[发明专利]一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法

说明书

本发明公开了一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法，包括如下步骤：选取研究对象；根据研究对象建立模型、网格划分；确定模拟实验的物理模型及边界条件、进行模拟实验；进行验证实验并将验证实验的数据与模拟实验的数据进行比较，确认模型的正确性；本方法突破传统臭氧反应器设计的瓶颈，从机理上深入而全面地研究大型臭氧反应器内部设计变量对于臭氧反应器整体效率的影响，进而革新性地优化臭氧反应器整体设计。

技术领域

本发明涉及污水处理高级氧化反应器领域，尤其涉及一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法。

背景技术

臭氧作为一种不产生二次污染的强氧化剂，常用于污水处理中降解高稳定性， 生化难降解的有机物。大型反应器，包括纯臭氧氧化反应器以及催化臭氧氧化 反应器，污水中整体有机物去除效率主要受反应器内部臭氧氧化反应分布的不 均匀性制约。而大型工业化反应器内部的化学反应分布较复杂，与反应器内部 水流分布以及物料传输相互作用，相互影响。采用传统试验方法很难得到足够 的测量数据来对反应器内部化学反应进行深入的分析。因此目前臭氧反应器的 设计多是在其他反应器的基础上基于经验进行改造。

中国专利CN1847168公开了一种用于臭氧氧化去除水体有机物的评估方法与 反应器，该专利提供的方法和反应器能够根据需要控制反应过程期间溶液中臭 氧浓度和PH值，减少了反应过程中的变量，反应器中的压力能够通过压力表 和电磁阀的协同作用进行控制，从而可模拟实际处理工艺中水压对反应的影响， 通过该专利可以建立简化的臭氧和目标有机物反应的动力学方程，用来指导优 化臭氧工艺对目标物在实际水体中的去除效果。然而该专利只采用实验方法来 建立简化的臭氧和目标有机物反应的动力学方程，采用了反应器内部化学反应 分布均匀的假设，只能粗略地给出评估反应效率的方法。而臭氧反应器的设计 需要一个更先进更全面的方法来充分研究反应器内部化学反应以及水流的三维 空间分布从而对反应器设计进行优化。

中国专利CN104050330A公开了一种升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化 设计方法及其应用，该专利所述方法是基于计算流体力学技术的数值模拟方法， 研究不同水力上升流速条件下反应器内部流态特征及其对制氢反应器产氢速率 的影响；采用欧拉-欧拉气液固三相流体模型获得液相速度场、固相体积分率、 发酵气体氢气组分体积分率等详细流场信息，在此基础上，耦合生化反应动力 学模型并对反应器产氢速率进行动态模拟和预测，并且根据各流场反馈对制氢 反应器的影响，将模拟得到的不同流态数据进行综合分析，从而确定最佳水力 上升流速，为升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计提供一种高效的方法。 但是该专利只将化学反应简化为单个或几个简单的源/汇项，因此模拟结果不够 精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法，模拟一个臭氧反应器内部反应在达到稳态后化学反应和各反应物，中间产物以及生成物 浓度的三维空间分布，利用计算流体力学模拟方法，结合多相流模型模拟气液 混合流，双膜法臭氧传输模型模拟臭氧溶解过程，以及反应动力学模型模拟臭 氧自分解以及分解有机物的化学反应过程；通过模拟结果与验证实验结果相对 比来验证模型的正确性，形成一个具备普遍适用性的臭氧反应器内反应分布优 化的模型。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种臭氧反应器内反应分布的优化设计方法，包括如下步骤：

(1)选取研究对象；选取的研究对象为臭氧反应器；

(2)根据研究对象建立模型、网格划分；主要包括：采用三维建模软件按 照步骤(1)中选取的臭氧反应器的几何尺寸进行三维几何建模及网格划分；

(3)确定模拟实验的物理模型及边界条件、进行模拟实验；所述物理模型 主要包括：

(3.1)臭氧反应器内的流场采用三维稳态模型，采用流体力学控制方程， 连续性方程(1)和动量守恒方程(2)来模拟计算：