（化工过程机械专业论文）新型离式螺旋曝气设备气液两相流数值模拟及试验研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t h 3 学科分类号 4 7 0 3 0 3 0 论文编号 1 0 0 10 2 0 1 1 0 6 7 9 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 杨春玲学号 2 0 0 8 0 0 0 6 7 9 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 课题来源 自选项目研究方向化工机械 论文题目新型离式螺旋曝气设备气液两相流数值模拟及试验研究 关键词曝气设备，氧传质，数值模拟，气液两相流，含气率 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 1事论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师张有忱教授北京化工大学机电工程学院 化工机械 评阅人1张莉彦副教授北京化工大学机电工程学院机械设计 评阅人2赵惠清副教授北京化工大学机电工程学院 化工机械 评阅人3 评阅人4 评阅人5 撇员糊张东胜副教授北京化工大学机电工程学院 答辩委员1王奎升教授北京化工大学机电工程学院 答辩委员2李方俊副教授北京化工大学机电工程学院 答辩委员3张莉彦副教授北京化工大学机电工程学院 答辩委员4张连凯副教授北京化工大学机电工程学院 答辩委员5刘志国研究员北京师范大学 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) ( 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 新型离式螺旋曝气设备气液两相流 数值模拟及试验研究 摘要 水，是人类赖以生存的自然资源，一切生物皆离不开水。但随着 工业化进程的加快，污水排放量的不断增加，水污染问题日趋严峻。 目前世界各国对水污染防治和水资源的保护都非常重视，曝气设备作 为污水生物处理工艺中的核心设备，对水处理过程起着重要作用，也 日益受到世界各国水处理领域的高度重视。 本文介绍了一种新型的曝气设备一离式螺旋曝气设备，并通过设 备内部气液两相流场数值模拟、清水充氧试验和污水曝气试验来研究 该曝气设备的性能。离式螺旋曝气设备内部气液两相流场的数值模拟 运用c f d 商用f l u e n t 软件，采用混合物多相流模型、r n gk - 湍 流模型与s i m p l e c 算法，通过分析流道内不同截面上的压力分布、 速度分布以及含气率分布，探讨该曝气设备内部气液两相流场的流动 情况。清水充氧试验是曝气设备充氧性能研究的重要方法，试验结果 表明该曝气设备可明显增加水体中的氧含量，充氧能力良好，氧利用 率较高，具有良好的曝气性能。为进一步研究该曝气设备在实际污水 处理过程中的曝气效果，对该设备进行了污水曝气试验，试验结果表 明该曝气设备能够为污水生物处理系统曝气环节提供充足的氧气，保 证微生物正常生长代谢活动，能够达到曝气增氧的目的。 北京化工大学硕士学位论文 关键词：曝气设备，氧传质，数值模拟，气液两相流，含气率 a b s t r c t s t u d yo ns c r e wa e r a t i o ne q u i p m e n tb y n u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fg a s - l i q u i d t w o p h a s ef l o wa n de x p e i u m e n t a b s t r c t w a t e ri st h en a t u r a lr e s o u r c e st h a th u m a nl a r g e l yr e l i e su p o n ，a l l l i v i n gt h i n g sa r ei n s e p a r a b l ef r o mt h ew a t e r a l o n gw i t hi n d u s t r i a l i z a t i o n a d v a n c e m e n ts p e e d i n gu p ，t h es e w a g ei n c r e a s e sc o n t i n u o u s l ya n dt h e e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nq u e s t i o ni sd a yb yd a ys e r i o u s a tp r e s e n t ，a l l c o u n t r i e sp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ep r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fw a t e r p o l l u t i o n a st h ek e ye q u i p m e n to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ，t h e a e r a t i o ne q u i p m e n ti si m p o r t a n tf o rw a t e rt r e a t m e n te n g i n e e r i n g ，a n dg e t s s p e c i a la t t e n t i o nb yw a t e rt r e a t m e n t f i e l da l lo v e rt h ew o r l d t h e p a p e ri n t r o d u c e dan e wi n c r e a s i n go x y g e na e r a t i o ne q u i p m e n t - t h es c r e wa e r a t i o ne q u i p m e n t t h ea e r a t i o np r o p e r t i e so fe q u i p m e n tw e r e s t u d i e db yc f ds i m u l a t i o n ，t h ec l e a rw a t e ra e r a t i o nt e s ta n ds e w a g e a e r a t i o nt e s t g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wi ns c r e wa e r a t i o ne q u i p m e n tw a s s i m u l a t e db yu s i n gt h ec f ds o f t w a r ef l u e n tw i t hm i x t u r em o d e lo f m u l t i - p h a s em o d e l s ，r n g k - et u r b u l e n tm o d e l ，a n ds i m p l e c a l g o r i t h m t h et w o p h a s ef l o wi nt h es c r e wa e r a t i o ne q u i p m e n tw a s i i i 北京化工大学硕士学位论文 i n v e s t i g a t e di np r e s s u r e ，v e l o c i t y ，a n dg a sv o i dd i s t r i b u t i o no ft h ef l o w f i e l d c l e a rw a t e ra e r a t i o nt e s ti st h ei m p o r t a n tr e s e a r c hm e t h o df o r s t u d y i n gt h ep r o p e r t yo ft h ea e r a t i o ne q u i p m e n t t h er e s u l to ft h ec l e a r w a t e ra e r a t i o nt e s ts h o w st h a tt h ea e r a t i o ne q u i p m e n th a sg o o da e r a t i o n p r o p e r t i e s ，g o o do x y g e n a t i o nc a p a c i t y ，a n d a l s oh a s h i g ho x y g e n 目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 污水好氧生化处理技术简介1 1 3 曝气氧传质的原理3 1 3 1 氧传质理论模型3 1 3 2 增强曝气效果的途径4 1 4 国内外曝气设备简介5 1 4 1 常见的几种曝气设备及其优缺点5 1 4 2 一种新型曝气设备离式螺旋曝气设备简介7 1 5 本课题主要研究内容9 第二章气液两相流数值模拟理论基础1 1 2 1 气液两相流简介1 1 2 1 1 气液两相流流型的分类1 l 2 2 2 气液两相流主要参数：1 3 2 2c f d 技术简介1 7 2 2 1c f d 软件简介1 8 2 2 2 气液两相流数值模拟方法1 8 2 3c f d 技术数值求解方法1 9 2 3 1 控制方程的离散方法1 9 2 3 2 有限体积法的离散格式2 0 2 3 3 控制方程的数值解法2 1 第三章离式螺旋曝气设备内部流场的数值模拟2 3 3 1 模拟的总体思路2 3 3 2 离式螺旋曝气设备模型的建立2 3 3 2 1 模型的基本结构参数2 3 v 北京化工大学硕士学位论文 3 2 2 流场几何模型的建立 3 2 3 网格的生成 3 3 数学模型的建立 3 3 1 湍流数值模拟方法 3 3 2 湍流模型的选择 3 3 3 多相流模型的选择 3 4 数值计算方法 3 4 1 求解方法的选择 3 4 2 流体介质 3 4 3 边界条件 3 4 4 动静区域耦合方法 4 7 4 7 4 7 4 8 5 0 5 l 5 3 5 3 5 4 5 6 5 8 4 5 6 6 7 9 2 2 3 4 5 5 6 8 o 2 2 3 5 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 目录 第六章结论6 1 参考文献6 3 致谢6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 9 作者和导师简介7 1 v i i 北京化工大学硕士学位论文 c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1f o r e w o r d 1 1 2b r i e f i n t r o d u c t i o no fs e w a g ea e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n t 1 1 3t h e p r i n c i p l eo f o x y g e nt r a n s f e r 3 1 3 1t h em o d l eo f o x y g e nt r a n s f e r 3 1 3 1t h em o d l eo f o x y g e nt r a n s f e r 4 1 4b r i e fi n t r o d u c t i o no fa e r a t i o ne q u i p m e n ta th o m ea n da b r o a d 5 1 4 1m e r i ta n dd e m e r i to fc o m m o na e r a t i o ne q u i p m e n t 5 1 4 2b r i e f i n t r o d u c t i o no f n e wa e r a t i o ne q u i p m e n t c r e wa e r a t i o ne q u i p m e n t 7 1 ! ；m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 9 c h a p t e r2t h et h e o r y o fg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o wn u m e r i c a l s i m u l a t i o n 1l 2 1b r i e fi n t r o d u c t i o no fg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w 11 2 1 1c l a s s i f i c a t i o no fg a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o wp a t t e r n 11 2 2 2t h em a j o rp a r a m e t e ro f g a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w 1 3 2 2b r i e f i n t r o d u c t i o no f c f d t e c h n o l o g y 1 7 2 2 1i n t r o d u c t i o no f c f ds o f t w a r e 1 8 2 2 2t h em e t h o do f g a s l i q u i dt w o - p h a s en u m e r i c a ls i m u l a t i o n 18 2 3n u m e r i c a ls o l u t i o nm e t h o do fc f dt e c h n o l o g y 19 2 3 1d i s e r s i o nm e t h o do f g o v e r n i n ge q u a t i o n 1 9 2 3 2d i s e r s i o nf o r m a to f 丘1 1 i t ev o l u m em e t h o d 2 0 2 3 3n u m e r i c a ls o l u t i o no f g o v e r n i n ge q u a t i o n 2 1 c h a p t e r3n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi n n e rg a s - - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o w f i e l do fs c r e wa e r a t i o ne q u i p m e n t 2 3 ：；1p r i m a r yt h o u g h t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 3 3 2s t r u c t u r eo f g e o m e t r i cm o d e lo f s c r e wa e r a t i o ne q u i p m e n t 2 3 3 2 1b a s i cs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so f m o d e l 2 3 3 2 2s t r u c t u r eo f g e o m e t r i cm o d e lo f f l o wf i e l d 2 4 北京化工大学硕士学位论文 3 2 3g e n e r a t i o no f 鲥d 。2 5 ： 3s t r u c t u r eo f m a t h e m a t i cm o d e l 2 6 3 3 1t h em e t h o do f t u r b u l e n tf l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 6 ：；：；2t h ec h o i c eo f t u r b u l e n c em o d e l s 2 7 3 3 3t h ec h o i c eo f m u l t i p h a s em o d e l s 2 9 ：；4n u m e r i c a lm e t h o d 3 2 ：；4 1t h ec h o i c eo fs o l u t i o nm e t h o d 3 2 3 4 2f l u i dm e d i u m ：；3 ：；4 3b o u n d a r yc o n d i t i o n 3 4 3 4 4c o u p l i n gb e t w e e nr o t o ra n ds t a t o r 3 5 ：；5a n a l y s i so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s 3 5 ：；5 1d i s t r i b u t i o no f p r e s s u r e 3 6 ：；5 2d i s t r i b u t i o no f v e l o c i t y 3 8 3 5 3d i s t r i b u t i o no f g a sv o i d s 4 0 ：；6c o m p a r i s o no f d i f f e r e n tg a sv o i d s 4 2 3 6 1o u t l e tp r e s s u r e 4 2 ：；6 2t u r b u l e n c ei n t e n s i t y 4 3 3 7b r i e f s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 4 5 c h a p t e r 4t h ec l e a rw a t e ra e r a t i o nt e s to fs c r e wa e r a t i o ne q u i p m e n t 4 7 4 1t e s to b j e c t i v e 4 7 4 ：! t t ；s tc o n t e n t 4 7 4 3t e s td a t es o r t i n g 4 8 4 4a n a l y s i so f t e s tr e s u l t s 5 0 4 5b r i e fs u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 51 c h a p t e r5s e w a g ea e r a t i o nt e s to fs c r e wa e r a t i o ne q u i p m e n t 5 3 5 1t h ef u n c t i o no fo x y g e ni nb i o c h e m i c a ls e w a g et r e a t m e n t 5 3 5 2t h ea r e a t i o nt e s to fs c r e wa e r a t i o ne q u i p m e n t 5 4 5 3t h ec o n t r a s tb e t w e e ns c r e wa e r a t i o ne q u i p m e n ta n db l a s ta e r a t i o n 5 6 5 4b r i e fs u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 5 8 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 6 1 r e f e r e n c ed o c u m e n t a t i o n 6 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 7 x c o n t e n t s r e s e a r c hp r o d u c t i o na n dp a p e r 6 9 b r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ea u t h o ra n dt u t o r 7 1 北京化工大学硕士学位论文 符号说明 符号说明 氧总转移系数，m i n 。 水温为r 时测得的总传递系数，m i n - 1 水温为2 0 。c 时的总传递系数，m i n - 1 时间，m i n 溶解氧饱和浓度，m g l 4 溶解氧浓度，m g l j 转子和定子之间的间隙，m i n 螺纹槽深，1 t l i n 螺纹头数 导程，n l n l 螺纹槽宽，n 吼 螺纹棱宽，n l i n 螺旋段长度，n l t n 转子内径，r a n l 螺纹齿形角，。 液相质量流量，k g s 。 气相质量流量，k g s 。 气液两相混合物质量流量，k g s 1 液相体积流量，l s 。 气相体积流量，l s 。1 气液混合物体积流量，l s 。1 液相密度，k g m 。 气相密度，k g m 。3 气液混合物密度，k g m 。3 液相粘度，k g sm 。1 气相粘度，k g s m - 1 气液混合物粘度，k g s m 。1 滑动比 体积含气率 相对于流体通量的广义扩散系数 水温， 刁 加 口 口 4 r 玩玩玩，q c c z s如吮j 9 研嚷g 9醵q所以町触心s 口r r 北京化工大学硕士学位论文 纪 y f k c p 标准条件下的充氧能力，k g h 1 曝气池体积，m 3 氧利用率 湍动能，j 湍动耗散率 压力比热容，j k - k 9 1 x i v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 水，是人类宝贵的自然资源，是人类赖以生存的基本物质基础，地球上一切 生物皆离不开水。虽然水是地球上分布最广的物质，但真正能被人类利用的淡水 资源很少，而且这些淡水资源在陆地上的分布很不均匀，世界上很多地区面临缺 水问题。同时，世界各国的水污染问题也日益严峻。随着工业的发展和人口的增 长，特别是城市化进程的加快，工业废水和城市污水的排放量大幅度增加，造成 水资源明显恶化，使可利用水资源日益减少。污水中含有很多有害物质，如果未 经处理就直接排入江河、湖泊、海洋等水域中，不仅会污染水域、破坏环境，还 会对水体生物以及人类的健康造成极大威胁。因此保护水资源和防治水污染，是 水资源可持续发展必须解决的问题。 目前，水资源短缺和水体污染问题已非常严峻，水污染防治和水资源的保护 受到世界各国的重视。水污染防治和水处理的方法有很多，其中污水生化处理方 法具有效率高、成本低、投资省、操作简单等优点，得到了广泛的应用。污水生 化处理方法包括厌氧法、好氧法以及两者的组合工艺。污水好氧法生物处理过程 中需要进行人工增氧，人工增氧法就是向水体中直接通入空气或者纯氧，强化富 氧过程，从而使水中溶解氧增加，常采用机械曝气形式，故又称曝气增氧。曝气 增氧法可以向水体中注入氧气，提高水体中的溶解氧含量，强化水体的自净功能， 促进水体生态系统的恢复。曝气设备的不同是各种不同类型曝气增氧法的主要区 别。曝气设备作为污水生物处理工艺中的核心设备，对污水处理效果起着至关重 要的作用。近几年，国内污水处理设备多采用的是进口曝气设备，不仅工程投资 高，还存在维护管理问题，因此，提高我国曝气设备的自主研发能力至关重要。 本文介绍了一种新型的曝气设备，并对该曝气设备进行了曝气性能研究。 1 2 污水好氧生化处理技术简介 污水处理的目的是利用各种方法把污水中所含的污染物转化为无害的物质 或将其分离出来，最终净化污水。污水处理的方法主要有三种：化学法、物理法 和生物法。生物法也称生物化学法，简称生化法，污水生化处理方法是处理污水 中应用最广、最久和较有效的一种方法，它是利用自然界中各种微生物将污水中 的污染物进行分解和转化，达到污水净化的目的。污水生化处理方法主要包括好 氧法、厌氧法以及两者的组合工艺。污水好氧生化处理法在各种工业废水和城市 北京化工大学硕士学位论文 污水净化处理中应用广泛【l 】1 。 污水好氧生化处理是一种利用微生物分解氧化有机物的功能，以好氧微生物 j 为主，并采取一定的人工增氧措施，使微生物大量生长繁殖，氧化分解有机物， 最终使污水得到净化的一种污水处理方法。目前，活性污泥法是应用最广的污水 好氧生化处理方法。 活性污泥法是一种以活性污泥为主体，利用好氧微生物分解氧化污水中有机 物的污水生化处理技术。其净化污水的过程主要分为三个阶段：吸附作用、微生 物代谢、凝聚沉降。活性污泥法的基本流程图，如图1 1 所示。污水经过初沉池 等工序处理之后，去除了大部分悬浮物和其他一些无机物后进入曝气池。曝气池 内含有大量的微生物，这些微生物能够氧化分解有机污物，由于微生物的数量较 多，大气中的氧不能满足曝气池内微生物对氧的需求，必须通过曝气设备向曝气 池内充入氧气，增加水中的含氧量，保证微生物的正常生长代谢活动，同时曝气 设备在曝气的过程中可以起到搅拌的作用使活性污泥处于悬浮状态，这样，污水 中的有机物、氧气同微生物充分的接触和反应。污水中有机物在曝气池内被微生 物氧化分解后，污水将流入二沉池，净化的污水排出。二沉池大部分污泥回流， 以提高处理效果；剩余的污泥排入污泥处理系统，进行处理【2 1 。 空气 l 一l 回流污泥剩余污泥 图1 - 1 活性污泥法基本流程 f i g 1 1t h ep r o c e s so fa c t i v es l u d g em e t h o d 曝气环节是整个污水好氧生化处理系统的关键环节，它是通过曝气设备向曝 气池内充入氧气，同时使污水中有机物、微生物和氧充分混合接触，保证微生物 的正常生长繁殖活动，加快有机物的分解，使水体得到净化。在污水好氧生化处 理系统中曝气设备起着重要的作用，污水处理系统中曝气设备种类很多，常用的 有鼓风曝气设备、射流曝气设备等，如图1 2 所示为采用鼓风曝气设备进行曝气 的污水好氧生化处理曝气池。曝气设备是曝气工艺中曝气充氧的关键设备，因此 新型曝气设备的研发对于污水处理领域具有重要意义。 2 第一章绪论 图1 - 2 污水好氧生化处理鼓风曝气池 f i g 1 - 2t h eb l a s ta e r a t i o nt a n ko f a e r o b i cb i o c h e m i s t r yt r e a t m e n t 1 3 曝气氧传质的原理 曝气是污水好养生化处理过程中重要的工艺过程。曝气的目的是使空气和液 体充分接触，使空气中的氧向液体中转移增加水体中含氧量。因此研究曝气系统 中氧由气体向液体转移的过程即氧传质理论，对于增强曝气效果至关重要。 传质过程一般发生在存在浓度梯度的系统中。在一个含有两种或以上组分的 系统中，如果系统内部浓度分布不均匀，就会出现组分由高浓度向低浓度方向转 移的现象，简称传质。 1 3 1 氧传质理论模型 在曝气增氧过程中，气液界面的两侧存在着气膜和液膜，氧分子穿过气液界 面由气相转移到液相，传质理论研究的内容就是气体分子如何通过气膜和液膜。 最早的传质理论模型是单膜模型。后来，在单膜模型的基础上出现了多种传质模 型，其中常用的有三种模型：双膜理论模型、浅渗理论模型( p e n e t r a t i o nt h e o r y ) 及表面更新理论模型( s u r f a c er e n e w a lt h e o r y ) 。目前，在污水处理理论中广泛应用 的是双膜理论模型p 】。 双膜理论模型是把气相和液相的交界面视为气膜和液膜两层膜的传质理论 模型。当物质在两相间进行转移时要穿过气液相界面，这时就会在每相中引起浓 北京化工大学硕士学位论文 度梯度( 如图1 3 所示) 。在污水处理过程中，氧传递速率的表达式为： d c d t = - k t , , , ( c ，一o 。其中也是氧总转移系数，是单位体积的液体所拥有的气液界 面面积的函数。c 和白分别为液相氧的实际浓度和饱和浓度，两者之差表征了 氧传递推动力的大小。 捆界面 岛 气撩 弋梭榻 图1 - 3 气液两相界面浓度的分布图 c i g _ 气相浓度，c g 厂气相界面浓度，q 厂液相界面浓度，q 一液相浓度。 f i g 1 - 3t h ec o n c e n 订甜o nd i s t r i b u t i o nb e t w e e ng a sa n dl i q u i d c a - g a sp h a s ec o n c e n t r a t i o n ，c g i - g a sp h a s ei n t e r f a c i a lc o n c e n t r a t i o n ， c l r l i q u i di n t e r f a c i a li n c o n c e n t r a t i o n ，c l - l i q u i dc o n c e n t r a t i o n 1 3 2 增强曝气效果的途径 在污水处理系统中，曝气工艺效率的高低主要体现在氧利用率和氧转移速率 两个方面。提高氧转移速率的途径主要有两种：一是可以通过提高氧转移系数 玩的值来实现；二是增加氧转移的推动力，即增大浓度的梯度来实现。而氧利 用率主要与污水处理系统中具体的运行条件和曝气设备等工艺设备有关，具体可 采用以下措施【4 】： 1 ) 采用纯氧曝气 所谓纯氧曝气就是指利用纯氧气代替空气向曝气池内充气。纯氧曝气是采用 氧气作为氧源，此时氧在气相中所占的分压会明显增加，增大了浓度梯度，从而 氧在水体中传导的推动力也会大大增强。纯氧曝气与传统曝气形式相比较，优点 有很多： 一是纯氧曝气系统可向曝气池内提供更多的氧气，使得活性污泥的活性有所 提高，并且氧转移速率也相应提高，污水处理系统可以氧化分解更多的有机物； 二是纯氧曝气系统分解有机物的能力提高，从而可以相应缩小曝气池的容 积，这样就可以降低建造曝气池的费用； 三是纯氧曝气系统与传统曝气系统相比，具有较好的污泥沉降能力和净水能 力，系统的污泥产量较少； 4 第一章绪论 四是纯氧曝气系统对氧气的传输进行监测控制，因此其氧利用率要比传统曝 气系统要高的多。 纯氧曝气系统也存在缺点，主要是纯氧发生器装置比较复杂，并且易出现故 障，管理运行较麻烦。 2 ) 改善曝气设备布置方式，合理的选用曝气设备，提高氧利用率 总体上说，粗气泡扩散器的氧利用率要远低于微孔曝气器，微孔曝气器应优 先选择。在布置方式方面来考虑，采用单侧布置方式的氧利用率低于网格形布置 方式的氧利用率，所以网格形布置方式应优先选择。 3 ) 改进曝气的工艺，研究开发新型的曝气设备 近年来许多科研工作者为提高氧转移率和利用率，对污水处理系统曝气环节 进行重新设计同时改进操作方式；另外，还进行新型曝气设备的研发，提高曝气 效果【5 】。本文中介绍的离式螺旋曝气设备就是开发的一种新型的曝气增氧设备。 1 4 国内外曝气设备简介 1 4 1 常见的几种曝气设备及其优缺点 1 ) 鼓风曝气设备 鼓风曝气设备又称“压缩空气曝气设备”，利用鼓风机通过风管以及扩散设 备向水体中增氧。如图1 4 所示。根据气体扩散设备不同而分类繁多，常见竖管 曝气、穿孔管曝气、微孔曝气板等等。优点：设备简单，管理方便，机械低消耗， 操作维护的自动化等；缺点：大孔扩散设备气体利用率较低，微孔扩散设备易堵 塞【6 】。 2 ) 表面曝气设备 图l - 4 同转式鼓风曝气机 f i g 1 - 4r o t a r yb l a s ta e r a t o r 5 北京化工大学硕士学位论文 表面曝气设备又称“机械搅拌曝气设备”，利用叶轮等机械搅拌实现水体环 流，更新气水界面，卷入空气从而提高水中溶解氧。根据搅拌机械不同分为竖轴、 卧轴或者低速、高速等不同分类，常见叶轮曝气机、转刷曝气机、转轮曝气机、 喷泉曝气机等等。优点：设备简单，管理方便，效率较高；缺点：适用于规模较 小工程。如图1 5 所示。 图l - 5 转刷曝气机 f i g 1 - 5r o t a r yb r u s ha e r a t o r 3 ) 射流曝气设备 射流曝气机，一般设在曝气池的底部，吸入的压缩空气与加压水充分混合， 向水平方向喷射，达到曝气充氧，推进水流及混合搅拌的目的。优点：搅动混合 能力强，氧传递效率高，适宜于中等规模的曝气池，费用较低。缺点：喷嘴易堵 塞，需要对水、气加压，系统设备较复杂，施工和维护不便。如图1 - 6 所示。 图l _ 6 潜水射流曝气机 f i g 1 - 6s u b m e r s i b l ej e ta e r a t o r 4 ) 混合曝气设备 混合曝气也称为低速混合鼓风曝气。用置于曝气池底部的固定式曝气器( 如 微孔曝气) 和淹没式水平叶轮或射流以及利用抽吸和表面射流，来分别进行充氧 和推进液体。由于气泡扩散的较远，从而与水接触时间很长，氧利用率非常高。 适合于氧化沟、推流式好氧曝气池，以及大型氧化塘和江河湖泊的水体净化。优 6 镶淤 鬻谢缈一黼 第一章绪论 点：曝气效果较好；缺点：设备复杂，动力消耗较大，因此不常用。如图1 7 所 不。 图1 7 推流曝气机 f i g 1 - 7p l u g f l o wa e r a t o r 1 4 2 一种新型曝气设备一离式螺旋曝气设备简介 1 1 离式螺旋曝气设备的发展史 离式螺旋曝气设备是在迷宫螺旋泵的基础上研制开发的。迷宫螺旋泵是一种 新型的泵，对于这种泵的研究还处于初级阶段，但也有不少学者对其进行了研究 但大多都局限于输送单一流体，但根据迷宫螺旋体具有很强的气液混输和固液混 输的能力，完全可以应用到需要气液混输和固液混输的场合，离式螺旋曝气设备 就是在迷宫螺旋泵的基础上研制开发的，用于输送气液两相流体，并且实验研究 表明，出口处可产生微气泡，并将其输送到水体中，可增加水体中的含氧量，实 现曝气设备的功能，可应用在污水处理厂的曝气增氧环节。 迷宫螺旋泵的研发最早开始于苏联，当时是为了解决含颗粒的介质输运问 题，因此对迷宫螺旋密封和迷宫螺旋泵开始了研究。我国对迷宫螺旋泵的研究开 始于2 0 世纪6 0 年代。初期主要集中在迷宫螺旋密封的研究上，朱毅征教授就提 出了单螺旋密封理论和双螺旋密封理论并在工业中得到广泛的应用。迷宫螺旋泵 研究初期主要集中在对迷宫螺旋泵的实验研究上，韩国军等人提出了迷宫螺旋泵 的工作原理和特征7 一，马润梅等人对螺旋参数的选取等做了实验研究【1 0 j2 1 。目 前，迷宫螺旋泵的研究主要集中在数值模拟方面，并且取得了不错的成果【l m o 】。 但主要集中在单一介质的流体输运方面，对于气液两相流问题的研究，尚属首例。 离式螺旋曝气设备是目前迷宫螺旋泵研究应用的一大进展，本文将对离式螺旋曝 气设备曝气性能以及流场进行分析研究。 2 1 离式螺旋曝气设备工作原理及结构参数 离式螺旋曝气设备是在原有的迷宫螺旋泵的基础上研制开发的。在对迷宫螺 7 北京化工大学硕士学位论文 旋泵进行性能试验时发现，迷宫螺旋体同时具有气液混输性能，且出口处流体夹 带气泡均匀、气泡小，具有良好的曝气效果。该曝气设备属于自吸式曝气设备， 空气的吸入是靠入口处形成负压的作用自然吸入，因此不需要空气压缩机压缩气 体，降低了功耗，提高了效率，具有新颖性和创造性，可作为传统曝气设备的替 代产品。离式螺旋曝气设备的实物图和示意图如图1 8 、1 - 9 所示。 离式螺旋曝气设备工作原理，该曝气设备是由一对带有多头螺纹且旋向相反 的转子和定子组成，转子和定子之间留有间隙。由转子和定子及转子和定子之间 的间隙所形成的工作腔称为迷宫螺旋体( 如图1 1 0 所示) ，当电机带动转子旋转 时，转子螺纹对其槽内介质将产生两方面的作用：一方面携带介质克服摩擦阻力 作圆周运动，另一方面推动介质沿轴向前进，从而获得扬程。介质从螺纹间隙中 流出，气体和液体进入螺纹空隙腔后，由于湍流剪切作用，使得气泡变形、分裂， 的 第一章绪论 迷宫螺旋体是离式螺旋曝气设备的主要部件。迷宫螺旋体主要参数：螺纹形 状、几何尺寸以及螺纹槽深h 、转子和定子之间的间隙c 、螺纹棱宽吮与螺纹 槽宽b g 等参数。螺纹形状有梯形、矩形、半圆形和三角型等螺纹基本型线，其 中三角形迷宫螺旋槽所获得的扬程最高，半圆形螺纹的效率最高。 转子 定予 图1 1 0 迷宫螺旋体结构示意图 f i g 1 - 1 0 s t r u c t u r ed i a g r a mo fa b y r i n t hs c r e ws y s t e m 3 ) 离式螺旋曝气设备曝气特点 离式螺旋曝气设备出口处气泡较小，可产生微气泡，注入曝气池，增加水中 的含氧量，到达曝气的目的，同时该设备操作简单