第2章-传质及曝气..ppt

第4章传质及曝气 1 4 1气 液传质模型4 2相似现象与相似准数4 3曝气设备的充氧能力4 4气泡的传质性能4 5鼓风曝气和机械曝气4 6水膜的传质性能 第4章传质及曝气 2 概述 传质 质量传递 masstransfer 物质以扩散方式从一处转移到另一处的过程 称为质量传递过程 简称传质 在一相中发生的物质传递是单相传质 通过相界面的物质传递为相间传质 实质 由于某种推动力而引起的物质分子的运动 分子扩散 涡流扩散 简单混合产生的物质迁移 3 概述 分子扩散 moleculardiffusion 在静止或滞流流体内部 若某一组分存在浓度差 则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处这种现象称为分子扩散 涡流扩散 eddydiffusion 流体作湍流运动时 若流体内部存在浓度梯度 流体质点便会靠质点的无规则运动 相互碰撞和混合 组分从高浓度向低浓度方向传递 这种现象称为涡流扩散 4 概述 传质过程在工程中占有极其重要的地位 1 广泛运用于混合物的分离操作 2 常与化学反应共存 影响着化学反应过程 甚至成为化学反应的控制因素 3 在环境保护 生命现象及许多工程和工业实践中都涉及物质的传递过程 5 概述 6 吸收 蒸馏 萃取 吸附 干燥 膜分离等 曝气 在水中加入氧气等气体 去除水中所溶解的挥发性气体 空气吹脱 airstripping 7 1 相 2 相界面相与相之间在指定条件下有明显的界面 叫做相界面 3 相转移过程在传质过程中 物质通过相界面从一相转移至另一相的过程 叫相转移过程 传质过程的类型 气体吸收利用气体中各组分在液体溶剂中的溶解度不同 使易溶于溶剂的物质由气相传递到液相 液体蒸馏是依据液体中各组分的挥发性不同 使其中沸点低的组分气化 达到分离的目的 气体增湿是将干燥的空气与液相接触 水分蒸发进入气相 1 流体相间的传质过程 气相一液相包括气体的吸收 液体的蒸馏 气体的增湿等单元操作 液相一液相在均相液体混合物中加入具有选择性的溶剂 系统形成两个液相 气相一固相含有水分或其它溶剂的固体 与比较干燥的热气体相接触 被加热的湿分气化而离开固体进入气相 从而将湿分除去 这就是固体的干燥 2 流一固相间的传质过程 气体吸附的相间传递方向恰与固体干燥相反 它是气相某个或某些组分从气相向固相的传递过程 含某物质的过饱和溶液与同一物质的固相相接触时 其分子以扩散方式通过溶液到达固相表面 并析出使固体长大 这是结晶 液相一固相 固体浸取是应用液体溶剂将固体原料中的可溶组分提取出来的操作 液体吸附是固液两相相接触 使液相中某个或某些组分扩散到固相表面并被吸附的操作 离子交换是溶液中阳离子或阴离子与固相离子交换剂上相同离子的交换过程 吸收过程 Absorption 利用不同气相组份在液相溶剂中的溶解度差异 进行选择性的吸收 分离依据 传质推动力 P C 萃取过程 Extraction 利用液相各组分在溶剂中的溶解度差异 传质推动力 C 分离依据 蒸馏过程 Distillation 利用液相各组分的挥发度差异 传质推动力 P C 分离依据 吸附和干燥过程 Adsorption Dry PG Pi Ci CL 主体 主体 溶质由气相主体向气液相界面的扩散推动力 溶质由气液相界面向液相主体的扩散推动力 传质过程的共性 吸收 平衡状态 衡量单位 b 溶质A在相界面上溶解 溶解过程 虽然各相内主体浓度相等 但界面附近区域的浓度不相等 浓度或组成的单位 传质步骤 a 溶质A由气相主体到相界面 气相内传递 c 溶质A自相界面到液相主体 液相内传递 4 1气 液传质模型4 2相似现象与相似准数4 3曝气设备的充氧能力4 4气泡的传质性能4 5鼓风曝气和机械曝气4 6水膜的传质性能 第4章传质及曝气 17 气体通过气液界面传递的问题就是如何计算通过界面的传质通量 气液界面附近的区域难于进行观察和做试验 因此借助数学模型描述 4 1气 液传质模型 1904年 最早由Nernst提出单膜模型膜内静止 只依靠分子扩散传质 浓度差ci cb即由传质阻力形成 18 常用的三个模型 1926年 Whitman提出双膜理论1935年 Higbie提出浅渗 渗透理论 penetrationtheory 1951年 Danckwerts提出表面更换 更新理论 surfacerenewaltheory 4 1气 液传质模型 19 4 1气 液传质模型双膜理论 主要论点 1 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 在其外侧则分别为气相主体和液相主体 两个主体均处于紊流状态 气体分子以分子扩散方式从气相主体通过气膜与液膜而进入液相主体 20 4 1气 液传质模型双膜理论 主要论点 1 气液双膜 2 由于气 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 也不存在传质阻力 气体分子从气体主体传递到液相主体 阻力仅存在于气 液两层层流膜中 21 4 1气 液传质模型双膜理论 主要论点 1 气液双膜 2 阻力仅存在于气 液两层层流膜中 3 在气膜中存在着氧的分压梯度 在液膜中存在着氧的浓度梯度 它们是氧转移的推动力 22 4 1气 液传质模型双膜理论 主要论点 1 气液双膜 2 阻力仅存在于气 液两层层流膜中 3 分压 浓度梯度是传质推动力 4 气体通过气膜的通量与通过液膜的通量相等 即膜内为稳态 无物质积累和亏损 23 4 1气 液传质模型双膜理论 主要论点 1 气液双膜 2 阻力仅存在于气 液两层层流膜中 3 分压 浓度梯度是传质推动力 4 通量相等 膜内为稳态 5 在气液界面上 气液立即达到溶解平衡 即 Ci HPi 24 4 1气 液传质模型双膜理论 双膜理论模型论点 1 界面两侧存在气膜和液膜 2 膜内为层流 传质阻力只在膜内 3 气体的分压梯度和浓度梯度是传质的推动力 4 通过气膜的通量与通过液膜的通量相等 膜内无物质积累和亏损 5 气液界面上 气液达溶解平衡 即 Ci HPi 25 4 1气 液传质模型双膜理论 气膜一侧的通量 水膜一侧的通量 将亨利定律代入 将ci代入式 2 得 其中KL为总传质系数 1 KL为传质阻力 26 4 1气 液传质模型浅渗理论 实际生产过程中 气相与液相接触时间很短 不可能达到稳态浅渗理论的基本观点 允许气体传递进入它所接触的那部水中的时间极短 故气体扩散进入水的深度也必然是很浅的传递的过程是非稳态的 即随时间变化的 因此传递的通量并非一个恒量 双膜理论认为是恒量 阻力主要在水膜内 27 4 1气 液传质模型浅渗理论 28 4 1气 液传质模型浅渗理论 浅渗模型的平均传质通量 29 tc称为气 液接触时间或渗透时间 4 1气 液传质模型浅渗理论 气水接触时间极短的情况下 扩散进水膜中的距离y也是极小的 当接触0 1s时 y为0 0035cm 如果水膜厚0 1cm 扩散的深度只有它的3 5 这就是为什么叫浅渗 D 1 10 5cm2 s 30 4 1气 液传质模型表面更换理论 表面更换理论 是浅渗理论的发展 浅渗理论认为 在传质过程中气体和水的接触表面是不变的表面更换理论则认为 由于水膜中的水存在一种紊动混合状态 传递物质的表面不可能是固定不变的 应该是由无数的接触时间不同的面积微元组成的 这些面积微元在相应的接触时间内所传递的质量总和 才是真正的传质量每一个面积微元所通过的量仍用浅渗理论公式计算 31 4 1气 液传质模型 水膜阻力与气膜阻力 浅渗理论和表面更换理论在物理概念上对于理解气 液传质现象比双膜理论更为深刻在实际应用中 仍采用双膜理论的公式 不只是便于应用 更重要的是它能把气膜阻力与液膜阻力的相对大小表示出来 这更有利于对气 液传质具体过程的主次因素的了解 32 4 1气 液传质模型 气体的亨利常数H的大小决定了阻力溶解度很小的气体 如氧气 其亨利常数小 气膜阻力可以忽略 传质阻力完全由水膜阻力来定溶解度很大的气体 例如SO2或氨 其亨利常数很大 气膜阻力就可能变成传质的控制因素 33 4 1气 液传质模型4 2相似现象与相似准数4 3曝气设备的充氧能力4 4气泡的传质性能4 5鼓风曝气和机械曝气4 6水膜的传质性能 第4章传质及曝气 34 4 2相似现象与相似准数 几何相似 运动相似 在几何相似的运动体系中 其对应质点在对应时间间隔内所经过的途径是相似的热相似 两系统对应温度差的比值一定化学相似 两系统对应浓度差的比值一定 35 4 2相似现象与相似准数 相似理论是进行模型试验和整理经验公式的依据实际反应过程往往很复杂 要把所有的相似准数都考虑在内 是不现实的虽然不可能达到严格的相似关系 但可按对于整个过程起主导作用的准数对所得数据进行整理和应用 这就是近似相似的概念 36 4 2相似现象与相似准数 扩散过程的相似 包括了两个主要的相似准数一个是控制主体扩散过程的Schmidt数Sc 另一个是控制扩散边界相似的Sherwood数Sh Sc数的物理意义 粘滞动量通量除以扩散动量通量Sh数的物理意义 总传质通量除以扩散传质通量 37 4 1气 液传质模型4 2相似现象与相似准数4 3曝气设备的充氧能力4 4气泡的传质性能4 5鼓风曝气和机械曝气4 6水膜的传质性能 第4章传质及曝气 38 4 3曝气设备的充氧能力 曝气的主要作用 39 40 1 曝气的理论基础 4 3曝气设备的充氧能力 41 2 1 式左右除以液体的体积V得到 4 3曝气设备的充氧能力 42 1 氧总转移系数可通过实验求出 对式 4 积分 C0 当t 0时 液体中的溶解氧浓度 积分结果 氧总转移系数KLa的求定 4 3曝气设备的充氧能力 43 测定KLa值的方法 4 3曝气设备的充氧能力 44 脱氧清水在20 和标准大气压条件下测得的氧转移速率为标准氧转移速率 以R0表示 单位为kgO2 h以城市废水或工业废水为对象 按当地实际情况进行测定 所得到的为实际氧转移速率 以R表示 单位亦为kgO2 h设计曝气系统时 需将实际氧转移速率换算成为标准氧转移速率 为此 引入某些参数修正 标准清水转移速度与实际氧转移速度 4 3曝气设备的充氧能力 45 4 1气 液传质模型4 2相似现象与相似准数4 3曝气设备的充氧能力4 4气泡的传质性能4 5鼓风曝气和机械曝气4 6水膜的传质性能 第4章传质及曝气 46 废水中的污染物会增加分子转移的阻力 使Kla值降低 为此引入系数 对Kla值进行修正 水质 水温 压力 水质 水温 压力 4 4气泡的传质性能 47 Csw 废水的饱和溶解氧浓度 mg L 值一般介于0 9 0 97之间 氧转移的影响因素 水质 水质 废水中含有的盐分将使其饱和溶解氧浓度降低 对此 用系数 加以修正 水温 压力 水温 压力 4 4气泡的传质性能 48 氧转移的影响因素 氧总转移系数 KLa 饱和溶解氧浓度 Cs 水质 水温 压力 水温升高 液体的粘度降低 有利于氧分子的转移 KLa值将提高 水温降低则相反 KLa T 和KLa 20 水温T 和20 时的氧总转移系数T 设计水温 1 024 温度系数 4 4气泡的传质性能 49 氧转移的影响因素 水质 水温 压力 水质 水温 压力 水温升高 饱和溶解氧浓度Cs值下降 Cs 760 标准大气压条件下的Cs值 mg L T 设计水温 4 4气泡的传质性能 50 氧转移的影响因素 水质 水温 压力 水质 压力 水温 4 4气泡的传质性能 51 4 4气泡的传质性能 52 氧转移的影响因素 压力增高 饱和溶解氧浓度Cs提高 4 4气泡的传质性能 机械曝气装置的情况 53 氧转移的影响因素 水的饱和蒸汽压力忽略不计 得到 压力增高 饱和溶解氧浓度Cs提高 4 4气泡的传质性能 机械曝气装置的情况 54 氧转移的影响因素 对鼓风曝气装置 曝气盘安装在水面以下 其Cs值以扩散装置出口和混合液表面两处饱和溶解氧浓度平均值 Csm 计算 H 曝气头水深 4 4气泡的传质性能 55 氧转移的影响因素 水质 水温 压力 氧总转移系数 KLa 饱和溶解氧浓度 Cs 鼓风曝气装置 4 4气泡的传质性能 机械曝气装置 56 标准氧转移速率 R0 的计算 脱氧清水 CL 水中含有的溶解氧浓度 脱氧清水CL 0 温度为T 时的实际氧转移速率 R 污水 氧转移速率的计算 因此 CL 混合液的溶解氧浓度 一般按2mg L考虑 4 4气泡的传质性能 57 氧转移效率与供气量的计算 供气量 4 4气泡的传质性能 58 氧转移效率与供气量的计算 4 4气泡的传质性能 59 氧转移效率与供气量的计算 需氧量 活性污泥系统供氧速率与耗氧速率应保持平衡 因此 曝气池混合液的需氧量应等于供氧量 O2 曝气池中混合液需氧量 kgO2 d a 代谢每kgBOD所需的O2的kg数 b 每kgMLVSS每天进行自身氧化所需氧的kg数 即污泥自身氧化需氧率 d 1 Sr 有机质降解量 kg m3 Sr S0 SeXV MLVSS 4 4气泡的传质性能 60 可以改写为 氧转移效率与供气量的计算 Ns 污泥负荷 kgBOD kgMLVSS d 4 4气泡的传质性能 61 或 例题 某城市废水处理厂 设计流量Q 30000m3 d 一级处理出水BOD5 200mg L 采用活性污泥法处理 要求处理水BOD5 20mg L 经计算 曝气池容积V 10000m3 XV 2000mg L 采用微孔曝气盘作为曝气装置 EA 18 CL 2mg L 计算温度25 曝气盘安装在水下4m处 有关参数 a 0 5 b 0 1 0 8 0 9 1 0 求定鼓风曝气量和采用表面机械曝气器时的充氧量 62 例题 解 1 鼓风曝气量的计算 计算需氧量 63 R R0应该把实际需要的转移速率R转换为标准状态清水的氧转移速率R0 才能够根据曝气设备提供的氧转移效率EA计算出需要的供气量Gs 例题 曝气装置出口处的压力按下式计算 得 气泡溢出曝气池表面时 氧含量的百分比按下式计算 得 计算曝气池内饱和溶解氧浓度的平均值 64 计算R0 例题 查表 排水工程下册第四版附录1 得知 20 和25 时的饱和溶解度浓度分别为 Cs 20 9 17mg L Cs 25 8 4mg L 将所得各值代入式中 得 65 例题 计算供气量 20 时 脱氧清水的需氧量按下式计算 代入各值得 66 例题 2 机械曝气器充氧量的计算 按下式求20 脱氧清水需氧量 带入各值 得 表面曝气 Csm不需要换算为水面和水下的平均值 67 4 1气 液传质模型4 2相似现象与相似准数4 3曝气设备的充氧能力4 4气泡的传质性能4 5鼓风曝气和机械曝气4 6水膜的传质性能 第4章传质及曝气 68 4 5鼓风曝气和机械曝气 鼓风曝气 将空压机送出的压缩空气通过一系列管道系统送到安装在曝气池底的空气扩散装置 以微小气泡形式逸出 转移到混合液中 同时混合液搅拌 混合 机械曝气 利用安装在水面上 下的叶轮高速转动 剧烈搅动水面 产生水跃 液面与空气接触表面不断更新 使空气中的氧转移到混合液中 69 鼓风曝气 空气净化器 鼓风机 空气输配管系统 扩散器 鼓风机供应压缩空气 风量要满足生化反应所需的氧量和能保持混合液悬浮固体呈悬浮状态 风压要满足克服管道系统和扩散器的摩阻损耗以及扩散器上部的静水压 罗茨鼓风机 适用于中小型污水厂 噪声大 必须采取消音 隔音措施 离心式鼓风机 噪声小 效率高 适用于大中型污水厂 70 三叶式罗茨鼓风机 常用鼓风机形式 多级离心风机 多级风机 71 鼓风曝气 空气净化器 鼓风机 扩散器 空气输配管系统 负责将空气输送到空气扩散器 要求沿程阻力损失小 曝气设备各点压力均衡 空气干管和支管流速符合设计要求 配备必要的手动阀和电动调节阀门 72 鼓风曝气 空气净化器 鼓风机 扩散器 扩散器的作用是将空气分散成小气泡 增大空气和混合液之间的接触界面 把空气中的氧溶解于水中 空气输配管系统 微气泡扩散器 m 小气泡扩散器 mm 中气泡扩散器 mm 大气泡扩散器 mm 扩散器的类型 73 1 微气泡扩散器 气泡直径在100 m左右 射流曝气器 自吸式 供气式 鼓风式 两种类型 4 5鼓风曝气和机械曝气 74 通过混合液的高速射流 将鼓风机引入的空气切割粉碎为微细气泡 与混合液充分接触混合 促进氧的传递 氧利用率20 30 扩散板与扩散管 4 5鼓风曝气和机械曝气 75 微孔曝气盘 微孔曝气管 76 膜片式微孔空气扩散器 固定式平板型空气扩散器 4 5鼓风曝气和机械曝气 77 ZDB型振动曝气器 膜片式微孔曝气器 KBB型可变微孔曝气器 78 3 中气泡扩散器 常用穿孔管 孔直径为2 3mm 孔眼气体流速不小于10m s 以防堵塞 其特点是氧利用率较低 8 12 但空气压力损失较小 2 小气泡扩散器 有微孔材料制成的扩散板和扩散管等 其特点是气泡小 直径在1 5mm以下 氧利用率15 20 但阻力大 易阻塞 4 5鼓风曝气和机械曝气 79 4 大气泡扩散器 常用曝气竖管 直径为15mm左右 底口敞开 其特点是气泡大 直径3mm以上 分布不匀 氧利用率4 6 不易堵塞 4 5鼓风曝气和机械曝气 80 5 水力剪切空气扩散器 4 5鼓风曝气和机械曝气 81 微孔曝气设备安装 82 微孔曝气设备的清水检验 83 微孔曝气设备的运行状况 84 穿孔曝气