臭氧洗菜机去除农药残留效果的分析计算与CFD模拟

高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集编号:B-100001某型臭氧洗菜机去除农药残留效果的分析计算与数值模拟袁瀚，梅宁中国海洋大学工程学院，青岛，266100联系电话：[phone]，E-mail:[e-mail]摘要：本文分析了某型以空气为原料的臭氧发生器产生的臭氧化空气的溶解度与扩散系数，建立了臭氧气泡在搅拌槽中反应扩散的数学物理模型，并推导了臭氧在单相反应物参与下的化学反应中的吸收率。通过选取代表性化合物，估算了工作时间内臭氧的具体吸收量。计算结果表明，此种以空气为原料的臭氧发生器生产的臭氧浓度较低，无法取得降解农药的预期目标。同时，应用FLUENT对臭氧洗菜机的流场采用多相流模型进行了CFD模拟，分析了进气口的设计缺陷。关键词：臭氧发生器；扩散系数；FLUENT；多相流1.引言臭氧洗菜机的工作原理为通过臭氧对蔬菜表面的残留农药的氧化，实现去除农药的目的。然而，臭氧洗菜机采用的臭氧发生器以空气为原料，产生的气体为臭氧化空气。影响臭氧的氧化反应的因素有很多，其中臭氧浓度的影响尤为关键，同时，气体能否充分混合也对氧化反应的效果有着十分重要的影响。Wilke-chang方程给出了液体溶剂中低浓度溶质的扩散系数经验公式[1],E.W,Thiele则对伴有均相化学反应的二元系统中化学反应和扩散的相对影响程度做了研究[2]。文献[3]研究了下降液膜中气体的吸收扩散的质量传递渗透模型。R.Higbie对上升气泡的吸收过程进行了分析[4]。本文通过对气泡附近液膜的建模分析，计算了工作时间内臭氧洗菜机臭氧的产生量与反应消耗量。同时，应用FLUENT对臭氧洗菜机的流场进行了CFD模拟，分析了气相的分布规律。2.臭氧溶解度的计算根据亨利定律，即在一定温度下，任何气体溶解于已知液体中的质量，将与该气体作用在液体上的分压成正比，而亨利常数的大小只是温度的函数，与浓度无关。由于臭氧在水中的溶解度符合亨利定律C=Phk式中C—臭氧在水中的溶解度，mg/L；P—臭氧化空气中臭氧的分压，kPa；－亨利常数，mg/（L·kPa）。hk从式C=P知，由于实际生产中采用的是臭氧化空气，其臭氧的分压很小，故臭氧的溶解度远远小于纯臭氧气体的数据。hk以空气为原料的臭氧发生器生产的臭氧化空气，臭氧只占0.6％～1.2％（体积）。根据分压定律知，臭氧的分压也只有臭氧化空气压力的0.6％～1.2％。在1atm下，水温为20℃时，P为0.6079kPa～1.2159kPa.查表可知，=3.81mg/（L·kPa）。hk根据C=P可得，将这种臭氧化空气加入水中，hk臭氧化空气中臭氧的溶解度C为（0.723～1.447）410−×mol/L，即(2.3～4.6)mg/L。3.扩散系数的计算ABD对于很稀的非电解质溶液（溶质Ａ＋溶剂Ｂ），其扩散系数常用Wilke-Chang公式估算：150.6()7.410TBABAMTDV−φ=×μABD－溶质Ａ在溶剂Ｂ中的扩散系数，；2/ms－溶液的温度，Ｋ；T－溶剂Ｂ的粘度，μmPas⋅；BM－溶剂Ｂ的摩尔质量，；/kgkmolφ－溶剂的缔合参数；AV－溶质A在正常沸点下的分子体积，3/cmmol其中，由正常沸点下的液体密度来计算。可采用Tyn-Calus方法估算：，为物质的临界体积（属于基本物性），单位为。AV1.0480.285cVV=cV3/cmmol取T=293K，P=1.01325Pa,查表可得，5eμ=1.0050Pa·s，310−×φ=2.6，cV=88.9带入数值，计算，可得：ABD=2.01×10-9m2/s.4.臭氧在流场中的化学反应消耗计算由于臭氧在有化学反应时的吸收过程比较复杂，加之无法确定氧化过程中为何种化学反应，无法做到精确的定量分析。但可以通过建立相对简单的模型来进行半定量分析。在推出近似公式后，可以根据实际将反应简化为某一种具体的化学反应，以得到估算值。4.1吸收速率的推导建立物理模型，假设如下：1.气泡随水流运动上升，假定气泡周围与气泡相互传质的水流为层流运动。2.气泡外包有一层静止的液膜，厚度为δ，且远小于气泡直径。3.气泡形成后，液膜内很快建立起拟定常态的浓度侧形。4.静止液膜之外液体的主体浓度为，并且其随时间变化很慢，可以认为是一常数。0AC建立数学模型，如图1所示：zzz+Δ图1数学模型对于通过z向的质量通量，有以下公式：(AAzABAABzxNcDxNN)z∂=−++∂………①AzN表示复合通量；AABxcDz∂∂为分子通量；(AABz)xNN+代表对流通量；对于厚度为的液体，根据质量守恒，zΔ'''zz10AzAzzANSNSkC+Δ−−=；'''1k—臭氧的一级化学解离速率常数；S—液体的横截面积；'''1Akc—单位时间单位面积内臭氧消耗的摩尔数；对上式除以，并取，得：SzΔ0zΔ→'''10AzAdNkCdz+=…………………………………………②由于混合气体中臭氧的浓度很低，①式中对流通量(AABz)xNN+可以忽略，①式变为：AAzABxNcDz∂=−∂………………………………………………③联立②③两方程，得到：2'''120AABAdCDkCdz−=…………………………………………④边界条件如下：在处，0z=0AACC=；在zδ=处，AACCδ=;在此边界条件下，解式④，得：0()AAcshchBchshcshφφξφφξφ+−=……………………⑤式中，/zξδ=；0/AABCCδ=;'''21ABkDφδ=;利用假定4，并令A在zδ=处通过流场总气泡面积而进入液相的量，等于A在液相中由于化学反应所消耗的量，得到如下式子：'''1AABzdCSDVkCdzδ=−=AB……………………………⑥联立⑤与⑥，可得B的表达式：1(/)BchVSshφδφφ=+……………………………………⑦由边界条件，0z=0AACC=，得：(/AzABANDdCd=−)z……………………………………⑧联立⑤⑦⑧，可以得到伴有化学反应的总的吸收率：001[](/)AzzAABNNchCDshchVSshδφφφφδφ∪===−+φ其中，φ='''21/ABkDδ'''1k—臭氧的一级化学解离速率常数；V—参与化学反应的液相体积；φ—席勒模数，表示化学反应速率和扩散速率的影响关系；S—所有气泡的表面积总和；4.2公式的分析简化：/VSδ=224442DHDHDrrnHrππδδ⋅⋅==∑∑δ⋅D—圆柱形流场的直径；H—圆柱形流场的高度；n—流场中某一瞬时所有气泡的数量；r—气泡的平均半径；根据假设①，δ为远小于的数值，而r取1.5r310−×m；根据实际，对于入口，为5×5的点阵，每个孔的半径为=1mm,kr343Vnrπ=，；yVvs=⋅；2ksrπ=；得，。31.3310n=×n的数量级为，故可估计出，310/VSδ为一无穷大值。故方程可以简化为：Ncshhφφφ∪==2211eeφφφ+−由此式可以看出，若0φ≈，则0N∪≈，即化学反应很慢时，吸收速率接近为零。随着φ的不断增加，的值也会随之不断增加。N∪又有，若令0AzzN==AfN,则有：0AfAABNNCDδ∪=;得：0AABAfCDNNδ∪=⋅20211AABCDeeφφφδ+=⋅−……………⑨4.3臭氧的吸收量计算4.3.1公式的推导计算每秒臭氧气泡通过流体的吸收量，有如下公式：AAfnNF=⋅t⋅…………………………………………⑩其中，=F24nrπ⋅ik×；t=H/yv；343Vnrπ=，；yVvs=⋅；2ksrπ=；ik=230.006～230.012；An—在通过流场过程中臭氧被吸收的摩尔数；AfN—臭氧的吸收率；；F—臭氧的当量表面积；t—单个气泡通过流场的时间；kr—气体入口每个气孔的半径；ik—当量系数；联立方程组⑨⑩，得到：260kAiArnkHrπ=⋅fN取H=80，mm1.5rmm=，=1；krmm代入数值，得：An=4(3.3210−×～45.2710)AfN−×⋅；4.3.2对特殊反应物的定量分析对硝基苯胺是一种重要的染料、农药、医药中间体。以对硝基苯胺为残留农药的样本进行计算。根据资料数据，臭氧氧化对硝基苯胺的化学解离速率常数为：'''1k=6111.5510(/)molLs−−−×⋅1取液膜厚度δ=0.5mm将与'''1kδ的值代入φ='''21/ABkDδ，求得：φ=1.4；410×2/molms⋅AfN=5.6；610−×2/molms⋅计算臭氧的氧化消耗率，将AfN的值代入公式，有：An=2.24；910−×/mols在设计工作时间18内，臭氧的氧化消耗为：minN==2.4；Ant×610−×mol根据资料，降解1mol的对硝基苯胺需要4mol臭氧，而对硝基苯胺的最大残留量不应超过3，设计洗菜质量为0.7kg,/mgkg故理论上降解农药所需的臭氧量为：N理论=40.0030.74132.18mM×=⋅mol=6.35410−×mol；由此可以看出，在设计工作时间内，该臭氧机供给的臭氧中用于氧化反应的臭氧量远远小于臭氧降解农药所需的摩尔数（相差两个数量级）。NN理论计算18内实际通过流体的的摩尔数：min3O220ykVvrπ=⋅jk××t；mVnV=；ik=0.6％～1.2％；代入数值，解得：（0.51～1.01）；n=310mol−×由此排除了臭氧供给总量不足导致降解能力不足的原因。5浓度对吸收率的影响分析臭氧的吸收率由以下两式联立求得：AfN20211AABCDeeφφφδ+=⋅−260kAirnkHrπ=⋅AfN通过分析，可知：0AC与越大，则吸收率越高。臭氧的浓度影响与的值，提高臭氧的浓度，可以提高臭氧的吸收率。ik0ACik6CFD模拟6.1建立流场模型使用Gambit建立洗菜机模型，如图2所示；壁面设置如图3与图4所示，图3中红色部分为设置的压力出口，蓝色和白色网格为外壁和内壁，图4所示为速度入口。图2图3图46.2边界条件的设定与模拟结果选择Fluent中的稳态非耦合求解器进行数值模拟，并对气液两相流使用Mixture模型（混合模型）进行计算。湍流模型设置为标准kε−模型。入口设置为速度入口，出口设置为压力出口。具体参数设置见本文第4节。使用MRF模型（动参考系模型）来模拟流场内部的流动，将气—液两相中的液相定义为旋转工质，并定义内壁面与液相的相对速度为零。运算收敛后，导出气相体积分数迹线图，如图5。图56.3模拟结果分析分析图5可以看出，由于入口设置在流场的一侧，气体的分布趋势为主要集中在流场边缘，流场中心气体分布很少。这会导致混合不充分。7结论⑴虽然臭氧供给总量达到要求，但由于以空气为原料的臭氧发生器生产的臭氧浓度较低，无法取得降解农药的预期目标。提高臭氧的浓度，可以提高臭氧的吸收率。⑵臭氧洗菜机的进气口位置设计的不合理也会导致气液混合不充分，影响了臭氧的吸收。参考文献[1]C.R.WilkeandP.Chang,AIChEJournal,1,264-270(1955)[2]E.W,Thiele,Ind.Eng.Chem.,31,916-920(1939)[3]S.Lynn,JR.Straatemeier,andH.Krammers,Chem.Engr.Sci.,4,49-67(1955)[4]戴干策.传递现象.北京:化学工业出版社,2004.PP.502-505CalculationandnumericalsimulationonpesticidedegradationofvegetablewashingmachineYuanHan,MeiNing(OceanUniversityofChina,Qingdao266100)Abstract:Aspecialtypeofair-basedozonegeneratorisanalyzed,boththesolubilityanddiffusecoefficientarecalculated.Amathmodelforthereactionanddiffuseofozonebladderinthe