倒傘形曝氣機有限元分析及優(yōu)化設計

倒傘形曝氣機有限元分析及優(yōu)化設計,傘形,曝氣機,有限元分析,優(yōu)化,設計 組裝的多相生物反應器在實驗室示范:研究氧氣在活性污泥的轉(zhuǎn)化效率 摘要：一個凸顯經(jīng)濟因素的簡單的實驗裝置已經(jīng)裝配在真正重要的化學工程問題。研究了多相反應器是一種活性污泥反應器。目的是提升學生對多相反應器的理解,氧化廢水、固體細菌群體所蘊含有機質(zhì)和氮基板,在這種類型的反應堆可轉(zhuǎn)換為人類所需要的氧氣。氣體彌散的一個因素的重要性在操作性能和本,reactorIn覆蓋每個多相工作在這里,學生確定這一因素的影響,在裝配在考慮能源消耗(經(jīng)濟成本)的類型取決于使用都和操作條件下曝氣器對于一個給定的曝氣器提出了一個理論模型,從而使得該解釋結(jié)果基于如下假設,即氣體吸收和生物化學反應的限制措施。適合做這試驗數(shù)據(jù)的參數(shù)模型,并進行了比較,得到了允許每個類型的曝氣器的行為,同時也提供一個理解的過程。 簡介：多相反應器的類型包括漿,滴流床、生物反應器,在這些系統(tǒng)中,反應氣體與液體或氣體的階段發(fā)生在一個固體催化劑表面或表面的細菌組被稱為生物絮狀沉淀。多相反應器在兩個或者更多的階段是很有必要的,可以進行反應。 活性污泥工藝(ASP)是一個典型的例子,對這類系統(tǒng),它是最主要的生物過程發(fā)生在二次廢水處理方法。在這個過程中,微生物氧化有機碳氮(nonoxidized生化需氧量)和總氮)基體中包含Kjeldahl廢水和用能量獲得過程中形成新的微生物。同每一個多相反應器,在ASP組件之間轉(zhuǎn)移(氧轉(zhuǎn)移)注入氣泡(空氣)和固相(生物flocs)是至關重要的一個因素。因此,這個參數(shù),極大地影響了工藝性能和運行費用[1],而且目前其最大化是一個研究領域的主要興趣。ASP是一個必須的過程中使用的多相反應器的研究gas-component因為受控條件下(氧氣)的消耗速度是常數(shù)和數(shù)學程序,用于描述的過程中,能夠簡化。如前所述,活性污泥可以使用氧氣氧化氮有機質(zhì)或nonoxidized,包括死的微生物。這個過程叫做“內(nèi)源呼吸。由于微生物濃度的污泥是非常高的,它可以被認定在轉(zhuǎn)化率是不變的，這個事實意味著,當沒有特殊的渠道，氧速率也不變。 氧氣供給反應堆和散布到液體使用的曝氣設備。通常使用三種曝氣步驟: 1) 機械表面充氣器。這些系統(tǒng)使用葉片的表面,攪拌反應器和分散空氣進入液體階段、生產(chǎn)表層和次表層的湍流(圖1)。 2） 曝氣系統(tǒng)。這些增氧機使用注射系統(tǒng)內(nèi)的空氣壓縮機的粗、細氣泡的形式(氧氣或空氣)在液體表面。這些多孔泡沫是獲得使用穿孔管及其他類似的系統(tǒng)(圖2)。 3） 噴射充氣器。這些系統(tǒng)結(jié)合空氣擴散與液體抽送。泵站系統(tǒng)使混合相(廢水生物flocs)+通過噴嘴總成。吸(或)空氣壓縮機介紹空氣進入系統(tǒng)(圖3)。 實驗 該系統(tǒng)由一個多批曝氣生物反應器的混合和不同的元素,這是一起使用的各種測量裝置。實驗的建立是顯示在圖4。 這個生物反應器由一個圓柱形罐做成的40-cm HDPE(30-cm直徑及高度),這是充滿了活性污泥。這酒可以獲得(游離）從任何污水處理廠?？蛇M行試驗研究兩小時左右的時間運用一種活性污泥濃度(以總懸浮固體物)的距離接近3000毫克/升。的濃度污水處理廠活性污泥中典型的范圍很廣,從1000 ~ 5000毫克/升)的總懸浮固體物。因為這個原因,污泥用于組裝可能需要被稀釋(與廢水處理)或濃了沉淀及清除的澄清區(qū))終于到達預期的濃度。此外,flocs蘊含活性污泥很快安頓,為了維護中微生物的懸架,同時減少大氣中的氧轉(zhuǎn)移反應器表面,水下的離心泵泵頭0.6米,最大流量:400 L / h)作為一種攪拌器。 三種表面曝氣器檢驗裝配 一個controlled-speed模擬曝氣器(300到3000股時每分鐘轉(zhuǎn)速)攪拌 (HEINDOLPH 2000年)。得到了該風口增氧機,是通過將一 漁業(yè)壓縮機(最大壓力:1.2米的水;最大流量:2.5 L /分鐘在標準條件下),一套管和 2-mm閥(直徑)和一些擴壓器的石頭上。在模擬射流曝氣器使用液下泵連接到一根管子。 圖一 表面曝氣器的增氧原理 圖二 擴壓曝氣器的增氧原理 兩個測量裝置是用來獲取實驗數(shù)據(jù)進行了分析。一個氧儀表用于測量溶解氧濃度(黃色),并包括一個爆炸YS52功率計,這是一種電學為測量裝置能耗,詳細描述這個裝置,隨著總是提出了一種支持指令物質(zhì)作為一個微PowerPoint文件。 圖三 噴流曝氣器的增氧原理 圖四 葉片的實驗裝置 理論依據(jù) 一般來說,反應進行多相流反應器包括幾個步驟。例如,在泥漿反應器在多相流動反應器(反應物氣體發(fā)泡通過溶液含固體催化劑顆粒)的存在五個步驟[2]: 五個步驟[2]: 1。從氣體階段吸附進入液體的泡沫表面。 2。液相擴散的從泡面大部分的液體。 3。從散裝液體擴散的外部表面固體催化劑。 4。內(nèi)部擴散反應物多孔催化劑。 5。在多孔催化劑內(nèi)部的反應。 每一步都可能被認為是反應整體速率一個阻力的的速度,所以,每一步都應該被人知道的為了模型反應器。多相反應器一個數(shù)學模型通常都相當復雜,因此要制造一個困難的一種實用的多相反應器實驗室。所示的介紹中,一種很好的選擇用于學術用途是考慮多相生物反應器。這些系統(tǒng)還相當類似,除了漿反應器固體顆粒是由微生物而不是固體催化劑顆粒。在多相生物反應,可能很危險認為,在外部物質(zhì)的傳輸?shù)难?和對固體表面工件不重要,因為flocs(微生物)的濃度非常高。 此外,內(nèi)部物質(zhì)的傳輸效果是可以忽略不計的，因為反應主要在液體表面。 根據(jù)Henze孫俐。[3]、控制中的關鍵環(huán)節(jié)活性污泥工藝是氧氣吸收進入的速度液相色譜與生化反應速率。為了氧氣吸收的過程模型率(資產(chǎn)),(t) 證明用于表達: 表一:實驗進度 實驗型曝氣器的操作條件 1 表面曝氣器轉(zhuǎn)速:1300每分鐘轉(zhuǎn)速 2 表面曝氣器轉(zhuǎn)速:800每分鐘轉(zhuǎn)速 3 曝氣增氧機粗氣泡。最大空氣流動速度 4 曝氣增氧機細氣泡。最大空氣流動速度 在這個方程式中,傳遞系數(shù)質(zhì)量和價值取決于類型的曝氣器和上了過程操作條件下,濃度在實驗的條件是氧飽和度(這個因素取決于進行濃度的污泥,介質(zhì)的鹽度、溫度、壓力等)。在這個參數(shù)實驗的價值是假定常數(shù)。這生化反應速率可以獲得(eq 2)加快耗氧速率由于微生物(內(nèi)源性衰變過程)基板的氧化率 考慮到這一事實,正如前文所述,兩者都做外部和內(nèi)部質(zhì)是可以忽略不計,整體 對一批質(zhì)量平衡混合生物反應器可發(fā)展為3中顯示的情商。 在這樣的情形不是更多外部基質(zhì)這個詞可以假設為零。此外,由于內(nèi)源性衰變率也可以假定固定的時間區(qū)間應用(3至4小時),它可以假定數(shù)值的是不變的。因此,eq 3即可簡化的eq 4。 該方程用于描述動態(tài)的變化研究了溶氧濃度的時候肖蘭的性能。當整個曝氣器是不工作,氧氣吸收速率接近于零,因為是從大氣中最小量是通過混合系統(tǒng),其效果是考慮的術語 這術語 將氧傳質(zhì)。一個用一個類似的意義參數(shù)(盡管學生更容易理解)是標準的氧化能力(SOC),其定義是由eq6。 這個參數(shù),給出了最大氧轉(zhuǎn)移率(gO2 / s)為給定類型的曝氣器和操作條件。系統(tǒng)的效率是由一種曝氣器eq 7,在W是電源消耗(在瓦)。 操作規(guī)程 第一部分。測定微生物的呼吸率。 把油箱灌滿與活性污泥(這很容易獲得任何城市污水廠)。打開壓縮機和保持直到氧曝氣飽和度是取得了(7到8毫克/升)。關掉壓縮機混合使用和維護的液泵。氧氣濃度會降低到零。(在進行測量時間間隔1分鐘)的溶解氧的隨時間變化,直到要么是濃度為1至2毫克/升)達到或者最大實驗時間已被用完,但10分鐘。這些數(shù)據(jù)將后來的研究中使用該系統(tǒng)。 第二部分。測定不同充氣機的效率。 在這一階段的效率,不同充氣機在不同的條件下,進行了研究。關掉任何曝氣混合系統(tǒng)和維護使用液下泵。允許系統(tǒng)達到氧濃度約為6毫克/升。開關充氣機(之一的操作條件其中顯示于表格1)和測量氧氣在濃度隨時間變化的時間間隔(5秒),直到穩(wěn)態(tài)條件表達式。測量功率的消耗。這些數(shù)據(jù)應該被保存以供將來使用。重復這個過程為每個曝氣器系統(tǒng)。我們建議實驗時間表表1規(guī)定的數(shù)值被執(zhí)行。 注意安全！活性污泥法可以包含一些病原微生物;因此,我們建議使用乳液或其他塑料手套,避免衛(wèi)生問題。污泥用于會眾可以被處理的實驗室中沉沒。這些按照建議預防措施提出了建議以水環(huán)境聯(lián)合會杯[4],一個著名的作家,作品在國內(nèi)外廢水處理領域的權威。不過,我們已經(jīng)用了四年與這個大會超過100名學生,并且在這段經(jīng)歷,我們也沒有有經(jīng)驗的任何問題。 實驗計算 效率確定每種類型的曝氣器和操作條件的影響。計算是使用微軟Excel軟件進行試算表(如果在7.0支撐材料)。詳細描述的使用這個電子表格的試驗計算也是提供的證明材料(微軟PowerPoint文件) 在本質(zhì)上,計算過程包括評估參數(shù)的質(zhì)量平衡(微分eqs 4及5)擬合實驗實測得到的裝配這些方程式。利用微分方程進行了求解歐拉一階連續(xù)屬性離散化方法(見附件), 表2。實驗數(shù)據(jù)得到的實驗(立即給予例子)。第1部分:測定微生物的呼吸率 表3。實驗數(shù)據(jù)得到的實驗(立即給予例子)。第二部分:測定的Aerator1效率 圖5。模擬實驗與溶解氧數(shù)學擬合濃度之前。給出了實驗數(shù)據(jù) 表2。猜測值的rend-dec用于仿真是?0.001毫克/升s。 該算法是很容易實現(xiàn)在一個工作表。一個最小二乘回歸方法是用于調(diào)整價值參數(shù)。在該方法中,誤差的平方之和(社經(jīng)地位,)功能(eq 8),仿真和實驗進行了比較價值觀的溶解氧濃度、最小量是通過改變參數(shù)/ s調(diào)整一下。 作為一個例子,表2和3顯示一些實驗數(shù)據(jù)在實驗室獲得一個先前的實驗。 圖6。實驗與modeleled溶解氧concentration.數(shù)學擬合后。給出了實驗數(shù)據(jù) 表2。計算值rend-dec 0.000714毫克/升)是?s。 在從數(shù)據(jù)中可以計算出在表2(哪個對應于第1部分的操作程序)和均衡5。在要實現(xiàn)這一計算,學生必須設一個初始任意值（一個值接近0.001 是)使用了優(yōu)化算法來確定的正確的價值(后?計算的值0.000714毫克/升)得到?s)。5和6顯示數(shù)據(jù)實驗結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)隨時間變化,兩者之前之后,也就是由社經(jīng)地位的最小化。它可以被觀察到模型是非常敏感的,因為大這個參數(shù)當使用差異可以觀察到一個錯誤的值的 此外可以看出,正確的使用價值導致兩組數(shù)據(jù)匹配偉大的搜索性能,提出了一種情況,表明了適用性假設所用的模型中所描述的理論基礎部分。 為了確定的值和為每個曝氣器系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)來自于表3(對應于那些在第二部分獲得的操作程序)、eq4,獲得的價值學生必須使用這必須值和系統(tǒng)的曝氣器 (價值觀的0.01 s1和8毫克/升)是代表兩個),使用的參數(shù),分別優(yōu)化求解算法確定正確的價值觀(后這兩個參數(shù)應用該算法,0.0144 s值1和?6.85毫克/升)獲得隨訪, 和分別)。數(shù)字第7和第8代表將實驗結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)隨時間,兩者分別之前和之后的() 應用的優(yōu)化步驟。它可以被觀察到模型是非常敏感的參數(shù)值,所述以上時,使用正確的價值取向?qū)γ總€參數(shù)提供了一個準確的數(shù)據(jù)匹配。再一次地,這個論證了該模型的適用性假設中所討論的理論基礎部分。 圖7 .模擬實驗和數(shù)學擬合溶氧concentration.之前。給出了實驗數(shù)據(jù)見表3。猜測用于仿真是0.01毫克/升)的s。猜測用于仿真:8毫克/升 圖8 模擬實驗和數(shù)學擬合后的溶解氧濃度。計算的值是0.0144 mg/L s. ，計算的值是6.85 mg/L. 各種類型增氧機 圖9 .曝氣器的效率在不同的系統(tǒng)使用的實驗裝置。 一旦形參的值,計算了該增氧機、價值SOC和運用eqs可以計算出第6和第7條。 本程序為每個曝氣器必須重復直到數(shù)學處理的數(shù)據(jù)是完整的獲得的價值必須相似為所有的實驗都不管增氧機使用的類型。圖9所示為例,所得結(jié)果對不同曝氣器系統(tǒng)用于我們的實驗裝置。 結(jié)論 在這里我們描述了一個簡單的裝置,研究了天然氣的色散對影響生物反應器的性能,已被多相聚集在我們的機構。學生的理解來解釋多相反應器,以前的課堂教學中,增加是因為這些簡單的實驗。學生的目標是評價哪一個是最有效的在中控室內(nèi)把氧氣運送到系統(tǒng)。為了實現(xiàn)這個目標,學生必須監(jiān)督溶解氧隨時間,合適的結(jié)果數(shù)據(jù)到一個報道的數(shù)學模型。分析的結(jié)果數(shù)據(jù)將允許的確定價值的效率(定義為標準的氧化能力每瓦特的功率消耗)的每一曝氣器系統(tǒng)。 術語 溶解氧濃度在時間t。 氧飽和濃度 質(zhì)量傳遞系數(shù) 氧氣吸收速度 凈生化反應速率 由于微生物耗氧速率的死亡 由于耗氧速率的氧化作用的基體上。 總和平方誤差。 氧化能力標準 V 反應器容量 W 能量功耗 曝氣器系統(tǒng)的效率 附錄 eqs進行了分析計算的目的,3號和4號必須由歐拉方程離散一階的方法。因此,鑑別術語轉(zhuǎn)化如下 3號和4號,以便eqs被轉(zhuǎn)換成eqs 10號機和11號機 該遞歸方程可以很容易地輸入一個表格(見支持材料);因此,學生可以解決的的微分方程,采用這種方法。為了盡量減少數(shù)學錯誤,整合步驟(Δt)必須非常小。我們通常推薦值設為1,s。使用此值的誤差很小給代表的成果,為系統(tǒng)行為。 1. Rodrigo, M. A.; Seco, A.; Ferrer, J.; Penya-Roja, J. M.; Valverde, J. L. Nonlinear Control of an Activated Sludge Aeration Process: Use of Fuzzy Techniques for Tuning PID Controllers. ISA Transactions, 1999, 38, 231?241 2. Fogler, H.S. Elements of Chemical Reactor Engineering, 2nd ed.; Prentice-Hall: New Jersey, 1992. 3. Henze, M.; Gujer, W.; Mino, T.; Matsuo, T.; Marais G. Activated Sludge Model no2; IAWQ Scientific and Technical Report no3; IAWQ: London, 1995; ISSN 1025-0913. 4. Water Environmental Federation. Operation of Municipal Wastewater Treatment Plants. Manual of Practice No. 11, Fifth edition; Alexandria, VA, 1996 15