实验7__气升式环流反应器实验

化工实验报告

实验名称 气升式环流反应器实验 班级 化21 姓名 张腾 学号 2012011864 成绩 实验时间 2014.11.28 同组成员 时雨剑

1、实验目的

本实验包括以下内容：

（1）研究气升式环流反应器中气含率、环流液速对溶氧过程的体积传质系数的影响规律 （2）研究聚并体系和非聚并体系的流体力学和传质特征 （3）观测活性污泥法降解有机污染物的规律 （4）观察菌体形态与结构

通过本实验，达到以下目的：

（1）学习和掌握气升式环流反应器的基本原理，了解主要设备构成、环流液速测定方法和实验系统的操作和控制原理；

（2）学习实验数据的计算机采集和控制系统的构成原理和具体实施方法 （3） 了解环境化工和化工集成技术的基本特点

2、实验原理

气升式环流反应器是在传统的鼓泡塔基础上发展起来的一种新型反应器，按结构可以分为内环流和外环流反应器两种形式。本实验采用内环流气升式中心进气的反应器，内部无搅拌装置，是在传统的鼓泡塔中加入导流筒构成的。当气体通过气体分布器进入中心导流筒后，造成管内流体密度比管外低，在静压差和进入气体的动量作用下，使液体携带气泡在反应器内形成循环流动，从而达到良好的气液混合。反应器的结构和液体流动方式见图1所示。其具有以下特点： （1）流向稳定，混合良好；

（2）结构简单，易于密封，能耗低；

（3）气含率高，气液接触好，传质效率高；

（4）对于气液固三相体系，固体颗粒可以均匀悬浮； （5）温度分布均匀且易于控制；

图1 内环流气升反器

（6）作生化反应器时，对生物体剪切力小；

活性污泥法是目前有机废水生物处理的主要方法。在活性泥粒中充满着各种各样的微生物，包括细菌、霉菌、原生动物和后生动物等，它们相互联结成一条食物链。活性污泥的活性与污泥浓度、体系的溶氧量有直接关系。

3、实验仪器和试剂

3.1 实验装置

本实验所用的气升式环流反应器装置由环流反应器（热模、冷模各一台）、溶氧仪、

电导率仪、计算机数据采集装置、空气泵等组成，其流程如图2所示。

3.2 其他仪器

COD反应器；722S分光光度计；胶管、烧杯、滤纸、漏斗、移液管、秒表等一般实验用品。

3.3 试剂

活性污泥；自来水；葡萄糖（模拟有机废水）；无水乙醇；COD反应用氧化剂、催化剂。

图2 内升式气升环流反应器流程图

4、实验步骤

1）环流反应器流体力学研究

通过冷模实验研究环流反应器的流体力学性质。具体步骤如下：

（1）溶解氧体积传质系数的测定

① 向塔内注入一定量的水，等待塔内溶氧平衡；

② 打开通气装置，通入一定流量的空气，记录不同时刻溶氧量的数值； ③ 关闭气体，等待塔内溶氧恢复到通气前的状态； ④ 改变进塔气体流量，重复记录溶氧变化曲线； ⑤ 关闭气体；

⑥ 计算溶解氧体积传质系数 ；

⑦ 改变实验体系（加入0.1％（质量分数）乙醇），重复以上实验。 （2）环流液速的测定

5、实验记录

（1）溶氧浓度C（mg/L）随时间t（s）的变化数据

表1 水-空气体系溶氧浓度C(mg/L)随时间t(s)变化数据表格

表2 水-空气-乙醇体系溶氧浓度C(mg/L)随时间t(s)变化数据表格

（2）环流液速的测定：

环流反应器高度：L=910mm

每经过一个周期，液体环流一周，即相当于两个反应器的高度，这样就可以计算液体在容器中的平均环流液速，因为内管与外环之间的环流气速存在差异，而仪器仅能测量平均环流液速，所以用该测量值来衡量液体环流的速度，进一步可以估算内外环流的液体流速。

表3 环流的时间测定

流量 L/min

3 6 9

时间t1/s 15 11 8

时间t2/s 15 10 11

平均时间

15 11.5 9.5

平均环流液速m/s

0.061 0.079 0.096

从该组环流液速随空气流量的数据来看，随着空气流量的增加，环流液速也越大，之后经过作图发现空气流速与环流液速之间呈现出良好的线性关系，但仅由这三组数据很难判断这是否是由于数据点选取的巧合所导致的，并且该拟合直线的截距并不在零附近。所以如果需要进一步确定环流液速与空气流量的关系，还需要采集更多的数据来分析，或者可以从理论上证明。（附简图如下）

下面将以上各组数据作图表示如下：

10.0

9.8

C(mg/L)

9.6

9.4

9.2

9.0

t (s)

10.6

10.4

10.2

C (mg/L)

10.0

9.8

9.6

9.4

t (s)

10.4

10.2

10.0

C (mg/L)

9.8

9.6

9.4

t (s)

10.4

10.2

10.0

C (mg/L)

9.8

9.6

9.4

9.2

t (s)

图3 各流量下溶氧浓度随时间变化关系

6、数据处理

将公式

dCL

=KLa(Cs-CL)两边对t积分，得： dt

ln(Cs-CL)=ln(Cs-C0)-KLat

由此可以看出，ln(Cs-CL)与t成线性关系，且斜率即为-KLa。

首先根据以上图像得：在两种不同的体系中，不论气相速度如何变化，水中溶氧量都大致趋向于一个定值，这个值即为饱和溶氧量Cs。

将各种情况下的饱和溶氧量列于下表中：

表4 各种情况下的饱和溶氧量

气体流量(L/min) 2 3.5 5

2（水+乙醇）

C (mg/L) 9.93 10.42 10.31

10.36

计算出ln⁡(Cs−CL)的值，并以此对t拟合，便可以得到各种情况下的KLa值。由于在达到饱和溶氧量附近之后，⁡CL随t的变化仅仅是因为环境因素而产生波动，因此应该忽略这一部分的数据。

利用ORIGIN软件拟合得到图像如下：

ln(Cs-C)

-1

-2

-3

t (s)

图4 水-空气体系在气流速2L/min时的拟合曲线

-1

ln(Cs-C)

-2

-3

t (s)

图5 水-空气体系在气流速3.5L/min时的拟合曲线

-1

ln(Cs-C)

-2

-3

t (s)

图6 水-空气体系在气流速5L/min时的拟合曲线

ln(Cs-C)

-2

-4

t (s)

图7 水-乙醇-空气体系在气流速2L/min时的拟合曲线

根据拟合出的直线的斜率由公式：

ln(Cs-CL)=ln(Cs-C0)-KLat

可以求出各种状态下的 KLa值：

KLa=−slope

将各种情况下的KLa值列表如下：

表5 各种情况下的KLa值

空气流量L/min 2

3.5

5

2（水+乙醇）

KLa 0.0064 0.0094 0.0145 0.0238

7、实验结果讨论与实验总结

实验结果见上表，从表中数据可以看出，随着空气流量的增加，KLa也随之增加，气

速增加，气液传质增强，这是符合我们的经验认识的，通入的空气量大了，气液之间的推动力加大，同时环流气速增大，混合加剧，所以气液传质随之增强。

同时对比添加了乙醇的体系，加入了少量的乙醇KLa大幅度增加，同时实验中观察到了体系中产生大量起泡的现象。由于乙醇的量非常少，所以由于乙醇本身的性质影响传质的可能性不大，推测可能是由于添加了乙醇的体系的某些物性发生了较大的改变，增强传质。结

合实验现象推测可能是由于乙醇改变了体系的表面张力，使体系更容易起泡，通过产生大量的气泡来大大增加气液传质面积，增强传质。

8、思考题

（1）溶氧系数KLa主要受哪些因素影响？

答：KLa表征气液传质效率，主要受气液体系、温度、气液相对流速、以及接触状态的影响。非聚并体系比聚并体系更有利于传质，提高温度、增大气液相对流速，减小气泡直径并改善气泡分布有利于传质系数的提高。

（2）聚并体系与非聚并体系的特征是什么？

答：聚并体系中，小气泡在上升过程中会发生聚并成为为大气泡，非聚并体系中，气泡不易聚并为大气泡，均匀分散在体系中，从而增大了传质表面积，提高传质效率。气泡的聚并现象是与表面张力现象有关，根据附加压力公式：△P=4γ/r，随着高度增加，液体静压力减小，与泡内气体的压力差减小，故对应的气泡半径增大，即气泡上升时聚并为大气泡的现象；水－乙醇体系中表面张力系数小于纯水体系，故在一定高度处，压力差一定时，表面张力系数小的体系形成的气泡越小，不易聚并。

（3）COD降解主要受哪些因素影响？

答：COD的降解与污泥的生物活性有关，即与微生物的种类、数量以及生长和代谢的状态有关。

当微生物处于对数生长期时，生长繁殖旺盛，数量增多，生化反应速率快，对有机物的处理能力也会更大，因此，应选择合适泥龄的污泥用于生物降解。

影响微生物的生长代谢的因素有温度、溶氧量、有机负荷等，其中，温度是活性污泥中微生物生命活动的重要因素,其影响反应在3个方面:(1) 随着温度在一定范围内升高,细胞中的生化反应速率加快,增殖速率也加快;(2)细胞的组成物质如蛋白质、核酸等对温度很敏感,如果温度突然大幅度增高并超过一定限度,可使其组织遭受到不可逆的破坏;(3)温度对于气体转移速率和生物固体沉降性等也有较大影响。微生物的最适温度是指在这一温度下,微生物的生理活动强劲!旺盛,表现在增殖方面则是裂殖速率快,世代时间短。参与活性污泥处理的 微生物,多属嗜温菌,其适宜温度介于10~45℃之间。为安全起见,一般应将活性污泥处理的最高与最低温度值分别控制在35℃和15℃；此外，溶氧量也是影响微生物代谢的重要因素，环流式反应器中溶氧状态良好，可以满足微生物生长需求；此外，COD的去除率在实验开始时增大的速度最快,此后增大速度逐渐变慢,至最后时,去除率基本不变,主要是因为开始时有机物含量较高,污泥中微生物可以利用足够的营养物质进行新陈代谢,活性污泥里的微生物处于对数增长期,有机物能以最大速率被去除,随时间的推移,当曝气池中营养物质消耗殆尽,微生物即进入内源呼吸阶段，此时微生物明显代谢自身细胞物质,会在维持生命过程中逐渐死亡;同样由于活力甚低,污泥形成絮凝体的速率剧增,加之溶解氧水平高,原生动物大量吞食细菌,故可得到澄清的处理水。

（4）分析气升式环流反应器的优缺点，简述发展趋势。

答：与其他反应器相比,气升式环流反应器具有结构简单、剪切力低、供气效率高、有效界面接触面积较大、流化效果极佳、各相都有明确的停留时间以及热质传递速率高等优点。通过研究和实际应用发现,它也存在以下一些缺点:初始化投资较大、需要非常大的空气吞吐量;相间混合接触较差;当循环的有机体和操作条件发生变化时,底物、营养物和氧的量不能保

持一致;当出现泡沫时,气液分离的效果很差;混合与通气是耦合问题,也即很难在不改变通气的条件下改善混合状况,反之亦然。一般可以通过改变装置的结构来使这些缺点达到最小化。 气升式环流反应器是一种新型装置,由于气升式环流反应器的能耗远低于其它类型的反应器,在生物技术领域已获得广泛的应用,主要是发酵、生物细胞培养和废水生物处理等几个方面。最近20多年来,各国科学家们对其进行了大量旨在解决装置设计和放大问题的理论和实验研究,增加了很多两相和三相流传质系数、气含率流体的混合和流体速度等方面的实验数据。预计今后的研究主要集中在以下几个方面:

（1）继续通过冷模和热模实验来研究反应器的流体力学和传质性能,建立一些可靠的理论与经验数学模型,预测关键操作参数,以便进行反应动力学方面的研究。

（2）通过操作条件的优化设计及反应器结构和内构件的改进,以强化气升式环流反应器的性能,这可通过与其他类型反应器(如机械搅拌式反应器、膜反应器、填料塔等)的组合来达到此目的。

（3）结合其他学科(如酶工程、细胞工程、发酵工程、基因工程等)和其他领域(如声、光、微波等),利用新的测量技术,获取更准确的信息,开发新型反应器不断拓展其应用领域。