藥劑反應器混合效果影響因素模擬實驗*

中海石油（中國）有限公司天津分公司

反應器作為污水處理中提高藥劑效果的重要設備，在工業污水處理中有著廣泛的應用[1-2]，其類型通常為連續操作的帶攪拌的釜式反應器（CSTR）。為優化反應器的設計和污水與藥劑在反應器中的混合反應狀態，需要對污水在反應器中的流動狀況進行系統分析。流體的停留時間分布（RTD）可以有效反映流體在設備中的混合和流動狀態，對于設備的運行工況分析、設計等具有指導作用。因此，通過測定停留時間分布來分析反應器內的流動和混合狀態具有重要意義。

目前，停留時間分布研究主要集中在對各種新型設備的流動狀態分析[3-6]以及通過數值模擬手段考察設備的停留時間分布[7-9]上，傳統的CSTR設備的停留時間分布近年來研究較少。前期的研究主要集中在實驗室規模的攪拌釜[10-12]以及多釜串聯的教學實驗研究[13]，而且部分研究結論之間存在相互矛盾之處，如當量釜數隨流量的變化規律[14-15]等。本研究以污水處理中試規模（20 L）的混合反應器為對象，考察不同操作條件下反應器內流體的停留時間分布，進而對藥劑在反應器內的混合效果進行模擬分析，為現場反應器的設計、操作提供依據。

1 實驗

1.1 實驗裝置及藥劑

實驗裝置如圖1所示。整套設備由兩大部分組成，分別為反應器和示蹤響應系統。反應器為帶攪拌功能的平底圓柱形設備，材質為不銹鋼，有效容積為20 L，配套可調電動機可以精確調節攪拌速度，配備1 臺容積為300 L 的塑料儲罐用于水樣的配制和儲存。示蹤響應系統由示蹤劑罐、電導儀和控制系統構成（FH-3 電導率測量裝置（天津鵬翔科技）），可以實現對反應器出水電導率的連續測量和記錄。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental apparatus

實驗聚合物來源于油田注聚用水溶性疏水締合聚丙烯酰胺AP-P4（四川光亞科技生產），相對分子質量1 000萬，水解度19%，KCl(AR)。

1.2 實驗方法

將儲罐中注滿待測量流體后打開調節泵向反應器裝料；待液位上升到一定高度后打開電動機和計量泵，由計量泵控制流體的流量，通過液位計和調節泵的聯合作用調節液位到指定數值；待流量和液位都平穩之后，打開電導儀直到基線平穩；通過控制器控制電磁開關在極短時間內向反應器中加入適量示蹤劑，同時重置電導儀時間零點，然后連續檢測和記錄反應器出口處電導率值，直到所測電導率值重歸于基線值。按照上述方法，在不同操作條件下分別進行實驗測定，直至所有實驗結束。

1.3 數據處理

采用示蹤響應的脈沖法開展實驗研究，以室溫下的飽和KCl溶液為示蹤劑，通過考察出口處流體的電導率隨時間的變化情況來分析流體在罐中的停留時間分布，進而分析反應器的混合效果。

扣除基線數值后，溶液電導率與溶液中KCl的濃度成正比，即

當采用多釜串聯模型來描述流體的停留時間分布時，用當量釜數m來衡量設備與理想全混流設備的偏離程度：m越接近1則流體流型越接近全混流，混合效果越好：反之，m越大，則流型越接近于平推流，混合效果越不好。m計算公式為[16]

2 實驗結果與討論

2.1 流量對混合效果的影響

以清水為介質，在轉速為300 r/min 的條件下，分別測定了6 個不同流量條件（2.8、4.4、7.9、11.6、15.0 和18.5 L/min）下清水在反應器中的停留時間分布，其無因次停留時間分布密度函數E(θ)隨時間的變化規律如圖2所示。

從圖2中可以看到，流量對流體在反應器內的停留時間有明顯影響：流量越大，流體在反應器內停留時間越短。用流體在反應器內的平均停留時間可以較為準確地衡量這種影響，其結果見表1。當水的流量從2.8 L/min 上升到18.5 L/min 時，水在反應器內的平均停留時間從7.15 min減少到1.08 min，變化明顯。該結論表明，在用藥劑處理水樣時，若藥劑所需反應時間較長，則不適合采用較大的流量，否則會導致反應不完全，影響處理效果。反之，若藥劑反應速度快，則可適當增加流量，提高設備的處理強度。

圖2 流量對停留時間的影響Fig.2 Influence of flow rate on residence time

表1 流體在不同流量下停留時間分布的統計特征值(300r/min)Tab.1 Statistical characteristic values of the fluid residence time distribution at various flow rate (300 r/min)

圖3所示為E(θ)隨無因次時間θ的變化趨勢以及與理想CSTR 停留時間分布的比較。從圖3 可知，不同流量下流體的停留時間分布存在一定差別，且隨著流量增大，停留時間分布與理想全混流反應器的偏差就越大，表明流量越大，反應器內的混合效果就越差。同時，流量越大，E(θ)的峰值越高，且都超過了1，表明此時反應器內存在一定的滯留區，且滯留區的大小隨流量的增大而增大，造成整體混合反應效果變差。從表1中的值和m值可以看出，流量越小，m越接近于1，混合反應效果越好。因此，從藥劑與水樣的混合效果看，單一反應器的處理量不宜過大。

圖3 流量對停留時間分布的影響Fig.3 Influence of flow rate on residence time distribution

2.2 攪拌速度對混合效果的影響

以清水為介質，在流量為18.5 L/min 的條件下，測定了不同攪拌速度下（100、200、300、400 和500 rpm）清水在反應器中的停留時間分布，考察了攪拌速度對停留時間分布的影響，并與CSTR 反應器進行了對比，其結果如圖4 所示。從圖中可以看到，攪拌速度越大，E(θ)曲線與全混流曲線越接近，反應器內流體混合就越均勻。同時，E(θ)曲線峰值都大于1，但隨攪拌速度增大而減小，表明攪拌速度增大，反應器內滯留區的范圍減小，混合情況變好。

圖4 攪拌速度對停留時間分布的影響Fig.4 Influence of mixing speed on residence time distribution

表2為不同攪拌速度下水樣停留時間分布的特征值，從中可以得到相同的結論：即攪拌速度越快，反應器內流體的值越大，m值越小，越接近全混流反應器。攪拌速度在300 r/min 以下時，攪拌速度增大對混合效果影響較小；當攪拌速度進一步增大時，m值呈快速下降，混合效果明顯變好，這是由于處理流量的增大，反應器內水樣流速加快，需要足夠的攪拌強度才能形成較均勻的混合。

表2 流體在不同攪拌速度下的停留時間分布統計特性值(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 水樣黏度對混合效果的影響

分別以清水（黏度1.01 mPa·s）和聚合物水溶液（平均黏度3.55 mPa·s）為流動介質，在流量15.0 L/min、攪拌速度100 r/min 的條件下，測定不同黏度流體在反應器內的停留時間分布數值，研究黏度變化對反應器混合效果的影響。

從圖5中可以看到，黏度較大的聚合物溶液的出峰時間明顯晚于清水，整個E(θ)曲線表現出滯后的狀態，平均停留時間較長。從表3 也可以看到，聚合物水溶液平均停留時間為1.88 min，大于清水的1.52 min。在實驗初始階段的前幾秒內，聚合物溶液中基本檢測不到示蹤劑，表明黏度增大后，藥劑不能在極短時間內混合均勻，同時罐內的滯留區可能增大，影響了反應器的混合效果。

圖5 黏度對停留時間的影響Fig.5 Influence of viscosity on residence time

從圖6中可以看出流體黏度對停留時間分布的影響，當流體黏度越大時，其E(θ)曲線偏離理想全混流曲線越多，表明黏度越大反應器內的混合效果越差。從表3 中當量釜數的數值變化可以看出，用聚合物水溶液時的當量釜數值明顯高于清水，表明其混合狀況比用清水時差。

圖6 黏度對停留時間分布的影響Fig.6 Influence of viscosity on residence time distribution

表3 不同黏度水樣停留時間分布的統計特性值(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 結論

通過測定兩種不同黏度水樣在不同操作條件下藥劑在反應器中的停留時間分布及特征參數，說明反應器的混合程度對藥劑在水樣中的混合效果有明顯影響。

（1）處理水量對于反應器的混合效果影響明顯：處理水量從18.5 L/min 減少到2.8L/min 時，當量釜數m值從1.78減少到1.16，反應器內的流型接近全混流，混合效果更好。

（2） 攪拌速度從100 r/min 提高到500 r/min時，水樣在反應器中的值 從0.534 提 高 到0.850，表明流型逐漸接近全混流，混合效果變好。

（3）含聚水樣由于黏度變大，反應器內滯留區變大，平均停留時間延長0.36 min，當量釜數m值增加0.30。表明處理含聚污水時應相應增加反應器攪拌速度，降低處理量，以增強混合效果。