污酸水As(III)在射流反應器中氧化的流體行為研究

摘要：鉛鋅冶煉污酸水中的砷主要以3價砷形態存在，處理污酸水中的砷需要將3價砷氧化為5價砷。為了提高氧化效率，采用一種新型的射流反應器，對該反應器中的氣液兩相流動進行數值模擬研究，得到了壓力場分布、氣液速度場分布、氣泡尺寸、氣含率、宏觀混合效果等參數，對后續的氧化工藝設計具有重要的指導意義。

關鍵詞：射流反應器；數值模擬；流體行為；宏觀混合效果

中圖分類號：TQ051.1" " "文獻標識碼： A" " "文章編號：1004-0935（2024）04-0493-04

鉛鋅冶煉過程，砷隨煙氣進入制酸工藝進入污酸水中[1]，導致污酸水中的砷含量遠高于國家污水排放標準，必須進行脫砷處理。石灰法[2]、石灰鐵鹽法[3]、硫化法[4]處理含砷污酸水，所產生的含砷廢渣的主要成分都是3價砷酸鹽[5]。3價砷酸鹽在水中的溶解度較大[6]，導致脫砷效率低，處理后污水仍達不到國家排放標準。一些研究者[7-9]提出氧化的方法，將3價砷酸鹽氧化為較為穩定的5價砷酸鹽，然后再固化處理，可以實現固化體長期、穩定達到國家規定排放標準。氧化的方法主要有化學試劑氧化法（雙氧水、高錳酸鉀、二氧化錳礦、次氯酸鈉等）和氧氣氧化法（空氣、工業氧氣）。用氧氣作為氧化劑處理污酸水，沒有二次污染，但有研究[10]表明氧氣的利用率不高，因此高效利用氧氣將3價砷酸氧化為5價砷酸是亟待解決的重要課題。本研究引入一種新型射流反應器強化氧化反應效率，利用ANSYSCFX軟件系統地研究反應器內氣液流動行為，為氧化法處理污酸水提供理論和實驗依據。

1" 研究內容及方法

1.1" 數學模型

本研究采用瞬態三維歐拉-歐拉模型，各相通過相間的能量傳輸、動量傳輸、質量傳輸模型耦合[11]。以CFX 15作為計算平臺，采用非穩態分離求解器求解模型方程。設置速度為入口邊界條件，出口為開放邊界條件。采用基于PBM理論的多氣泡組質量傳遞的MUSIG模型[12]。該模型考慮了不同尺寸的氣泡直徑的變化以及氣相之間的聚并與破碎，將氣泡直徑按系統中氣泡尺寸范圍分為多組。氣泡被分為10個氣泡組，氣泡組最小直徑為0.5mm，最大直徑9.5mm。使用SST湍流模型計算液相湍流運動，SST模型結合了自動壁面函數，提高了近壁區域計算精度。數學模型的方程如表1所示。

1.2" 模型與網格驗證

設備的幾何模型計算域如圖1所示，計算區域采用六面體網格。網格無關性驗證與計算的準確性驗證已在之前的工作中完成[13]，本文不再進一步介紹。本次模擬的物理總時間為80s，時間步長為0.001 s，氣相體積流量為7 m3·h-1，液相體積流量為5.38 m3·h-1。

2" 結果與討論

2.1" 壓力場分析

在反應器底部，液體從底部泵入，流體經過文丘里段后，氣體在負壓狀態下被高速液體卷吸進入反應器。在進入擴張段時，混合流體由于氣液密度不同、重力、流體壓力變化等因素共同作用導致反應器內部產生流體擺動。隨著軸向位置的升高，壓力變化對流體的擾動逐漸降低。圖2為反應器軸向高度為-0.545、-0.745、-0.945m的3組橫截面壓力平均值，描述壓力隨時間的變化關系，反映反應器內流體的壓力分布。

30s之后計算達到穩定，3組壓力值具有相似的周期性變化規律。壓力波動的劇烈程度隨著反應器高度增加而減小，水平面上氣液相互作用的程度也隨高度升高而減弱。

2.2" 氣液速度場分析

在氣液兩相流中，相界面的分布特征與氣液兩相運動規律是研究氣液反應器流場的重點。本文通過研究氣液兩相流的速度場分布，考察反應器內相間傳質效果，結果如圖3所示。

圖3為反應器圓柱段和圓錐段中心剖面的速度分布，流體速度為3個方向的合速度。兩相速度分布輪廓較為清晰，分布形態相似。氣液兩相流體速度的中心峰域寬為0.1m，占反應器徑向尺寸的40%。混合流體的中心峰速度在反應器內部沿徑向位置往復擺動，這種擺動現象有利于氣體從中心向外擴散，促使氣液充分反應。圖4為反應器不同軸向高度的截面平均氣速隨時間變化的氣相速度分布。

隨著軸向位置逐漸降低，氣體速度振蕩幅度越大，振幅由0.07 m·s-1增至0.45m·s-1。通過改變圓錐段角度和長度調整流體在圓錐段停留時間有利于氣液相充分接觸，強化氣液反應效率。

2.3" 氣含率與氣泡尺寸分析

圖5為軸向高度為z=-0.545m與z=-0.745m處的氣含率分布。隨著軸向位置逐漸升高，氣含率逐漸增加。在-0.545m和-0.745m處徑向氣含率分布基本重合，氣含率為0.15～0.25，說明在反應器的這兩個軸向高度處已經為充分發展階段。該位置反應器內部氣含率高于反應器位置-0.945的氣含率50%，平均氣含率低于0.3。氣含率低于0.3時，以液體為連續相的氣液兩相流不會被破壞，氣液反應可以順利進行[14]。

反應器內部氣含率對氣泡尺寸分布有一定影響，本研究對反應器軸向位置氣泡平均直徑分布展開了研究，結果如圖6所示。流體流經文丘里段后，以較大速度向上流動。

圖6中軸向位置z=-0.945 m的氣含率較低，氣體在液體的強烈攪拌作用下破碎為小氣泡，氣泡直徑為5～1.5 mm。隨著反應器高度的增加，射流作用減弱，小氣泡聚并成大氣泡，氣泡尺寸隨高度增加而增加，在反應器圓柱段氣泡尺寸主要分布于1.5～3.5 mm。

2.4" 宏觀混合效果分析

為了描述反應器內的宏觀混合效果，本研究引入混合指數[15]這個概念?；旌现笖凳菍⒘黧w的分布描述成有限個質點，利用統計學中描述數據偏離期望值的程度所使用的標準差公式，加以分析和研究。它通過從模擬計算結果中得到的流體體積分數，代入相關公式中，從而計算出混合指數M值。

通過不同軸向位置截面上的液相濃度（體積分數）求取混合指數（M）來表征反應器的混合特性，其中N為界面上統計的總的點個數，這里取值根據網格劃分時的節點均勻取測點；Ci為各個點的濃度，也就是各個測點的液相體積分數；Ca為截面濃度的期望值（通常為0.5），通過各點值總的期望計算得出。M值的評價方法是，越接近0，說明混合效果越好，對于加快氣液反應效率有積極作用。圖7為反應器軸向位置各截面的M值。

隨著軸向高度上升，M值逐漸降低，表示混合程度越好。z=-1.1m處，氣液兩相從喉管段進入擴散段，通過旋流擴散使得氣液兩相混合越來越均勻，但此時氣液兩相速度值還較大，從而表現為混合指數相對較大，進入錐形區域和圓柱區域后，氣液兩相速度值逐漸降低，分布開始均勻，混合越來越好，表現為混合指數逐漸降低。

3結 論

本文在氧氣-污酸水體系中進行了CFD-PBM耦合模型數值模擬研究，通過三維數值模擬方法探究了射流反應器內流體力學參數的變化規律。

1）混合流體由于氣液密度不同、重力、流體壓力變化等因素共同作用導致反應器內部產生流體的周期性擺動。隨著軸向位置的升高，流體的擺動程度逐漸降低。

2）隨著軸向高度上升，混合指數M值逐漸降低，表示混合程度越好。從喉管段進入擴散段，通過旋流擴散使得氣液兩相混合越來越均勻，進入錐形區域和圓柱區域后，氣體分布更均勻，混合指數逐漸降低。

3）反應器圓柱段氣泡尺寸為1.5～3.5 mm，圓錐段氣泡尺寸為5～1.5 mm。平均氣含率最大值為0.25，該反應器中能夠保持穩定的以液相為連續相的氣液兩相流。

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Study onFluid Behavior of Sewage Acid Water

As （III） Oxidation in Jet Reactor

WANG Zhenwei， LI Ruibing

（Shenyang University of Chemical technology， Shenyang Liaoning110142， China）

Abstract：" In the waste acid water from lead and zinc smelting， arsenic mainly exists in the form of trivalent arsenic，treatment of arsenic in waste acid water requires oxidation of trivalent arsenic to pentavalent arsenic. In order to improve oxidation efficiency， a new type of jet reactor was used in this study， numerical simulation of gas-liquid two-phase flow in the reactor was carried out， and parameters such as pressure field distribution， gas-liquid velocity field distribution， bubble size， gas holdup and macro mixing effect were obtained， having important guiding significance for subsequent oxidation process design.

Key words：Jet reactor; Numerical simulation; Fluid behavior; Macro mixing effect