一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法，包括如下步骤：选取研究对象；根据研究对象建立模型、网格划分；确定模拟实验的物理模型及边界条件、进行模拟实验；进行验证实验并将验证实验的数据与模拟实验的数据进行比较，确认模型的正确性；本方法突破传统臭氧反应器设计的瓶颈，从机理上深入而全面地研究大型臭氧反应器内部设计变量对于臭氧反应器整体效率的影响，进而革新性地优化臭氧反应器整体设计。

An optimal design method of reaction distribution in ozone reactor

【技术实现步骤摘要】
一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法
本专利技术涉及污水处理高级氧化反应器领域，尤其涉及一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法。
技术介绍
臭氧作为一种不产生二次污染的强氧化剂，常用于污水处理中降解高稳定性，生化难降解的有机物。大型反应器，包括纯臭氧氧化反应器以及催化臭氧氧化反应器，污水中整体有机物去除效率主要受反应器内部臭氧氧化反应分布的不均匀性制约。而大型工业化反应器内部的化学反应分布较复杂，与反应器内部水流分布以及物料传输相互作用，相互影响。采用传统试验方法很难得到足够的测量数据来对反应器内部化学反应进行深入的分析。因此目前臭氧反应器的设计多是在其他反应器的基础上基于经验进行改造。中国专利CN1847168公开了一种用于臭氧氧化去除水体有机物的评估方法与反应器，该专利提供的方法和反应器能够根据需要控制反应过程期间溶液中臭氧浓度和PH值，减少了反应过程中的变量，反应器中的压力能够通过压力表和电磁阀的协同作用进行控制，从而可模拟实际处理工艺中水压对反应的影响，通过该专利可以建立简化的臭氧和目标有机物反应的动力学方程，用来指导优化臭氧工艺对目标物在实际水体中的去除效果。然而该专利只采用实验方法来建立简化的臭氧和目标有机物反应的动力学方程，采用了反应器内部化学反应分布均匀的假设，只能粗略地给出评估反应效率的方法。而臭氧反应器的设计需要一个更先进更全面的方法来充分研究反应器内部化学反应以及水流的三维空间分布从而对反应器设计进行优化。中国专利CN104050330A公开了一种升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法及其应用，该专利所述方法是基于计算流体力学技术的数值模拟方法，研究不同水力上升流速条件下反应器内部流态特征及其对制氢反应器产氢速率的影响；采用欧拉-欧拉气液固三相流体模型获得液相速度场、固相体积分率、发酵气体氢气组分体积分率等详细流场信息，在此基础上，耦合生化反应动力学模型并对反应器产氢速率进行动态模拟和预测，并且根据各流场反馈对制氢反应器的影响，将模拟得到的不同流态数据进行综合分析，从而确定最佳水力上升流速，为升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计提供一种高效的方法。但是该专利只将化学反应简化为单个或几个简单的源/汇项，因此模拟结果不够精确。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法，模拟一个臭氧反应器内部反应在达到稳态后化学反应和各反应物，中间产物以及生成物浓度的三维空间分布，利用计算流体力学模拟方法，结合多相流模型模拟气液混合流，双膜法臭氧传输模型模拟臭氧溶解过程，以及反应动力学模型模拟臭氧自分解以及分解有机物的化学反应过程；通过模拟结果与验证实验结果相对比来验证模型的正确性，形成一个具备普遍适用性的臭氧反应器内反应分布优化的模型。为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案是：一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法，包括如下步骤：(1)选取研究对象；选取的研究对象为臭氧反应器；(2)根据研究对象建立模型、网格划分；主要包括：采用三维建模软件按照步骤(1)中选取的臭氧反应器的几何尺寸进行三维几何建模及网格划分；(3)确定模拟实验的物理模型及边界条件、进行模拟实验；所述物理模型主要包括：(3.1)臭氧反应器内的流场采用三维稳态模型，采用流体力学控制方程，连续性方程(1)和动量守恒方程(2)来模拟计算：其中ρ为体积平均的密度，为流速，p为压强，为应力张量，和分别表示重力和外部受力；整体流态采用Eulerian多相流模型，模拟为气液两相流；清水或甲酸溶液为连续相，臭氧氧气混合气为分散相；流场在初始时充满连续相液体，液相中的紊流采用紊流模型模拟；(3.2)溶质离子的物料传输采用物料传输控制方程来模拟计算：其中，Yi为第i个反应离子的质量分数；uj为沿j坐标方向的水流速度；Di表示扩散系数；Ri为反应源/汇项，在本模型中将化学反应模拟成物料传输方程中的源/汇项，Si表示除化学反应之外的源/汇项；其中反应源/汇项，通过将表1所示的臭氧自分解过程的基元反应组来分别计算，其中紊流的亚网格效应采用涡耗散模型计算得到的反应速率与基元反应反应速率常数计算的反应速率取较低项进行模拟；表1臭氧自分解基元反应组(Yapsaklietal.,2004)(4)进行验证实验并将验证实验的数据与模拟实验的数据进行比较，确认模型的正确性。作为优选，所述步骤(1)中选取的臭氧反应器为圆柱形，所述臭氧反应器底部设置曝气装置、侧壁底部设置进水口、侧壁上部设置出水口、顶部设置出气口；所述步骤(2)中几何建模所用到的模拟地形主要包括液面、对称面、进水口、出水口及曝气装置；所述网格划分主要为曝气装置及其正上方区域建立平均尺寸为2mm的六面体网格来提高局部网格精度，以准确模拟气泡上升流，其余区域采用最大尺寸为3mm的四面体网格。作为优选，所述步骤(3)中物理模型还包括臭氧溶解过程采用Lewis-Whitman双膜法模拟，将气液交界面分离为靠近气体一侧的气膜和靠近液体一侧的液膜；为简化模拟计算量而忽略气膜与液膜的厚度，气态臭氧传输到气膜速度较快，可以忽略，采用零阻力模型模拟；臭氧从液膜溶解到液体采用物料传输方程来计算，公式如下：S＝ka(C*-C)(4)其中，C*为离子在液体中的饱和浓度，由亨利定律决定；k为离子在液体中的物料传输系数；a为气液交界面面积。本专利技术的有益效果是：第一：本专利技术首次将化学反应与计算流体力学模拟进行耦合来研究整个臭氧反应器三维尺度内的化学反应；其中化学反应的模拟采用完整的基元反应组来模拟研究，从而得到更精确的每一种基元反应的反应物和生成物的空间分布，以及对应反应速率的三维分布，该模拟方法适用于模拟臭氧自分解反应，臭氧氧化反应，臭氧催化氧化反应以及污水处理中各种高级氧化反应在大型反应器内反应分布的模拟；相比其他模拟只将化学反应简化为单个或几个简单的源/汇项，模拟结果更精确，模拟结果表现更全面，可以给出各基元反应在反应器内三维的全部信息，因此具备普遍使用性；第二：本专利技术采用Lewis-Whitman双膜法来模拟臭氧从气相到液相的转化过程，耦合臭氧自分解基元反应模拟了溶解态臭氧在反应器内部的分布；而其他计算流体力学模拟模型通常将气体溶解过程简化忽略；第三：本专利技术通过开发三维多相流CFD模型来模拟一个臭氧反应器内部反应在达到稳态后化学反应和各反应物，中间产物以及生成物浓度的三维空间分布，利用计算流体力学模拟方法，结合多相流模型模拟气液混合流，双膜法臭氧传输模型模拟臭氧溶解过程，以及反应动力学模型模拟臭氧自分解以及分解有机物的化学反应过程；通过模拟结果与验证实验结果相对比来验证模型的正确性，形成一个具备普遍适用性的臭氧反应器内反应分布优化的模型，该研究方法可以突破传统臭氧反应器设计的瓶颈，从机理上深入而全面地研究大型臭氧反应器内部设计变量对于臭氧反应器整体效率的影响，进而革新性地优化臭氧反应器整体设计，并且本方法应用范围可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：/n(1)选取研究对象；选取的研究对象为臭氧反应器；/n(2)根据研究对象建立模型、网格划分；主要包括：采用三维建模软件按照步骤(1)中选取的臭氧反应器的几何尺寸进行三维几何建模及网格划分；/n(3)确定模拟实验的物理模型及边界条件、进行模拟实验；所述物理模型主要包括：/n(3.1)臭氧反应器内的流场采用三维稳态模型，采用流体力学控制方程，连续性方程(1)和动量守恒方程(2)来模拟计算：/n

【技术特征摘要】
1.一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)选取研究对象；选取的研究对象为臭氧反应器；
(2)根据研究对象建立模型、网格划分；主要包括：采用三维建模软件按照步骤(1)中选取的臭氧反应器的几何尺寸进行三维几何建模及网格划分；
(3)确定模拟实验的物理模型及边界条件、进行模拟实验；所述物理模型主要包括：
(3.1)臭氧反应器内的流场采用三维稳态模型，采用流体力学控制方程，连续性方程(1)和动量守恒方程(2)来模拟计算：






其中ρ为体积平均的密度，为流速，p为压强，为应力张量，和分别表示重力和外部受力；
整体流态采用Eulerian多相流模型模拟为气液两相流；清水或甲酸溶液为连续相，臭氧氧气混合气为分散相；流场在初始时充满连续相液体，液相中的紊流采用紊流模型模拟；
(3.2)溶质离子的物料传输采用物料传输控制方程来模拟计算：



其中，Yi为第i个反应离子的质量分数；uj为沿j坐标方向的水流速度；Di表示扩散系数；Ri为反应源/汇项，在本模型中将化学反应模拟成物料传输方程中的源/汇项，Si表示除化学反应之外的源/汇项；其中反应源/汇项，通过将表1所示的臭氧自分解过程的基元反应组来分别计算，其中紊流的亚网格效应采用涡耗散...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雪菲，王远，大卫·韦特，
申请(专利权)人：江苏新宜中澳环境技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32