华北理工水质工程学教案05第二章混凝2-2混凝反应动力学

课程名称：《水质工程学》第周，第5讲次摘要授课题目（章、节）2—3混凝动力学本讲目的要求及重点难点：【目的要求】【重点】【难点】内容【本讲课程的引入】【本讲课程的内容】2-3混凝动力学是研究混凝速度，与相关条件的关系的问题。1、颗粒凝聚的条件：颗粒相互碰撞（布朗运动和水紊动）颗粒相互吸附（脱稳）2、碰撞动力：（1）布朗运动：异向絮凝（Perikineticflocculation）：由布朗运动所造成的颗粒碰撞聚集。（2）同向絮凝（Orthokineticflocculation）由流体运动所造成的颗粒碰撞聚集。一、异向絮凝:1、絮凝的过程：使颗粒的数量浓度减少。而颗粒的质量浓度不变。只是许多小颗粒凝聚成少量的大颗粒。2、颗粒碰撞速率（NP）：可据FiKe（费克）定律导出。28ndDNBPNP—单位体积中的颗粒在异向絮凝中的碰撞速率，次/cm3·sn—颗粒的数量浓度，个/cm3d—颗粒的直径，cmDB—布朗运动扩散系数，cm3/sdKTDB3散系数DBdKTDB3K—波兹曼（Boltzmonn）常数,1.38×10-16g·cm2/s2·kT—绝对温度kν—水的运动粘度cm2/sρ—水的密度g·cm-3238KTnNp3、工作范围：颗粒粒径1μm(大于1μm时,布朗运动停止。)4、凝聚速度：Nf完全脱稳的颗粒，碰撞即凝聚Nf=－1/2NP二、同向絮凝：我们平常所谓的絮凝就是同向絮凝。异向絮凝作用非常的小。因为仅靠布朗运动，颗粒的聚凝速度太慢。现节段，由于絮凝理论不成熟，都是以实验为基础。混凝是在搅拌（紊流条件）下进行，而理论是层流理论。与实际有一定出入。1、层流碰撞公式：设水中颗粒为均匀球体，颗径di=dj=d以j颗粒中心为圆心，以Rij=ri+rj为半径的范围内，所有颗粒均会发生碰撞。碰撞速度N0为：GdnN32034G速度梯度：S-1zuGu；Δu—流速及相邻两流层的流速增量；Δz—垂直水流方向两流层的间距㎝。2、甘布公式：搅拌（机械搅拌、水力搅拌）环境下的碰撞公式：紊流的特点：涡旋。甘布（T.R.Camp）和斯坦（P.C.Stein）的推导。ⅰ取一隔离体Δx；Δy；Δz。隔离体受剪而扭转，在Δt时间内，转了θ角。ⅱ其角速度：tΔθ较小，可由代替则：Gzuztl1（速度梯度）Δu—扭转线速度。ⅲ转矩：ΔJΔJ=(τΔxΔy)Δzτ—ΔxΔy面上的剪切应力。ⅳ单位体积扭转所耗功率p：等于转矩ΔJ与角速度的乘积，再除以体积。单位：p—W/m3GzyxGzyxzyxJp据牛顿内摩擦定律：τ=μGμ—水的动力粘度Pa·S。∴p=μG2ⅴ、甘布公式（Camp）:pGG—速度梯度S-1当用机械搅拌时，p由搅拌机提供；当用水力絮凝池时，p为水流本身的耗能。hgpVV—水流体积V=QT；h—消耗水头；ρg=γ代入得zlⅵ、甘布公式：TghTghQTgQhGg—重力加速度：9.8m/S2h—混凝设备中的水头损失（m）ν—水的运动粘度m2/sT—水流在池中的停留时间sG—表面意义“速度梯度”。真实含意“能量消耗”。由G代入式N0=4/3n2d3G可求碰撞速度。但仍然是层流下推导的，G值可用于紊流条件下，但理论依据不足。3、列维奇（Levich）动力学方程：据科尔摩哥罗夫（Kolmogoroff）的局部各方同性紊流理论推求的。理论：在各向同性紊流中，存在各种尺度不等的涡旋。外部施加的能量（如搅拌等）造成大涡旋的形成。一些大涡旋将能量输送给小涡旋，小涡旋又将一部分能量输送给更小的涡旋（直至变成热）。随着小涡旋的产生和逐渐增多，水的粘性影响开始增强，从而产生能量损耗。大尺度涡旋的作用：其一，使流体各部分相互掺混（混合、主流传递），使颗粒均匀扩散于流体中。其二，将由外界获得的能量用于建造小涡旋和传递能量给小涡旋，（大涡旋使颗粒作整体移动，而使颗粒发生碰撞的作用不大。推动颗粒碰的主要是小涡旋）小尺度涡旋的作用：引起（建造）与颗粒尺寸相近或与碰撞半径相近的更小涡旋。众多小涡旋在流体中作无规则的脉动。可导出各向同性紊流条件下颗粒碰撞速率N0。N0=8πdDn2（1）D—扩散系数（紊流扩散和布朗扩散系数之和）。紊流中，布朗运动作用太小，忽略，所以D可近似作为紊流扩散系数。D=λμλ（2）λ—涡旋尺度；μλ—相应于λ尺度的脉动速度。在各向同性紊流中，脉动速度μλ151（3）式中：ε—单位时间，单位流体的有效能耗；ν—水的运动粘度；λ—涡旋尺度；设λ为颗粒直径λ=d全部代入（1）式得：230158ndN讨论：ε—表示对颗粒碰撞有效的微旋涡体所耗功率，很难确定。此式与N0=4/3Gn2d3（层流式）比较，仅是系数不同4/3G与比较层流紊流习惯上仍把或称作速度梯度G。158p（2）水中颗粒尺寸，大小不等，并且在混凝中不断变化（变大）。涡旋尺寸，大小不等随机变化（变小）。而公式（3）中的脉动流速，仅适用于处于“粘性区”的小涡旋，与实际不附。（3）G值：公式中G↗N0↗混凝效果好.但实际：G↗τ↗（水流剪力↗→形成对絮体的破坏↗。）絮体破碎：由絮体形状，尺寸，结构密度，破裂机理等多因素所至，更复杂，未能用数学式描述。（有统计数学模型）许多研究求最佳G值（即充分絮凝，又不至使絮体破碎的G）4、絮凝速度方程：（1）概念：絮凝过程中，水中颗粒减少，颗粒浓度n变小，但颗粒总质量不变。（2）体积浓度Φ：（单位体积水中，）设颗粒为球体36dnd36n—单位体积水中颗粒总数。（3）絮凝速度：上式代入碰撞速率公式GdnN32034得nGN80絮凝速度与碰撞速度的关系：设只要碰撞便发生聚合。碰撞一次两颗粒减少一个（减少1/2或－0.5倍）絮凝速度=－0.5碰撞速度絮凝速度：nGdtdN40絮凝速度与颗粒浓度一次方成正比，属于一级反应。令：4K则：KGndtdN05、反应器的停留时间t：（反应时间）（1）CMB型反应器：（完全混合间歇式反应器）实验用。（P246表14—4）表中：eCCkt0ln1k=-KG反应器：nnKGt0ln1（2）PF型应器：（推流型反应器）表中：iktCCln10反应器：nnKGt0ln1（3）CSTR型反应器：（完全混合连续式反应器）（如机械搅拌）表中：110iCCkt反应器：110nnKGt当采用m个絮凝池串联时，由P245式（14-41）nnktCC110可得：1110mmnnKGtt—单个絮凝池的停留时间。nm—第m个絮凝池出水颗粒数量浓度。总絮凝时间T：T=mt例题：设已知k=5.14×10－5，G=30－s。经过絮凝后，要求水中颗粒浓度减少3/4，即n0/nm=4，按理想反应器计算所需时间。解：（1）PF型：40mnn或40nnnnkGt0ln1min1589914ln301014.515st（2）CSTR型：110nnkGtmin32194614ln301014.515st（3）4个CSTR型串联：snntmmo26914301014.5141511T=4t=4×269=1076s=18min比较:PF(推流型)反应器效果最好；单个CSTR型(机械)絮凝池效果不好；采用四个CSTR串联效果与PF接近。注：以上均是按理想反应推导的反应公式，颗粒碰撞即发生聚合，并且都是球形。实际情况并非如此。三、混凝控制指标1、混凝过程的划分：自药剂与水混合起直至大颗粒絮体形成为止的过程，工艺上总称为混凝过程。混合阶段：药剂快速地与水混合混凝过程均匀。使胶体脱稳，形成的混凝体颗粒较小。絮凝阶段：脱稳胶体絮凝。可形成毫米级絮体颗粒。2、控制指标：（1）混合阶段：时间；10～30s；不超过2min搅拌强度：G=700～1000s-1（按速度梯度计）（2）絮凝阶段：用时间T和速度梯度G的乘积颗粒由小→大由不易破碎→易破碎要求，G由大→小絮凝时：G平均=20～70s-1GT平均=1×104～1×105范围太大，有些失去控制意义。有用αCvGT作为控制的趋势Cv—水中颗粒体积浓度α—有效碰撞系数α＜1但α不易测值。原水的Cv也是变化值，不易确定。（可据混凝过程中絮凝体尺寸变化和紊流能谱分析）还有人提出用或作为控制提标代替G值。【本讲课程的小结】【本讲课程的作业】P3131P