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水处理厂选用COMSOL优化臭氧消毒过程

作者:Simwe    来源:中仿科技    发布时间:2011-07-07    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

   荷兰阿姆斯特丹水处理厂(AWS)应用环保的臭氧消毒方法生产世界上最洁净的水。由于每年需要生产十亿立方米的净水,所以他们使用的湍流消毒装置十分巨大。荷兰AWS的研究人员Jan Hofman和他的研究团队使用COMSOL Multiphysics对这些巨大的装置内部的反应情况进行数值模拟。这款软件的特点是能够同时处理相互影响、耦合的多重物理现象,并且耦合问题的数目没有限制。COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件,广泛应用于各个领域的科学研究以及工程计算,被当今世界科学家称为“第一款真正的任意多物理场直接耦合分析软件”。COMSOL Multiphysics提供针对不同领域专门设计的应用模块,包括:声学、化学工程、地球科学、高频电磁、低频电磁、传热、微系统和结构力学等。

    在AWS,臭氧反应是最主要的消毒步骤。常规的氯气消毒方法会产生有害的副产品:一种包含有三卤甲烷,卤乙酸和绿泥石的化学混合物。水处理厂需要采取一系列的监控和净化措施来处理这些混合物,从而产生了一个新问题,水体经过氯气净化后是否变得更加糟糕。当采用臭氧气体进行消毒时,臭氧能够将有害的有机物质和致病生物如病毒,细菌和农药等转换成可以被后续步骤过滤掉的良性物质。目前,需要处理大量水体时,臭氧消毒被认为是最环保的可行方法。一个臭氧分子(O3)是由一个氧气分子和一个氧原子通过化学键相连组成的。由于臭氧分子的化学结构不稳定,很容易分解出一个与污染物产生化学反应的氧原子。由于氧原子会迅速变为氧气,所以那些没参与消毒过程的臭氧也会很快消失。采用COMSOL Multiphysics对这个问题进行模拟可以很容易的避免或是补救臭氧反应后产生的副产品,臬酸盐

    AWS将来自莱茵河的河水转化为饮用水,并将其提供给阿姆斯特丹市和附近区域的近八十万居民。莱茵河发源于瑞士的米的莱茵瓦尔德峰的冰川,最终流入北海。沿途密集的城镇,开阔区域和大农场产生的许多废物都流进了河水。

 

 

 

 

 

    AWS的水体净化过程包括十四个步骤,这些步骤可以进一步提炼为三个主要步骤。第一步是通过沉降去除固体杂质,并且在阿姆斯特丹的沙丘上设置额外的人造沙粒过滤器。第二步是处理水中的各种微小污染物。主要采用湍流臭氧消毒装置,水体软化和活性炭过滤器。在最后一步中,水体将通过一系列的精细过滤器,最后进入客户家中。

 

 

    应用臭氧消毒方法后,AWS的水处理效率有了很大提高。因为经过臭氧处理过的水体变得十分纯净,完全不需要再用氯气处理。事实上去年AWS就因为提供最高质量的饮用水而获得了荷兰的荣誉。

 

 

    在Leiduin的方案中,AWS布置了五个互相平行的湍流臭氧装置。水体经过前面几个过滤步骤后流入前端系统(图3)。在这个系统中,水体经由管道流向各湍流装置。在装置内部,水体在绕流部分墙体或挡板后,会产生湍流。湍流使水体和臭氧混合在一起,流入扩散器中。扩散器的长度刚好能使微小的污染物失去活性。然后水体通过管道流出反应堆,剩下的净化步骤能够过滤或移除水体中剩余的污染物。

 

 

 

 

 

    当湍流臭氧装置开始工作后,观察其内部情况是不可能的。所以直到最近,AWS的工程师都在采用分散测量的方法推测其运转情况。他们用流量计和简单的浓度计收集流场数据,还用时间示踪剂考察从入口到出口的途中水体的流淌时间。Hofman博士和他的团队应用COMSOL Multiphysics中的湍流模型和化学传输和反应模型模拟缝隙之间的水体反应过程。Hofman博士表示,“COMSOL Multiphysics易于理解和应用,我们没花多少时间就可以应用这款软件建模以及展开合作。”

 

 

    一旦数值模拟得到的数据和试验数据吻合,工作团队就可以通过反复修改和求解数值模型与试验模型,以便找出新的方案来提高装置及前端连接装置组装在一起的性能。正如Hofman博士所说的:“对装置和前端连接系统组成的装配体建立数值模型为我们节省了大量的金钱和时间。因为我们可以在计算机上测试我们的想法,而不必浪费人力和物力去反复试验。除此以外,当我们向政府报告时,这些数值模拟的结果也将起很好到作用。

 

 

    AWS中的湍流装置十分巨大,大小和一幢房屋相当。它是一个巨大的混凝土结构,里面的挡板将整个空间划分为多个房间大小的部分。图1所示的装置有四十米长,五米高,并且被其中的挡板划分为七个不同宽度的部分。经过过滤的河水流进装置,绕挡板流动,最后通过管道流出装置。

 

 

    在装置中,一个流量计横跨第四个U形弯道,并在第五个挡板和装置外壁之间的位置进行采样。对于这个模型的流体部分,Hofman博士采用了COMSOL Multiphysics中的k-epsilon 湍流模块。为了快速得到准确的解,他使用了系数求解器,并获得了越来越好的初始压力和初始流场。模拟结果显示,装置中部狭窄通道内的流速与0.17每秒这个用流量计在真实装置中测出的值十分接近。(图4)。

 

 

 

 

    为了考察装置工作时内部流体的运动状态,研究团队采用示踪试验。他们在入口位置注入荧光物质,并且跟踪这些荧光物质直到它们通过出口。Hofman博士表示“这些荧光物质作为示踪剂效果很好,因为它们和流体一起运动并且不会和臭氧反应。我们在现有的COMSOL Multiphysics模型中添加对流扩散模块,应用这个模块模拟了示踪剂的运动。最后应用积分工具,得到了每一时刻出口处的平均浓度,结果表明数值模拟得出的浓度同实际测量出的浓度吻合。”他进一步解释道:“因为数值模拟得出的结果同实验结果十分吻合,所以我们可以应用它来重新设计装置,并且在流场中得到更好的一致性。”

 

 

    在Hofman博士和他的团队建立的模型中,得到精确的流场对于臭氧扩散器的研究至关重要(图5)。他解释说:“在了解水体在装置中流淌的时间以及流向后,我们就可以更好的设置消毒装置和扩散器,这样可以保证污染物与臭氧接触的时间适当,并且不会因为接触时间过长从而产生溴酸盐 COMSOL Multiphysics以高效的计算性能和杰出的分析能力保证了多物理场耦合计算的精度,能够满足Hofman博士及其团队的要求。

 

 

 

 

 

 

    在开始建立一系列复杂的反应链前,研究人员首先以COMSOL Multiphysics模型库中的例子——“湍流臭氧装置”为基础,建立了一个简单的反应链。这个反应链是一个相对简单的设计,即对溴化物和臭氧的反应进行模拟。Hofman博士表示,“在我们开始研究真实装置中臭氧的反应过程时,这样一个相对简单的反应可能会带给我们灵感。在COMSOL Multiphysics中打开和修改模型非常简单。我们应用这个模型研究如何排列挡板及设置扩散器可以限制臬酸盐的产生。现在我们通过改变模型的外观来模拟真实的装置几何形状。”Hofman博士继续说道:“应用COMSOL Multiphysics用户能够快速建立并计算流体运动模型,并且在理解臭氧装置内部反应过程,优化现有装置,还有设计新的装置等方面都能证明其巨大价值。”

    在进一步研究中,研究团队将泡状流加入到这个模型中。在真实反应中,臭氧像一股气泡那样完全分解进入水体中,表明扩散器附近实际上是臭氧气体和水组成的二相流。Hofman博士解释道:“在现有模型中加入二相湍流能够使我们了解臭氧气泡扰乱流场的情况,并且确定气泡的分解是否影响了臭氧和水体间的化学反应。”

    最后为了研究其他净化步骤,包括一个水软化过程,他的团队将现有模型扩展到了3DHofman博士解释道:“当开始建立真实反应装置的模型时,我们将重点放在2D模拟上。但是当较早的初始值涉及到3D湍流模型时,我们必须在模型中加入z方向。”

 
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