武理工水污染控制原理研究生教案第4章 传质及曝气.docx

第四章传质及曝气(-)教学设计1.1 本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面气-液传质模型、数学模型来描述传质过程(Whitman、Higbie>Danckwerts理论)曝气设备的传质分析吹脱塔原理与设计1.2 本章节重点本章节重点：双膜理论、曝气设备充氧能力、气泡传质、机械曝气、鼓风曝气、水膜的传质、氨吹脱本章节难点：双模理论理解、气泡与水膜的传质过程与应用1.3 本章节教学内容本章教学内容如下4.传质及曝气4-1亨利定律4-2气一液传质模型4-3相似现象与相似准数4-4曝气设备的充氧能力4-5气泡的传质性能4-6鼓风曝气4-7机械曝气4-8水膜的传质性能4-9吹脱塔1.4本章节教学方法1 .情景导入以鱼塘增氧机、曝气管入手、吹脱塔的图片入手，引入传质、曝气、吹脱塔概念。2 .双案例关联传质在基础研究方面的应用(案例七)传质在工程设计方面的应用(案例八)1.5本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研窕生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，主要问题有：传质的类型、鱼塘增氧原理、曝气充氧原理、高氨氮废水处理、抽风机尾气处理、吹脱设计相关问题、填料与传质等。结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。（二）教学内容1 .传质及曝气原理传质概念、气液传质模型、相似准数、机械曝气、鼓风曝气与吹脱2 .传质及曝气与应用（1）机械曝气与鼓风曝气的原理与设计（2）氨氮吹脱原理与吹脱塔设计；§4.1 亨利定律水溶液的亨利定律对水溶液亨利定律为：CA=HAPA式中：HA为亨利常数的另一形式，单位为molLPa,_AL亨利常数KA与温度间的关系：IgkA=二'一十KRT§4.2 气一液传质模型用数学模型来描述传质过程，常用有：（1）1926年由Whitman提出的双膜理论，（2）1935年由Higbie提出的浅渗理论，（3）1951年由Danckwerts提出的表面更换理论。1.双膜理论双膜模型三个假定：A.在气一水交界面的两边各有一层不动的膜；B.氧的传递过程是稳定的，即通过气膜通量与通过水膜的通量是相等的；C.在交界面上，气与水立即达到平衡状态。图4-1传质的膜小意图4-2双膜理论KL为总传质系数(4-1)1 HkI+&*H1=L=+KLkgkkgki式中，1/Kl代表总阻力，H/kg及1/匕分别代表气膜及水膜的阻力，即总阻力为两者之和，这是双膜理论的基本点。KL二"(4-2)H水膜的阻力控制了整个传递过程，氧气在水中的传递即属于这种情形。2 .浅渗理论基本点是在气液相重复短暂的接触中不能达到稳态。3 .表面更换理论面积微元在相应的接触时间内所传递的质量总和作为传质量。通量按这个概念来计算。§4.3相似现象与相似准数1 .相似现象(4-3)雷诺数Re=出2弗劳德数Fr=L(4-4)g/相似理论三条定理：(a)相似的现象，其相似准数的数值相等。(b)在相似现象的相似准数KhK2,K3,，Kn间可以得出一函数关系：f(Kl,K2,K3.,K)=O(4-5)(C)两现象的单值量(即构成现象的决定量，如流体运动中的长度、速度、g及U等)一样，由这些单值量组成的准数数值相等时，则两现象相似。一般常把相似准数表达为下列函数形式：Kl=CK：(4-6)式中，c、a、b等均为常数，常指只略受系统的几何形状的影响，c受几何形状的影响则很大，它实际上是一个形状系数。2 .颗粒物或气泡在流体中的沉降或浮升速度颗粒在流体中所受的重力耳=p3(p-p1)g(4-7)62,2VM颗粒下沉时水的阻力F2=Cdp1十寸(4-8)dvn1,v,12d：7d；PP±=N向;(PP-P*CdP-÷-(4-9)6at624一般终速度指加速度为0时的VP可得=4PT'gdp(4-10)3C°P雷诺数为Re=2空"(4-11)UCD值可划分为层流、过渡及紊流三个区。层流区的CD与雷诺数之间呈直线关系变化：CD=(4-12)StOkeS公式：vp=-j-Lgdj(4-13)(适用于Re<0.2)1QC过渡区(0.2<Re<500),Cp=一(4-14)Re相应的沉降速度为4=二。一？*(4-15)P13.9p104a06在紊流区(Re>500)Cd=0.44为常数(4-16)相应的沉降速度为UP=I.74,Sp-Pjgd0P(4-17)3 .Crashof数l3ppg(CAO-2)/?项称为传质的CraShof数，反映由于浓度差产生自然对流的相似准数.常用Cr代表。(CA-M)代表一个浓度差Aca,实际也反映了水的密度差，传质的CraShOf数可写成Gr=CPg理(4-18)4 .扩散过程的相似包括两个相似准数，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Sh0vl/D称为传质的Peelet数，用Pe表示即Pe=更(4-19)D用Pe除以雷诺数vl/u得无量纲uD,称为Schmidt数，用Sc表示为Pe=ReSc(4-20)式的右边项代表水膜内dz厚度的浓度差de与整个膜的浓度差C*-Cb之比。从式左边项可得Sherwood数Sh为S力="(4-23)由上式可知大的Sh数反应界面处的浓度差小，即边界的阻力小。5 .相似准数的物理意义把一个相似准数理解为不同的力或效应间的比值，就会对这个相似准数获得明确的物理概念。如把CraShOf数解释为浮力与粘滞力之比，浮力用密度差()X体积(长度)3重力加速度(g)表示得Cr_）长度3g_AQ.长度3g0_A.长度3g夕'=M长度2速度梯度=长度'（1时间）夕二夕长度（1/时间长度）长度3pgA°长度“gAp_户PgA-=夕长度（1时间长度）=（质量/长度时间）=r式中，（质量/长度时间）为粘度M的量纲。§4.4 曝气设备的充氧能力Mo=No=Klap-pl）（4-24）但是，同一曝气设备的KLa值和饱和的溶解氧浓度炉随水质和温度变化，故一般规定在0.1MPa大气压下，用溶解氧浓度为0的自来水，并在20C温度下进行试验，所求得的KLa值称为标准传氧速率，此种试验的条件为标准状态。故同一曝气设备用于实际废水时造成的差异用经验系数表示如下：（K/=（K,a）2°1.02T。（4-25）Kta）w=a（Kla（4-25）（P）=P（P*）（4-27）Ecken-felder修正。在标准状态时M。标=（詈=（KLa）标炉（4-28）在实际状态实=（华）实=（K*）标（-Pb）（4-29）%=陛=M。标Cgi）（4-30）dtJ实p§4.5 气泡的传质性能1.气泡界面的氧气浓度淹没气泡界面的氧气饱和浓度计算：(4-31),73.6+pWophl3=pV1520+42；(4-32)p-Q.4752.65876033.5+12.气泡在水中的上升速度Re在3004000范围内，用Mendelson公式计算:vb=2。gdb+dbP 2 _1/2(4-33)3 ,气泡的传质系数气泡的传质系数计算ZX1/2在Re<l时：Sh=0.65Pei,2K=O.65乎J(4-34)(DeVz2Re=IO100时：Sz=0.65P21+(4-35)I2Re=1001000时：5/?=1.13(1-2.9Re-,z2)"2Pey2(4-36)Z×1/2Re>1000时：Sh=3Peu2%=1.13詈J(4-37)Eckenfelder表达Sha3=0RzSCr2(4-38)即-=BdWbPl(2(4-39)D,p.D)4 .氧气的利用效率例4-1设扩散器在曝气池的20废水中鼓空气泡的平均直径为0.3cm,池子水深2m.保持池内溶解氧的主体浓度为2mgL,求气泡的氧气传质系数；计算氧的利用效率。假定气泡的直径在上升的过程中保持不变，水的静压力无影响。解：（1）求传质系数先假设气泡上升速度可用式4-68计算：(cms)2gdbX,2=p×72.75+981×03Yz2dbpx+2JI0.3×l+2，Re为25.1x0.3/0.01=750,说明公式选用正确.按Re=750用公式4-71求传质系数，扩散系数D由表查为2.1xl05cm2s°Sh= 1.13 129FPU-nf12.9Yz7.3×25.nEPe113lIJT而可故得：Sh=639,K1=63912S10-=0.0447(cms)DL0.3(2)计算氧的利用效率按IL水中所含空气泡的体积来建立氧气的物料衡算关系。pVp9Vp*ntuII/6)n=RTHRTHRT通过IL水中的气泡表面每秒钟所传人水中的氧气量的KLa(P*-2),得物料衡算方程为.一“=o.7897'-Pjo式中下标分别代表气泡上浮起点和上升2m。因0保持为2mgl,在起点处，=9.17mgl.故得气泡到表面时的浓度:p=0.789(9.17-2)+2=166mg/1氧气的利用效率为""V"=165%9.17§ 4 6鼓风曝气单位容积液体中的气泡面积为=/23X次,即a=丝上(4-40)(1/6VdhvhV式中tc=-这样的鼓风装置，在曝气池内无机械搅拌设备，故称非搅拌式鼓风系统。由气泡所得到的比表面积a乘以适当的传质系数KL值.即得到曝气的总传质系数KLao§4.7机械曝气机械曝气器分为两类，一类是表面曝气器，另一类是淹没的叶轮曝气器。1 .表面曝气器表面曝气器的特性参数：（a）消耗功率；（b）抽吸流量；（C）总传质速率Kia。根据相似理论，表面曝气器的消耗功率PL可以用功率数Np表示为Np=KiPLN3D5p(4-41)Nq=K2-（4-42）ND'K2也是一个经验系数,K2Q表示同一叶轮在淹没条件下所抽吸的流量。2 .淹没式曝气器淹没式曝气器一般在产生气泡的同时，对气泡进行搅拌，这是一种搅拌型鼓泡系统。r,Nn-l65对搅拌作用反映的公式为：必=0.331上士（4-43）DzzJLo夕_式中.D为搅拌浆的直径，N为转速。式子的左边为Sh数，右边第一项表示Re数，以与搅拌有关的ND组成特征速度，气泡直径小特征长度，对雷诺数有了新的思路，右边第二项为SC数的常见形式。§4.8水膜的传质性能L水膜的厚度_水膜厚度的计算公式：b/3QT（4-44）<sn刃水膜底部的剪应力第为：=pgsin（4-45）从光滑板上下落的水膜，当Re<4-25时，呈层流流动；当25<Re<500时，也呈层流运动状态，但有明显的波浪运动形状；当Re>500时，水膜运动进入过渡区；当Re>l0002000时，才发展成完全的紊流。从过渡区到Re<4500以下的紊流区，水膜表面都有波纹和扰动；Re>4500时，全部波浪才能消失。2.沿光滑板下落的水膜传质系数kl图4-23综合了一些水膜吸收C02的k值数据，它表示出Re数和倾斜角的影响，以及表面活性荆对于k值的影响。此对02与水膜间的扩散过程基本上是可以应用。§4.9吹脱塔利用惰性气体将解吸出来的气体带走的操作称吹脱。吹脱塔即利用水膜与空气相接触的方法，塔中有填料，与冷却塔的构造类似；废水自塔顶下流，经过填料形成水膜，空气向上流，把水中解吸出来的气体带走。冷却塔实际起了一个CO2的吹脱塔的作用。吹脱塔设计的基本假定是：从塔顶出来的空气，其中所含的解吸出来的气体的分压与进入塔顶废水中的同一气体的分压相等。L一般方程式如图4-25所示，在高为Z断面面积为S的吹脱塔底部吹入空气的流量为QLm3s,从塔顶往下流的水流量为Qlm%。水在下流过程中通过在填料上形成的水膜，向空气中传递其中所含的气体或挥发性物质A,在塔顶水中所含的A,浓度为0，由于吹脱作用，当水出塔时，其浓度达到允许的值0。空气在进塔时,其中不含A。故分压PA为零，在出塔时所含A达最大值，分压PA值也最大。在塔的高度为z处取体积微元Sdz建立物料衡算方程时，则得下列熟悉的形式:Qtdp=SdzKta份-P)(4-46)式中，夕为A在水中的浓度；炉为水的界面浓度；a为体积塔体中所提供填料的传质面积。注意上式中(，-)应为负值，这是产生吹脱作用的基本条件。为了传质过程公式的推导，以摩尔来表示物质的量才方便，以此进行一些量的转换得:eLr-vldxaz=-J。55.5KJ21-(4-47)通过物料衡算等积分等传质单元数的积分积分结果为mH：1盘=言.心24代叫Rm?称为吹脱因数。L55.5Ka项称为传质单元高度，因此得吹脱塔高度Z二传质单元高度X传质单元数2.氨的吹脱NH3溶解在水中反应为NH3+H2O=NH：+OH-(4-84)NH3在上述含氮组分中质量分数为叼也WHJXloOnh34nh;由式4-84得反应的平衡常数Kb：*J=K8NHB(4-50)(4-51)以水的溶度积关系h+0H-=Kw代入上式后并结合式4-84得l+j"KW(4-52)从公式可以看出，当pH<9时，以NH3形式所存在的质量分数小于30%,因此，为了去除废水中大部分的NH3,必须碱化废水，一般加石灰。当去除质量分数要求大于98%时，pH值必须大于11。