技術，通過標定曲線法計算不同填料床下不同流速下的濃度(圖3)。濃度的變化是由於電解液的影響。在這些條件下的平均停留時間。
圖3:濃度與電導率的關係發生變化。
在不同流速、填料效應和空氣效應下，濃度隨時間的變化(圖4)。
圖4:示蹤劑濃度的時間演化。
曲線的形狀與濃度因子相同。曲線偏差與理想PFR反應器[7]相同。
采用下式(表2)測量RTD參數。
| 參數 | 公式 |
| 方差σ2 | |(̄t年代) 2 -(̄t年代) | |
| 平均停留時間 | ∑tC (t)Δt / c (t)Δt∑ |
| 通過時間τ | VR/ Qo |
| 死體積V米 | VR- v一個；與虛擬機/虛擬現實= 1 - (t年代/τ) |
| 訪問體積V一個 | 問O．̄t年代 |
| 短路問c | 問C/ QO= 1 -(τ- t年代̄) |
表2:用於計算RTD參數的公式。
RTD參數彙總表(表3)。
| 填充床 | Q (L / h) | ∑C×Δt | ∑Ct×Δt | 意思是住宅 時間 |
σ2 | 正常化 濃度 |
σ |
| 沒有空氣，沒有鋪床 | 34.35 | 961.7 | 20325.64 | 21.13 | 87.04 | 45.50 | 9.32 |
| 空氣,沒有填充床 | 43.27 | 870.92 | 12220.93 | 14.03 | 674.02 | 62.06 | 25.96 |
| 沒有空氣、聚氨酯 | 33.03 | 445.4 | 7465.49 | 16.76 | 23.50 | 26.57 | 4.84 |
| 空氣、聚氨酯 | 34.62 | 415.26 | 5702 | 13.73 | 25.76 | 30.24 | 5.07 |
| 沒有空氣,聚酯 | 36 | 1290.43 | 28338.8 | 21.96 | 116.85 | 58.76 | 10.80 |
| 空氣,聚酯 | 27.7 | 369.16 | 3283.22 | 8.89 | 19.81 | 41.50 | 4.45 |
| 無空氣，聚酯(疏水) | 35.12 | 712.41 | 12105 | 16.99 | 55.45 | 41.92 | 7.44 |
| 空氣,聚酯(疏水) | 28.89 | 456.77 | 5922.88 | 12.96 | 53.89 | 35.22 | 7.34 |
表3:RTD參數彙總表。
當我們比較不同填料床和不含填料床的方差值和平均停留時間時，平均值停留時間隨著聚氨酯的使用而減少，隨著聚酯的使用而增加，但當在此過程中加入空氣時，這兩個值在使用任何填料床或不含填料床時都減少。
保持分子在反應器中的時間
分子在該反應器中任意時刻的停留時間也可以用下式計算:
\ [\ smallint _i ^ nE \左(t \右)d \左(t \右)=陰影\區域 \,\,\,\,\,( 12) \]
\[= \壓裂{3}{8}t \離開({{f} + 3{₂}+ 3 {f_3} + {f_4}} \ )\,\,\,\,\,\,\,( 13) \]
花費分子的時間可以用這個公式在任何地方[9]求出。
E(t)的值隨著時間的增加而增加，但在特定的時間內。實驗半衰期結束後，E(t)又開始下降，本實驗得到的E(t)最大值在時間持續時間的中點。因此，在不同的生物填料床存在的情況下，在不同的位置可以發現不同的分子在反應器中的剩餘時間。同樣，用這種方法，我們可以用這一項來計算。
RTD參數的描述
RTD的許多參數都可以通過濃度來測定。例如，分布函數E(t)累積函數F(t)這些參數之間的關係如圖5所示。
圖5:e(t)和f(t)的比較。
如前所述，E(t)的值隨著時間的增加而增加，但在有限的時間內，F(t)在本實驗中表現出相同的行為。我們知道F(t)與E(t)和時間成正比。E(t)的值相同，F(t)也會得到相同的結果。
流模型
在一個理想的反應堆中，流動模式通常會改變;通過求軸向分散係數和Peclet數(Pe)．Pe和D一個(表4)。
| 填充床 | 問(m3./秒) | U | σ2 | Pe | D一個 | Re | 流 |
| 沒有空氣，沒有鋪床 | 9.5×106 | 8.6×104 | 87.0418 | 10.26 | 8.3×105 | 101.3 | 層流 |
| 空氣,沒有填充床 | 1.2×105 | 1.09×105 | 674.02 | 0.584 | 1.8×10－3 | 130.8 | 層流 |
| 沒有空氣、聚氨酯 | 9.1×106 | 8.2×104 | 23.50 | 23.9 | 3.4×105 | 98.4 | 層流 |
| 空氣、聚氨酯 | 9.6×106 | 8.7×104 | 25.76 | 14.63 | 5.9×105 | 104.4 | 層流 |
| 沒有空氣,聚酯 | 1×105 | 9×104 | 116.85 | 8.25 | 1.09×104 | 108 | 層流 |
| 空氣,聚酯 | 7.6×106 | 6.9×104 | 19.812 | 7.97 | 8.7×純 | 82.8 | 層流 |
| 無空氣，聚酯(疏水) | 9.7×106 | 8.9×104 | 55.45 | 10.41 | 8.5×純 | 106.8 | 層流 |
| 空氣,聚酯(疏水) | 8.05×106 | 7.3×104 | 53.89 | 6.23 | 1.17 4×打敗 | 87.6 | 層流 |
表4:的P值e和D一個, Re．
用公式8測量Peclet數。
Pe不改變為更高的值，但在較低的Pe，就會有明顯的變化。從這些結果得出的結論是，軸向色散模型開始崩潰的Pe等於0。當在出口處利用開極限條件時。Pe接近小原因的反混合，或擴散運動變成逐步臨界對比和對流躍遷[10]。在開放體係中，真正的反應C(t)是否與E(t)有關也同樣不清楚。此外，不論所選擇的閉合係統，很難想象C在大量反混合中獨立於螺旋位置，如果不考慮擴展散射，這一假設是可驗證的。
本研究的目的是了解PFR的工作效率。此外，我們還將把實驗結果與我們對微觀和宏觀管流動行為的進一步研究以及生物填料床的研究結果進行比較。采用示蹤脈衝技術對曝氣與不曝氣反應器填料床進行了比較。用E(t)計算反應堆內流體的動力學是必要的。該函數表示示蹤劑在係統中的水力行為。結果表明，Peclet數(Pe)和軸向差係數(D一個)也被發現用於研究流動的性質。通過這些信息，可以知道在哪種性質的流動(層流，過渡或湍流)廢水可以很好地處理。這些參數將影響廢水中成分的去除率。該機製可用於生物填料(生物膜)存在的活性汙泥的處理。在了解其性能後，可以確定聚氨酯填料床是處理反應器中存在曝氣功能的廢水的最佳方法，因為流體在有聚氨酯填料床時在反應器中停留的時間比其他填料床更長。
- verfrenstechnik C(2012)催化固定床反應器。國際化學工程2019:9。
- Escotet-espinoza MS, Moghtadernejad S, Oka S, Wang Y, Romanospino A，等(2019)示蹤材料性質對粉末連續混合操作停留時間分布(RTD)的影響。第二部分的第一部分:實驗評價。粉末技術342:744-763。［Ref。］
- Souza de Jr LR, Lorenz L(2014)管式反應器停留時間分布。節選自2014年在巴西庫裏蒂巴舉行的COMSOL會議的會議記錄。［Ref。］
- Collivignarelli MC, Bertanza G, Abba A, Damiani S(2019)全規模汙水處理廠的故障排除 :從示蹤劑測試中可以學到什麼。國際環境科學與技術16:3455- 3466。［Ref。］
- El-Gendy AS, Biswas N, Bewtra JK(2006)在漂浮水係統中使用水信子去除城市垃圾滲濾液中的金屬。水環境決議78:951-964。［Ref。］
- Yazdanpanah N, Cruz CN, Connor TFO(2019)用於流動化學和連續製造的管狀反應器的多尺度建模。化學工程129:106510。［Ref。］
- Coker KA(2001)化學動力學建模和反應器設計。海灣專業出版社，美國。［Ref。］
- Mills MA, Bonner JS, McDonald TJ, Page CA, Autenrieth RL(2003)石油影響濕地的內在生物修複。Mar pollution Bull 887-899。［Ref。］
- Fogler HS(2006)化學反應器停留時間的分布。在:化學反應工程的要素。普倫蒂斯·霍爾PTR，威斯康星大學麥迪遜分校，美國13:867 -944。［Ref。］
- Benhabiles O, Chekir N, Taane W (2012) CPC反應器中停留時間分布的確定。能源程序18:368-376。［Ref。］
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文章類型:研究文章
引用:朱超，馬赫穆德茲，馬洪，王輝，Arshad AS(2019)填料床對塞流反應器停留時間分布和水力行為的影響。國際J水廢水處理5(1):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.160
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