管式涡旋絮凝反应器的设计与测试研究

管式涡旋絮凝反应器的设计与测试研究*

高秋玉 吴鑫 贾寅鹏 冯颖

（沈阳化工大学能源与动力工程学院，辽宁，沈阳，110142）

摘 要：根据絮凝原理和涡旋运动理论设计制造了管式涡旋絮凝反应器，利用无干扰激光测量系统PLIF和PIV对其内部的浓度场和流场状况进行了测量。结果表明，设置挡板可有效的促进反应器内流体的混合；在各类挡板的作用下，流体在反应器内形成连续的涡旋，且沿径向或轴向的任意两个相邻涡旋的旋向相反， 交错分布。

关键词 絮凝 反应器 涡旋 流场特性

中图分类号：X051.7 文献标识码：A

Design and Testing of Tube Type Vortex Flocculation Reactor

Gao Qiu-yu Wu Xin Jia Yin-peng Feng Ying

(School of energy and power engineering, Shenyang University of

chemical technology, Shenyang 110142)

Abstract: A new type of tube vortex flocculation reactor was designed and manufactured based on the flocculation theory and vortex theory. Concentration field and flow conditions in the reactor were measured using no interference laser measurement system. It was indicated by the results that the baffles could effectively promote the fluid mixing in the reactor and the fluid formed a continuous vortex movement under the effect of all kinds of baffles. Any two adjacent vortexes along the radial or axial rotated in opposite direction and staggered distribution.

Keywords: flocculation reactor vortex flow field characteristics

絮凝是污水净化等固液分离操作中重要的预处理环节。目前对絮凝技术的研究一方面侧重开发新型、高效、安全的絮凝剂，另一方面需要在絮凝反应器结构方面进行深入的探讨。不同结构的絮凝反应器可以提供不同的水力条件，从而影响颗粒之间的相互碰撞，微絮体的

形成和成长及较大絮体的沉降分离等，进而对絮凝的效率和效果起决定性的作用[1]。絮凝反应器依其获得所需能量方式的不同可分为两大类，一类是以机械加注能量的机械搅拌式；一类是以消耗自身水头为能源的水力式[2]。机械搅拌式反应器具有能耗低、效率高，水头损失小等优点，但是需要旋转机械设备和经常维修，密封要求高。目前我国采用的絮凝设备多为设计比较简单的水力混合式，如隔板反应器、折板反应器、网格反应器、旋流反应器和涡流反应器等，相关研究已有很多报道[3~6]。利用流体力学中的涡旋运动理论设计的涡旋絮凝反应器是一种新型的水力式反应器结构，关于絮凝过程中涡旋理论的研究已取得了相当的进展[7、8]，但实际应用较少，且对于此类絮凝反应器内部流场特性的分析鲜有报道。本文根据絮凝基本理论和涡旋运动理论设计了一种新型的管式涡旋絮凝反应器，并利用先进的激光测量技术对其内部流场状况进行测量。

1 絮凝反应器的设计

1.1 设计原理

根据絮凝动力学原理，结合流体力学的涡旋运动理论和反应器原理，设计了一种新型管式涡旋絮凝反应器，依据的设计原则为：（1）反应器要为絮凝反应提供适宜的水力条件。由絮凝基本理论可知，絮凝过程包括药剂与原液的混合、絮体形成、絮体成长及絮体沉降等几个阶段，与各阶段相对应的水力条件也各不相同。在混合阶段，药剂要迅速而均匀的扩散到原液中，因此要求在短时间内进行激烈紊动。在絮体形成和生长阶段，要求水流紊动程度逐渐减弱，停留时间延长，但也应该存在一定的速度梯度以创造足够的碰撞机会和良好的吸附条件，使微小絮体形成和成长。在沉降阶段，要求水流平稳均匀流动，避免对成熟絮体的扰动和破坏。根据上述原理，本文设计的反应器由内管、外管和外筒三部分套合而成，液体流经这三部分的速度比值为1∶0.5∶0.25，平均流速成倍递减，符合絮凝理论的要求。（2）在絮凝反应器中加设多级的、能量输入率递减的扰流构件。由涡旋理论可知，在反应器中造成涡旋，有利于液体中小颗粒的碰撞吸附，强化亚微观传质，促进絮体的形成和成长。本文设计的反应器在内管及内外管之间分别设置由圆形挡片和环形挡板组成的扰流组件，将流动空间

分成若干腔室，在腔室中形成涡旋，以强化絮凝过程。

1.2 反应器结构及参数

反应器各部分均由有机玻璃制成，分为内管、外管和外筒三个主要部分，结构如图1所示。其中，内管直径70mm，外管直径120mm，外筒截面为150mmx350mm的矩形，反应器高度500mm。内管和外管挡板组件也是有机玻璃制成，内管挡板组件由进口圆形挡片、孔板、圆形挡板和环形挡板组合而成，圆形挡片直径为30mm，环形挡片内径为30mm，外圆与内管相切。圆形挡片与环形挡板以30mm的等间距排列，构成组合腔室。外管组件由大、小两种环形挡板交错排成而成，间距为50mm。液体由反应器底部的进液口进入，在Ⅰ混合区实现两种流体的快速、充分混合，之后进入Ⅱ絮体形成区，发生压缩双电层、吸附架桥等化学反应，生成微絮体。在接下来的Ⅲ絮体成长区，微絮体之间相互碰撞吸附，形成较大絮团。絮团在Ⅳ沉降区内，依靠重力沉降，在上部出液口得到澄清的溢流液。 6

Ⅳ5

3

4

3

2

1

1进液口 2内管 3内管挡板 4外管 5外管挡板 6外筒 7出液口 8溢流堰

Ⅰ混合区 Ⅱ絮体形成区 Ⅲ絮体生长区 Ⅳ絮体沉降区

图1 管式涡旋混凝反应器结构图