三相微型反應(yīng)器的流態(tài)化和優(yōu)化運行研究

羅志波，甘仁香，張大義 (五礦鹽湖有限公司，青海 西寧 816000)

0 引言

流化床技術(shù)是一種提高固體顆粒與液相、氣相、氣液相之間傳質(zhì)、傳熱過程的技術(shù).它借助于液體或者氣體,使反應(yīng)器中的固體顆粒呈流態(tài)化。與傳統(tǒng)的固定床式反應(yīng)器相比，反應(yīng)器內(nèi)的固體顆粒始終處于懸浮狀態(tài)并不停運動，強化了物質(zhì)的傳熱、傳質(zhì)過程，提高了反應(yīng)效率和凈化能力。高效節(jié)能的流態(tài)化床式反應(yīng)器可替代低效高能耗的回轉(zhuǎn)窯、固定床、移動床反應(yīng)器[1-2]。

沸石具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，有很強的吸附能力，作為一種天然礦產(chǎn)，在我國儲量豐富，價格便宜，是理想的水處理材料[3]。利用沸石處理污廢水的研究大部分集中在靜態(tài)實驗[4]，而對沸石填充流態(tài)化處理污廢水的研究甚少。基于流態(tài)化反應(yīng)器和沸石吸附，文章以沸石為填充床層，設(shè)計和建立了一個成熟、高效的流態(tài)化反應(yīng)裝置，探討了三相微型反應(yīng)器的最佳運行條件（進水流量、曝氣量、沸石用量等）。

1 反應(yīng)裝置

（1）流化床反應(yīng)系統(tǒng)如圖1所示。其主體反應(yīng)器以玻璃制成，圓筒狀，內(nèi)徑20 mm，總高度580 mm，有效工作高度450 mm，進水口距離反應(yīng)器底部30 mm，出水口距離反應(yīng)器頂部 50 mm。

（2）如圖1所示，處理水經(jīng)蠕動泵（KSP-F01A）抽送到進水口，氣體通過氣泵抽送至進氣口，經(jīng)曝氣石分散后與處理水混合，含氣水由下至上流經(jīng)沸石填充層，水從出水口溢出，氣體則由反應(yīng)器頂部出口釋放到大氣中。輸氣管和輸水管上分別配有氣體流量計和液體流量計以控制氣體和處理水的流量，同時氣管上設(shè)有止回閥，防止水體倒流。

圖1 流化床反應(yīng)裝置系統(tǒng)一覽圖

（3）沸石：反應(yīng)器中填充市售人造沸石（20～40目），所購沸石使用前需經(jīng)過簡單預(yù)處理，干燥清潔后裝填。

2 結(jié)果與討論

2.1 單純曝氣

本組實驗中，對反應(yīng)器中一次注水后無連續(xù)進水，僅持續(xù)通氣。

a1、a2、a3三組實驗采用不同的沸石填充高度，分別為150 mm，195 mm和240 mm，其余控制條件保持一致。反應(yīng)開始時，反應(yīng)器中注入清水至出水口。

a1組的濾料區(qū)在曝氣量為15 mL/s時達到最大高度，膨脹比為1.13； a2組的濾料區(qū)在曝氣量為17.5～20 mL/s時達到最大值，膨脹比為1.26；a3組在曝氣量為25 mL/s時達到最大濾料區(qū)高度，膨脹比為1.18.

由此可見，曝氣量是反應(yīng)器運行的一個重要因素。根據(jù)各組實驗結(jié)果，為保證更大的濾料區(qū)和足夠的清水層高度，有效利用反應(yīng)器，曝氣量應(yīng)控制在15～25 mL/s間為宜。

2.2 氣水混合

本組實驗中，反應(yīng)器進水流量為15 mL/min，持續(xù)進水且一直曝氣。

b1、b2、b3三組采用不同的沸石填充高度，分別為170 mm，220 mm和260 mm，其余控制條件保持一致。

實驗結(jié)果表明，各反應(yīng)區(qū)高度和膨脹比的變化與2.1中的變化規(guī)律相同，即：濾料區(qū)高度隨曝氣量的增加先增大，后減小；過渡區(qū)高度隨曝氣量的增加一直增大；清水層高度則隨曝氣量的增加呈減小趨勢。其中，b1組在曝氣量為17.5 mL/s時達到濾料層的最大值，最大膨脹比為1.20；b2組在曝氣量為25mL/s時達到最大濾層高度，此時的膨脹比為1.18； b3組濾料區(qū)在曝氣量為30mL/s時達到最大值，膨脹比為1.10。

與a組相比，本組實驗中，曝氣量仍然是影響反應(yīng)器運行的重要因素，而進水對反應(yīng)器整體運行的影響可以忽略不計。續(xù)進水后，為保證最大高度的濾料區(qū)和適宜的清水層高度，充分利用反應(yīng)器的容積空間，曝氣量應(yīng)控制在17.5～30 mL/s之間。

2.3 沸石填充量

增加沸石的填充量，可以加強反應(yīng)器運行的穩(wěn)定性，提升反應(yīng)器處理污染物質(zhì)的能力。通過對反應(yīng)器的參數(shù)優(yōu)化，可以在不干涉水力狀態(tài)的條件下，增加沸石用量，充分發(fā)揮反應(yīng)器的容積空間，對水中的污染物質(zhì)進行高效高量的去除。

a、b各組中，因曝氣量的改變而引起的濾料區(qū)高度變化相對穩(wěn)定。影響濾料區(qū)高度的決定因素是沸石的用量。隨著沸石用量的增加，濾料區(qū)高度相應(yīng)增加；當(dāng)沸石的用量增大后，濾料區(qū)流態(tài)化所需的曝氣量也隨之增大，在較大的曝氣量下才能達到最大濾料區(qū)高度和最大膨脹比。適當(dāng)增加沸石填充量，能有效利用反應(yīng)器的工作高度，增強反應(yīng)器處理污染物質(zhì)的容量和效率，但同時也會增加反應(yīng)器工作時的能耗。如果沸石填充量過大，則需要更高的曝氣量引起流化膨脹，從而導(dǎo)致過渡區(qū)增大、清水層消失，如b3組，則反應(yīng)器的操作穩(wěn)定性隨之下降，因此不可盲目增加沸石填充量。

隨著沸石填充量的增加，各組反應(yīng)器運行時，達到最大膨脹比時所需的曝氣量也隨之增大。在相同的沸石填充量下，曝氣量較小時，沸石膨脹效果不明顯，膨脹比較小；隨著曝氣量的增加，沸石流化態(tài)明顯，膨脹效果增強，膨脹比增大；繼續(xù)增加曝氣量，更多的沸石在氣體作用下進入過渡區(qū)，濾料區(qū)所含沸石量流失，高度降低，膨脹比也隨之減小。適宜的膨脹比，可以保證沸石層良好的混合狀態(tài)與流化運行操作。

增大沸石填充量有利于提高反應(yīng)器的處理利用率，增強對污染物質(zhì)吸附和去除，為維持良好的流態(tài)化運行，過大的沸石填充量導(dǎo)致曝氣量增加，能耗增大，降低操作的穩(wěn)定性。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中，沸石填充高度在195～240 mm時，反應(yīng)器可保持較好的流態(tài)化和膨脹比，膨脹比為1.18～1.26。

2.4 三相反應(yīng)器的優(yōu)化運行

通過單純曝氣和氣水混合兩種運行條件的比較，優(yōu)選出適宜的反應(yīng)器運行操作條件如表1所示，進行持續(xù)通氣和通水的實驗，按沸石投加量從小到大定為c1組、c2組、c3組、c4組，c5組。

表1 各組反應(yīng)條件一覽表

實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 三相反應(yīng)器優(yōu)化運行比較

c2、c3、c5組實驗結(jié)果與a2、a3組實驗結(jié)果進行對比可知，相比于只通氣未通水的狀態(tài)，通水時濾料區(qū)高度有略微減小，可以忽略。且此時過渡區(qū)高度降低明顯，清水層高度增加，使得反應(yīng)器的處理效率和運行穩(wěn)定性增強。

由圖2可知，反應(yīng)器的最佳操作運行條件為：沸石填充高度為195 mm，進水流量15 mL/min，曝氣量20 mL/s，此時的膨脹比為1.26，反應(yīng)器內(nèi)可以保持足夠多的沸石進行流態(tài)化吸附處理，并保證良好的運行狀態(tài)和出水水質(zhì)。

2.5 三相反應(yīng)器對氨氮廢水處理的實際運用

設(shè)定進水流量15 mL/min，曝氣量20 mL/s，沸石填充高度195 mm，利用三相反應(yīng)器處理氨氮廢水（100 mg/L），連續(xù)測定出水氨氮濃度。

取出水濃度C與進水濃度C0之比C/C0=0.95時為吸附終點，此時可認為沸石完全失去吸附能力，而經(jīng)歷的時間約為17.5 h，表明該三相反應(yīng)器在最佳運行參數(shù)下能穩(wěn)定運行較長時間。在動態(tài)吸附實驗里，三相反應(yīng)器中的沸石對氨氮廢水的吸附容量為24.91 mg/L；而對同種沸石進行的靜態(tài)吸附實驗中，其對氨氮的吸附容量為26.54 mg/L。對比靜態(tài)和動態(tài)條件下沸石的吸附性能可知，在三相流態(tài)化反應(yīng)器的優(yōu)化運行中，反應(yīng)器中的濾料層流態(tài)化良好、布水均勻、出水穩(wěn)定，反應(yīng)器可以連續(xù)高效運行，反應(yīng)器中沸石的有效利用率可達94%，對氨氮廢水的處理效率高、處理效果好，且反應(yīng)器操作簡單，空間利用充分。

3 結(jié)語

（1）影響氣液固三相微型反應(yīng)器運行的主要因素有沸石填充量和曝氣量，進水流量的改變對水力運行狀態(tài)無顯著影響。

（2）沸石填充量是反應(yīng)器濾料區(qū)高度值的決定性因素，其影響大于曝氣量對濾料區(qū)高度的作用。相同曝氣量下，隨沸石填充量增加，濾料區(qū)高度增加，過渡區(qū)高度減小，清水層高度呈減小趨勢。

（3）在進水量15 mL/min，沸石填充高度195 mm，曝氣量20 mL/s下，本實驗設(shè)計的固液氣三相反應(yīng)器具有良好的流化狀態(tài)，膨脹比達1.26，流態(tài)化反應(yīng)器運行穩(wěn)定，容積利用率高，處理效果良好，沸石的利用率可達94%。