[发明专利]诱导结晶沉淀系统及诱导结晶软化工艺排渣周期优化方法

权利要求书

1.一种诱导结晶软化工艺排渣周期的优化方法,其特征是，包括诱晶单元、进水管、出水管、变压水泵、排砂管、加药管，所述诱晶单元包括诱晶分离区、诱晶接触沉淀区，所述诱晶接触沉淀区为设有向上坡度的锥体结构，在诱晶接触沉淀区下部装填石英砂层晶核构成诱晶接触区，排沙管设于诱晶接触沉淀区体外、通过阀门控制结晶产物排放，在诱晶分离区上部设有出水管，诱晶接触沉淀区底部连接有进水管，进水管上设有变压水泵及流量计，加药系统的加药管与诱晶接触区连接；

利用诱导结晶沉淀系统的诱导结晶软化工艺排渣周期的优化方法，具体包括以下步骤：

步骤1)计算晶核线性增长速率；

步骤2)计算诱晶颗粒孔隙率；

步骤3)结晶颗粒绝对密实体积的求导计算；

步骤4)计算诱晶颗粒绝对密实体积的等体积球体半径；

步骤5)达成诱晶软化池排渣限定性条件；

步骤6)计算诱晶软化池排渣周期T；

所述步骤1)通过以下步骤得到：

1)碳酸钙诱导结晶过程用两阶段成长模型描述，即溶质扩散和晶核表面反应；钙离子通过静电作用运动到诱晶颗粒表面，之后在颗粒表面聚集、成长，形成规则的晶格结构；通常颗粒粒径随时间的变化速率，即称为颗粒的线性增长速率，可用计算式表示：

式中：G为颗粒粒径随时间的变化速率即颗粒的线性增长速率，m/h；L为t时刻颗粒的粒径，m；t为颗粒的成长时间，h；

2)颗粒粒径线性增长速率与过饱和度(S)、颗粒粒径(d)、入水流速(SV)有关，颗粒线性增长速率的经验模型为：

式中：L₀为诱晶材料的初始填料粒径，m；S_V 为反应器底部入水流速，m/h；S为碳酸钙的过饱和度；K_g是颗粒的线性增长速率常数,与进水水质、温度等因素有关，可通过实验计算求得；m，n，j为常数；

m，n，j通过探究诱晶材料颗粒粒径变化与填料粒径L、入水流速S_V 、过饱和度S的线性关系来确定，通过控制单一变量，即可根据实验测得诱晶材料在不同填料粒径、入水流速、过饱和度下的颗粒粒径增长，从而确定m，n，j；

根据m、n、j，结合式公式(1)和公式(2)即可求出诱晶材料的线性增长速率常数K_g，进而得到诱晶颗粒的粒径增长速率模型；

所述步骤2)通过以下步骤得到：

假设两个颗粒外表面的距离恒定，为2d，颗粒半径为r，则孔隙率ε表示为：

化简得：

根据结晶颗粒的初始粒径L₀及孔隙率ε₀即可求得两个颗粒外表面的距离2d；

所述步骤3)通过以下步骤得到：

根据诱晶沉淀池的各设计参数，可求得软化池非运行状态下结晶颗粒的体积，计算公式如下：

根据四棱台体积计算公式即可得诱晶颗粒在非运行状态下的体积为：

将公式(5)和公式(6)代入公式(7)，既得：

式中：为软化池非运行状态下砂层下底面面积，m²；S_砂为软化池非运行状态下砂层上表面面积，m²；为诱晶颗粒在非运行状态下的体积，m³；为软化池非运行状态下砂层厚度，m；为砂层下底面边长，m；根据孔隙率的一般计算公式

可得

式中：为诱晶颗粒的绝对密实体积，m³；

所述步骤4)通过以下步骤得到：

将诱晶颗粒视作等体积的球体，则

式中：为与诱晶颗粒等体积球体的体积，m³；为与诱晶颗粒等体积球体半径，m；

则诱晶颗粒等体积球体的直径为

式中：为诱晶颗粒等体积球体的直径，m；

假设沿密实球体直径均匀分布n个诱晶颗粒，则

式中：L₀为初始单个诱晶颗粒粒径；

所述步骤5)通过以下步骤得到：

当诱晶软化池稳定运行时的初始时刻，诱晶颗粒将处于流化状态，悬浮于上升水流中，砂层厚度增大为H_膨；将砂层增厚的相对比率，称为该诱晶软化池诱晶颗粒的膨胀率：

式中：e为砂层的膨胀率；H_砂为初始时刻未运行时的砂层厚度，m；H_膨为稳定运行时砂层的膨胀高度，m；

该工艺通过变压泵控制诱晶颗粒的膨胀率不变，即

e₀＝e_排#(15)

式中：e₀为诱晶软化池初始时刻砂层膨胀率；e_排为诱晶软化池排渣时刻砂层膨胀率；

由公式(14)、公式(15)可得

则

H′_膨＝(e+1)H′_砂#(17)

式中：H′_砂为某时刻软化池未运行状态下的砂层厚度，m；H′_膨为某时刻软化池稳定运行状态下砂层的膨胀高度，m；

给定诱晶颗粒膨胀高度的一限制高度H_排，随着碳酸钙在诱晶颗粒表面结晶不断增多，诱晶颗粒粒径逐渐增大，稳定运行时，诱晶颗粒的膨胀高度H′_膨也逐渐升高；当达成如下条件时，进行排渣：

H′_膨＝(e+1)H′_砂＝H_排#(18)

式中：H_排为诱晶颗粒膨胀高度的一限制高度，m；

则

所述步骤6)通过以下步骤得到：

由公式(13)可得

按照各计算步骤，将式(19)代入式(8)、式(10)、式(11)、式(12)可分别求出T时刻诱晶颗粒在非运行状态下的体积V′_砂，m³；T时刻诱晶颗粒的绝对密实体积V′_实，m³；T时刻与诱晶颗粒等体积球体的体积V′_球，m³；T时刻诱晶颗粒等体积球体的直径L′_球,m；

由公式(10)和公式(12)可得

则

式中：G为颗粒粒径随时间的变化速率即颗粒的线性增长速率，m/h；T为排渣周期，h；L₀为诱晶材料的初始填料粒径，m；V_砂为初始时刻诱晶颗粒在非运行状态下的体积，m³；ε₀为初始时刻诱晶颗粒的孔隙率；H_排为诱晶颗粒膨胀高度的一限制高度，m；e为砂层的膨胀率，固定值；L_底为砂层下底面边长，m；2d为两个颗粒外表面的距离，固定值，m；

根据式(23)及初始投加填料的相关参数，即可求得排渣周期T；

排渣后，诱晶软化池内部需要从外部补充一部分晶种，如此循环，从而达到诱晶软化池内部的一种相对动态平衡。