药剂反应器混合效果影响因素模拟实验*

中海石油（中国）有限公司天津分公司

反应器作为污水处理中提高药剂效果的重要设备，在工业污水处理中有着广泛的应用[1-2]，其类型通常为连续操作的带搅拌的釜式反应器（CSTR）。为优化反应器的设计和污水与药剂在反应器中的混合反应状态，需要对污水在反应器中的流动状况进行系统分析。流体的停留时间分布（RTD）可以有效反映流体在设备中的混合和流动状态，对于设备的运行工况分析、设计等具有指导作用。因此，通过测定停留时间分布来分析反应器内的流动和混合状态具有重要意义。

目前，停留时间分布研究主要集中在对各种新型设备的流动状态分析[3-6]以及通过数值模拟手段考察设备的停留时间分布[7-9]上，传统的CSTR设备的停留时间分布近年来研究较少。前期的研究主要集中在实验室规模的搅拌釜[10-12]以及多釜串联的教学实验研究[13]，而且部分研究结论之间存在相互矛盾之处，如当量釜数随流量的变化规律[14-15]等。本研究以污水处理中试规模（20 L）的混合反应器为对象，考察不同操作条件下反应器内流体的停留时间分布，进而对药剂在反应器内的混合效果进行模拟分析，为现场反应器的设计、操作提供依据。

1 实验

1.1 实验装置及药剂

实验装置如图1所示。整套设备由两大部分组成，分别为反应器和示踪响应系统。反应器为带搅拌功能的平底圆柱形设备，材质为不锈钢，有效容积为20 L，配套可调电动机可以精确调节搅拌速度，配备1 台容积为300 L 的塑料储罐用于水样的配制和储存。示踪响应系统由示踪剂罐、电导仪和控制系统构成（FH-3 电导率测量装置（天津鹏翔科技）），可以实现对反应器出水电导率的连续测量和记录。

图1 实验装置Fig.1 Experimental apparatus

实验聚合物来源于油田注聚用水溶性疏水缔合聚丙烯酰胺AP-P4（四川光亚科技生产），相对分子质量1 000万，水解度19%，KCl(AR)。

1.2 实验方法

将储罐中注满待测量流体后打开调节泵向反应器装料；待液位上升到一定高度后打开电动机和计量泵，由计量泵控制流体的流量，通过液位计和调节泵的联合作用调节液位到指定数值；待流量和液位都平稳之后，打开电导仪直到基线平稳；通过控制器控制电磁开关在极短时间内向反应器中加入适量示踪剂，同时重置电导仪时间零点，然后连续检测和记录反应器出口处电导率值，直到所测电导率值重归于基线值。按照上述方法，在不同操作条件下分别进行实验测定，直至所有实验结束。

1.3 数据处理

采用示踪响应的脉冲法开展实验研究，以室温下的饱和KCl溶液为示踪剂，通过考察出口处流体的电导率随时间的变化情况来分析流体在罐中的停留时间分布，进而分析反应器的混合效果。

扣除基线数值后，溶液电导率与溶液中KCl的浓度成正比，即

当采用多釜串联模型来描述流体的停留时间分布时，用当量釜数m来衡量设备与理想全混流设备的偏离程度：m越接近1则流体流型越接近全混流，混合效果越好：反之，m越大，则流型越接近于平推流，混合效果越不好。m计算公式为[16]

2 实验结果与讨论

2.1 流量对混合效果的影响

以清水为介质，在转速为300 r/min 的条件下，分别测定了6 个不同流量条件（2.8、4.4、7.9、11.6、15.0 和18.5 L/min）下清水在反应器中的停留时间分布，其无因次停留时间分布密度函数E(θ)随时间的变化规律如图2所示。

从图2中可以看到，流量对流体在反应器内的停留时间有明显影响：流量越大，流体在反应器内停留时间越短。用流体在反应器内的平均停留时间可以较为准确地衡量这种影响，其结果见表1。当水的流量从2.8 L/min 上升到18.5 L/min 时，水在反应器内的平均停留时间从7.15 min减少到1.08 min，变化明显。该结论表明，在用药剂处理水样时，若药剂所需反应时间较长，则不适合采用较大的流量，否则会导致反应不完全，影响处理效果。反之，若药剂反应速度快，则可适当增加流量，提高设备的处理强度。

图2 流量对停留时间的影响Fig.2 Influence of flow rate on residence time

表1 流体在不同流量下停留时间分布的统计特征值(300r/min)Tab.1 Statistical characteristic values of the fluid residence time distribution at various flow rate (300 r/min)

图3所示为E(θ)随无因次时间θ的变化趋势以及与理想CSTR 停留时间分布的比较。从图3 可知，不同流量下流体的停留时间分布存在一定差别，且随着流量增大，停留时间分布与理想全混流反应器的偏差就越大，表明流量越大，反应器内的混合效果就越差。同时，流量越大，E(θ)的峰值越高，且都超过了1，表明此时反应器内存在一定的滞留区，且滞留区的大小随流量的增大而增大，造成整体混合反应效果变差。从表1中的值和m值可以看出，流量越小，m越接近于1，混合反应效果越好。因此，从药剂与水样的混合效果看，单一反应器的处理量不宜过大。

图3 流量对停留时间分布的影响Fig.3 Influence of flow rate on residence time distribution

2.2 搅拌速度对混合效果的影响

以清水为介质，在流量为18.5 L/min 的条件下，测定了不同搅拌速度下（100、200、300、400 和500 rpm）清水在反应器中的停留时间分布，考察了搅拌速度对停留时间分布的影响，并与CSTR 反应器进行了对比，其结果如图4 所示。从图中可以看到，搅拌速度越大，E(θ)曲线与全混流曲线越接近，反应器内流体混合就越均匀。同时，E(θ)曲线峰值都大于1，但随搅拌速度增大而减小，表明搅拌速度增大，反应器内滞留区的范围减小，混合情况变好。

图4 搅拌速度对停留时间分布的影响Fig.4 Influence of mixing speed on residence time distribution

表2为不同搅拌速度下水样停留时间分布的特征值，从中可以得到相同的结论：即搅拌速度越快，反应器内流体的值越大，m值越小，越接近全混流反应器。搅拌速度在300 r/min 以下时，搅拌速度增大对混合效果影响较小；当搅拌速度进一步增大时，m值呈快速下降，混合效果明显变好，这是由于处理流量的增大，反应器内水样流速加快，需要足够的搅拌强度才能形成较均匀的混合。

表2 流体在不同搅拌速度下的停留时间分布统计特性值(18.5 L/min)Tab.2 Statistical characteristic values of the fluid residence time distribution at various mixing speed(18.5 L/min)

2.3 水样黏度对混合效果的影响

分别以清水（黏度1.01 mPa·s）和聚合物水溶液（平均黏度3.55 mPa·s）为流动介质，在流量15.0 L/min、搅拌速度100 r/min 的条件下，测定不同黏度流体在反应器内的停留时间分布数值，研究黏度变化对反应器混合效果的影响。

从图5中可以看到，黏度较大的聚合物溶液的出峰时间明显晚于清水，整个E(θ)曲线表现出滞后的状态，平均停留时间较长。从表3 也可以看到，聚合物水溶液平均停留时间为1.88 min，大于清水的1.52 min。在实验初始阶段的前几秒内，聚合物溶液中基本检测不到示踪剂，表明黏度增大后，药剂不能在极短时间内混合均匀，同时罐内的滞留区可能增大，影响了反应器的混合效果。

图5 黏度对停留时间的影响Fig.5 Influence of viscosity on residence time

从图6中可以看出流体黏度对停留时间分布的影响，当流体黏度越大时，其E(θ)曲线偏离理想全混流曲线越多，表明黏度越大反应器内的混合效果越差。从表3 中当量釜数的数值变化可以看出，用聚合物水溶液时的当量釜数值明显高于清水，表明其混合状况比用清水时差。

图6 黏度对停留时间分布的影响Fig.6 Influence of viscosity on residence time distribution

表3 不同黏度水样停留时间分布的统计特性值(15.0 L/min，100 r/min)Tab.3 Statistical characteristic of the water samples residence time distribution at various viscosity(15.0 L/min，100 r/min)

3 结论

通过测定两种不同黏度水样在不同操作条件下药剂在反应器中的停留时间分布及特征参数，说明反应器的混合程度对药剂在水样中的混合效果有明显影响。

（1）处理水量对于反应器的混合效果影响明显：处理水量从18.5 L/min 减少到2.8L/min 时，当量釜数m值从1.78减少到1.16，反应器内的流型接近全混流，混合效果更好。

（2） 搅拌速度从100 r/min 提高到500 r/min时，水样在反应器中的值 从0.534 提 高 到0.850，表明流型逐渐接近全混流，混合效果变好。

（3）含聚水样由于黏度变大，反应器内滞留区变大，平均停留时间延长0.36 min，当量釜数m值增加0.30。表明处理含聚污水时应相应增加反应器搅拌速度，降低处理量，以增强混合效果。