CN111533236A - 一种臭氧氧化dmf废水反应器及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种臭氧氧化DMF废水反应器及其设计方法，所述废水反应器为喷射循环反应器，包括反应腔和设置于反应腔内的喷射反应器，反应腔的直径、高的确定基于喷射反应器的喷嘴横截面积、下降管横截面积、下降管长度、废水的处理量、废水中DMF的去除率、DMF浓度、双氧水浓度和臭氧浓度等确定。本发明为高效臭氧反应器的设计提供精准指导，且操作简便。

Description

一种臭氧氧化DMF废水反应器及其设计方法
技术领域
本发明属于废水处理领域，具体涉及一种臭氧氧化DMF废水反应器及其设计方法。
背景技术
双氧水协同臭氧氧化技术作为处理难降解有机废水高级氧化技术之一，因为其具有氧化性强、无二次污染等优势，在工业废水处理领域引起了广泛关注。虽然催化臭氧氧化技术对众多工业废水有较好的处理效果，但仍存在如下问题：由于目前工业臭氧发生器产生的臭氧浓度低且臭氧在水中溶解度低，导致气液传质效率低；因为反应速率慢，不能及时参与反应的臭氧会分解或逸出水面，造成臭氧无效损耗多。这些问题导致该技术运行成本高，进而限制其在实际工程的广泛应用。为了解决上述臭氧传质效率低、无效损耗多的问题，国内外学者从外加物理场强化、反应器结构优化等方面开展研究。喷射反应器是一种重要的多相反应强化设备，可有效强化传质、加快反应速率，近年来在多个领域得到应用。
在臭氧反应器设计过程中，反应器结构参数直接影响废水处理效果、停留时间、设备的投资运行成本等。目前的臭氧反应器设计，基本上都是依据相关手册规范中的经验参数和公式进行，具有使用简捷、方便等优点。但是，依据经验参数和公式设计的臭氧反应器存在一些不足之处，如设计参数的规范较宽，相对保守。大量的研究工程实例表明，仅仅根据经验参数和公式设计有时无法实现反应器的优化设计。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明通过液相中臭氧浓度参数，关联传质模型与臭氧氧化反应的动力学，构建双氧水协同臭氧氧化DMF废水停留时间与喷射反应器结构参数的数学关系，综合反应特性和反应器设计，将微观过程和反应器的强化传递过程结合起来，实现反应器的精确设计与操作，提高反应效能，降低能耗物耗，优化臭氧氧化反应器。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种臭氧氧化DMF废水反应器，所述废水反应器为喷射循环反应器，包括反应腔和设置于反应腔内的喷射反应器，所述反应腔的直径、高与所述喷射反应器的喷嘴横截面积、下降管横截面积、下降管长度满足：
Figure BDA0002482761010000021
Figure BDA0002482761010000022
其中，β为常数，其范围为0.5～1.0，
Figure BDA0002482761010000023
为常数，其范围为4～8，k为反应速率常数，m、n、o为反应指数，Cs为稳态下水中臭氧饱和浓度，θ为常数，取值范围为6.0×10-4<θ<9.5×10-4，dN为喷嘴直径，dM为混合管直径，CDMF为废水中DMF的浓度，CH2O2为双氧水浓度，
Figure BDA0002482761010000024
为水中臭氧浓度的微分；Q为单位时间内DMF废水处理量；τ为废水中DMF的目标去除率；
ε为能量耗散率，满足：
Figure BDA0002482761010000025
其中，uj为喷射速度，ρL为液体密度，AN为喷嘴横截面积，ADC为下降管横截面积，QG和QL分别为气体体积流速和液体体积流速，L为下降管长度；
m值为1或2，当CDMF大于1000mg/L时，n为0，当CDMF时n值为0～1000mg/L时，n为0.5～1，o值的范围为0～1。
优选的，当Q≤10t/h时，β值为0.5～0.6；当Q≥20t/h时，β值为0.8～1.0；当10t/h<Q<20t/h时，β值为0.6～0.8。
优选的，当Q≤10t/h，
Figure BDA0002482761010000026
值为6～8，当Q>10t/h时，
Figure BDA0002482761010000027
值为4～6。
优选的，τ为1。τ为1即为100％，此时所设计出的反应器能够实现最大限度的DMF的去除。
本发明还提供上述废水反应器的设计方法，包括如下步骤：
步骤1：确定单位时间的废水处理量Q，废水中DMF的浓度CDMF，臭氧浓度CO3和双氧水浓度CH2O2以及DMF的目标去除率；
步骤2：基于双氧水协同臭氧氧化DMF废水反应动力学模型推出废水中臭氧浓度与反应速率的关系式为：
Figure BDA0002482761010000028
其中rA为反应速率；
步骤3：由废水中的臭氧浓度导出体积传质系数kLa满足：
Figure BDA0002482761010000031
其中，CO3为瞬时水中臭氧浓度；
步骤4：建立所述废水反应器的结构参数与kLa的数学关系式为：
Figure BDA0002482761010000032
其中ε数学表达式为：
Figure BDA0002482761010000033
步骤5：根据反应器直径d和反应器高h的数学表达式：
Figure BDA0002482761010000034
Figure BDA0002482761010000035
由式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)推导出所述废水反应器的结构参数：
Figure BDA0002482761010000036
Figure BDA0002482761010000037
双氧水协同臭氧氧化DMF废水反应式如下：
O3+C(CH3)2NH2+H2O2+OH-→H2O+CO2+NO3 -。
所述的反应器高h优选为0.5m～9.5m。
本发明的优点为将反应条件的优化选择与反应器的设计结合来，有助于反应器的精确设计与操作，提高反应效能，降低能耗物耗，且操作简便。
附图说明
图1为本发明所述臭氧氧化DMF废水反应器的设计方法的流程图。
图2为本发明所述臭氧氧化DMF废水反应器的结构示意图。
其中1为反应器主体，2为喷射器，3为混合管，4为扩散管，5为循环泵。
具体实施方式
实施例1
设计一种臭氧氧化DMF废水反应器，废水的处理量Q为10t/h，进水DMF浓度CDMF为1100mg/L，臭氧浓度CO3为80mg/L，双氧水浓度CH2O2为56.6mg/L，进水DMF目标去除率为50％。
数学模型按照以下方法构建：
1)臭氧浓度(cO3)与反应速率(rA)关系式为：
Figure BDA0002482761010000041
2)臭氧浓度的数学表达式为：
Figure BDA0002482761010000042
3)反应器结构参数与kLa的数学关系式为：
Figure BDA0002482761010000043
由上述公式推导出反应器的直径d与高h的表达式：
Figure BDA0002482761010000044
Figure BDA0002482761010000045
其中ε数学表达式为：
Figure BDA0002482761010000046
当DMF浓度大于1000mg/L时，β为0.5，
Figure BDA0002482761010000048
为7.4，m取1，o取1，θ取9.5×10-4，反应器的直径d与高h，如下所示：
Figure BDA0002482761010000047
Figure BDA0002482761010000051
根据液比QG/QL范围为15％～25％，可优化出反应器的结构参数。
根据上述方法得到的反应器的高为8.2米，反应直径1.1米喷射器的混合管直径为0.15米。按照上述方法设计的反应器，处理待处理的DMF废水，出水的DMF去除率维持在50～55％，设计余量不超过10％。传统臭氧氧化DMF废水反应器设计往往通过实验、查阅设计手册、经验估算，步骤繁琐，且设计余量通常为30％。本发明提供的一种臭氧氧化DMF废水反应器的设计方法不仅操作简单，且精准有效，能节约设备投资成本。
实施例2
设计一种臭氧氧化DMF废水反应器，废水的处理量Q为15t/h，进水DMF浓度CDMF为100mg/L，臭氧浓度CO3为50mg/L，双氧水浓度CH2O2为35.4mg/L，进水DMF目标去除率为90％。
β为0.75，
Figure BDA0002482761010000052
为5.7，m取2，n取1，o取0，θ取6.5×10-4，反应器的直径d与高h，如下所示：
Figure BDA0002482761010000053
Figure BDA0002482761010000054
根据液比QG/QL范围为15％～25％。
根据上述方法得到的反应器的高为8.5米，反应直径1.4米喷射器的混合管直径为0.25米。
按照上述方法设计的反应器，处理待处理的DMF废水，出水的DMF去除率维持在90～95％，设计余量不超过5％。传统臭氧氧化DMF废水反应器设计往往通过实验、查阅设计手册、经验估算，步骤繁琐，且设计余量通常为30％。本发明提供的一种臭氧氧化DMF废水反应器的设计方法不仅操作简单，且精准有效，能节约设备投资成本。
实施例3
设计一种臭氧氧化DMF废水反应器，废水的处理量Q为20t/h，进水DMF浓度CDMF为500mg/L，臭氧浓度CO3为60mg/L，双氧水浓度CH2O2为42.5mg/L，进水DMF去除率为80％。
β为0.9，
Figure BDA0002482761010000061
为5.3，m取2，n取0.7，o取0.8，θ取8.0×10-4，反应器的直径d与高h，如下所示：
Figure BDA0002482761010000062
Figure BDA0002482761010000063
根据液比QG/QL范围为15％～25％，进一步可优化出反应器的结构参数。
根据上述方法得到的反应器的高为9.0米，反应直径1.7米，喷射器的混合管直径为0.32米。
按照上述方法设计的反应器，处理待处理的DMF废水出水的DMF去除率维持在80～85％，设计余量不超过5％。传统臭氧氧化DMF废水反应器设计往往通过实验、查阅设计手册、经验估算，步骤繁琐，且设计余量通常为30％。本发明提供的一种臭氧氧化DMF废水反应器的设计方法不仅操作简单，且精准有效，能节约设备投资成本。

Claims (6)

1.一种臭氧氧化DMF废水反应器，其特征在于，所述废水反应器为喷射循环反应器，包括反应腔和设置于反应腔内的喷射反应器，所述反应腔的直径、高与所述喷射反应器的喷嘴横截面积、下降管横截面积、下降管长度满足：
Figure FDA0002482757000000011
Figure FDA0002482757000000012
其中，β为常数，其范围为0.5～1.0，
Figure FDA0002482757000000013
为常数，其范围为4～8，k为反应速率常数，m、n、o为反应指数，Cs为稳态下水中臭氧饱和浓度，θ为常数，取值范围为6.0×10-4<θ<9.5×10-4，dN为喷嘴直径，dM为混合管直径，CDMF为废水中DMF的浓度，CH2O2为双氧水浓度，
Figure FDA0002482757000000014
为水中臭氧浓度的微分；Q为单位时间内DMF废水处理量；τ为废水中DMF的目标去除率；
ε为能量耗散率，满足：
Figure FDA0002482757000000015
其中，uj为喷射速度，ρL为液体密度，AN为喷嘴横截面积，ADC为下降管横截面积，QG和QL分别为气体体积流速和液体体积流速，L为下降管长度；
m值为1或2，当CDMF大于1000mg/L时，n为0，当CDMF时n值为0～1000mg/L时，n为0.5～1，o值的范围为0～1。
2.根据权利要求1所述的臭氧氧化DMF废水反应器，其特征在于，当Q≤10t/h时，β值为0.5～0.6；当Q≥20t/h时，β值为0.8～1.0；当10t/h<Q<20t/h时，β值为0.6～0.8。
3.根据权利要求1所述的臭氧氧化DMF废水反应器，其特征在于，当Q≤10t/h，
Figure FDA0002482757000000017
值为6～8，当Q>10t/h时，
Figure FDA0002482757000000016
值为4～6。
4.根据权利要求1所述的臭氧氧化DMF废水反应器，其特征在于，τ为1。
5.根据权利要求1所述的臭氧氧化DMF废水反应器，其特征在于，所述的反应器高h为0.5m～9.5m。
6.一种臭氧氧化DMF废水反应器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：确定单位时间的废水处理量Q，废水中DMF的浓度CDMF，臭氧浓度CO3和双氧水浓度CH2O2以及DMF的目标去除率；
步骤2：基于双氧水协同臭氧氧化DMF废水反应动力学模型推出废水中臭氧浓度与反应速率的关系式为：
Figure FDA0002482757000000021
其中rA为反应速率；
步骤3：由废水中的臭氧浓度导出体积传质系数kLa满足：
Figure FDA0002482757000000022
其中，CO3为瞬时水中臭氧浓度；
步骤4：建立所述废水反应器的结构参数与kLa的数学关系式为：
Figure FDA0002482757000000023
其中ε数学表达式为：
Figure FDA0002482757000000024
步骤5：根据反应器直径d和反应器高h的数学表达式：
Figure FDA0002482757000000025
Figure FDA0002482757000000026
由式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)推导出所述废水反应器的结构参数：
Figure FDA0002482757000000027
Figure FDA0002482757000000028
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