專利名稱：反應池絮凝體分形控制方法
技術領域：
本發明涉及一種化工、水處理領域物系絮凝過程動力學的控制方法。
背景技術：
傳統控制方式一直沿用Camp和Stein的速度梯度理論，主要通過G、GT值來控制絮凝；前蘇聯列維奇教授從湍流微元的力學過程進行分析認為，在各向同性紊流中，存在各種尺度不等的渦流，外部施加的能量能夠造成有利渦旋，但部分控制指標是瞬時的；原哈建大王紹文教授依據對水體的渦旋研究，對顆粒絮凝動力學致因從亞微觀角度進行闡述，研究認為可以通過控制微小渦旋離心慣性效應來控制水體的絮凝動力學過程，并認為水體剪切與佛汝德處于同一量級上；日本船水尚行先生與山東建筑工程學院武道吉教授在研究中得出相同的結論，即湍流脈動可由歐拉相似準數控制，認為過度區是絮凝體形成的主要區域，其間的速度梯度是主要因素；哈爾濱工業大學何仲儀教授的課題組對反應池的顆粒碰撞進行數學分析，認為慣性作用是影響流場中顆粒碰撞的因素之一，采用Fourier頻譜分析的辦法，建立了非恒定流場中的顆粒運動方程，并建立和求解了顆粒的跟隨函數，指出影響顆粒跟隨性的主要因素是流場頻率、顆粒尺度和密度以及流體的運動粘度。其結論與傳統的球形顆粒相碰撞分析相似，認為邊界層內的流態是控制的主要對象；目前，受非歐幾里德幾何的啟發，日本學者丹保憲仁、西北建筑科技大學王曉昌教授提出逐一附著和脫水壓縮理論；清華大學蔣展鵬教授進行絮凝形態的研究，研究對象有高嶺土、凸凹棒土、聚苯乙烯乳膠，控制方式為傳統方式，該研究在理論上對不同形態膠體絮凝進行了闡述。在化工、水處理領域對混凝過程的控制與評價研究一直是重要課題。近年來，對混凝過程的動力學控制研究較多，取得了許多的成果，但均依據傳統速度梯度理論，沒有實質性的突破，控制與評價的合理性、科學性、實用性的研究較少。按照速度梯度的觀點，在不導致絮體破壞的前提下，速度梯度越大、能耗越高、混凝越充分。可是近些年來柵條、格網反應工藝出現卻表明，在時平均速度梯度為零的情況下，絮凝過程會改善，這與速度梯度理論的碰撞規律是不相符的，這是現有技術的實際應用的不足；同時，該技術依據于層流流體導出，而實際水體為紊流，因此，該技術的理論應用也存在問題。前蘇聯列維奇教授從湍流微元的力學過程進行分析，但推導的控制指標是脈動的，實際水體很難控制，因此，現有技術有明顯不足。而且目前技術反應時間控制在20～30min，能耗在0.2～0.3米。
發明內容
本發明為了解決現有技術反應時間長、能耗高的缺點，提供一種反應池絮凝體分形控制方法，它利用水處理工藝學、水力學、物理化學、信號處理、自動控制等多學科交叉，并借助在水廠和實驗室的大量實驗，對水處理、化工領域中多相物系摻混碰撞進行動力學內部、外部描述，利用數學分析給出絮凝體控制動力學指標，并采用絮凝體分形技術進行對應描述，該技術為混凝工藝設計、改造以及水處理過程控制提供依據，可以解決學術界與工程界關于混凝控制與評價的難題，在混凝研究領域有所突破與創新。本發明的反應池絮凝體分形控制方法是這樣實現的控制1×10-4≤動力學參數≤10，在確定空間流速U的條件下根據動力學參數與佛汝德數和雷諾數的函數關系，即動力學參數等于f(K)×Frm×Ren確定絮凝反應池的尺寸，其中f(K)為系數，它與熱力學參數有關，Fr為佛汝德數，Re為雷諾數，m、n為指數；將工藝水樣流入絮凝反應池，工藝水樣在絮凝反應池中進行絮凝沉降，采用圖像法測定絮凝體的二維分形數Df。本發明采用多學科交叉，對混凝過程進行多方面描述，明確絮凝過程控制因素為流動空間、擾流構件、熱力學參數、水體特性等主要因素，其中流動空間指水體的流動約束空間，包括長、寬、高，用空間流速U(m/s)、空間尺度L(m)、高寬比(H/B)、過流斷面(B×H)來描述流動空間；擾流構件指絮凝設備，該設備對絮凝的控制、分形的控制非常關鍵，用流速αU(α系數)、能耗h(U2/2g)、設備形狀β來描述擾流構件；熱力學參數和水體特性用以描述水體內部和外部特征，用溫度T(℃)、粘度μ來描述熱力學參數和水體特性。控制的結果用絮凝體分形維數來描述，采用圖像法測定絮凝體的二維分形數，即通過攝像技術，對水中的絮凝體進行放大拍攝，測得絮凝體的投影面積(A)，周長(C)，以公式A∝CDf計算絮凝體的二維分形數(Df)。通過相關分析和量綱分析確定混凝控制的動力學指標是f(K).Frm.Ren，其中f(K)為系數，描述熱力學參數和水體特性；Fr佛汝德數，慣性力與重力之比；Re雷諾數，慣性力與粘滯力之比；m、n為指數，Df分形維數。利用上述控制參數使混凝過程的控制具有全面性、科學性。本發明通過水力學、物理化學、膠體化學、工程學等多學科交叉，通過數學分析與工程驗證，從根本上解決了混凝的動力學致因問題，在理論上較傳統控制技術有重大突破。本技術以大量前期研究成果和對國內外相關研究成果的充分調研與分析作為立論依據保證了課題的科學性和前沿性。由于本發明從根本上解決了混凝的動力學致因問題，因此在理論上有重大突破；本方法采用多學科交叉，對混凝過程進行多方面描述，確定混凝控制的動力學指標是f(K).Frm.Ren，利用分形維數控制使混凝過程的控制指標與評價體系具有全面性、科學性，因此，本發明可以為水廠設計、運行提供規范，具有廣闊的應用前景，應用該技術可使反應時間控制在4～7min，能耗在0.15～0.20米，較傳統工藝節省占地50～70％。
圖1為具體實施方式
二的工作原理圖。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式是這樣實現的控制1×10-4≤動力學參數≤10，在確定空間流速U的條件下根據動力學參數與佛汝德數和雷諾數的函數關系，即動力學參數等于f(K)×Frm×Ren確定絮凝反應池的尺寸，其中f(K)為系數，Fr為佛汝德數，Re為雷諾數，m、n為指數；將工藝水樣流入絮凝反應池，工藝水樣在絮凝反應池中進行絮凝沉降，采用圖像法測定絮凝體的二維分形數Df。所述1≤m≤2，0.5≤n≤1；所述采用圖像法測定絮凝體的二維分形數的方法為通過攝像方法對水中的絮凝體進行放大拍攝，測得絮凝體的投影面積A和周長C，利用絮凝體的投影面積A與周長C的函數關系即A＝kCDf來計算絮凝體的二維分形數Df；所述Df為1≤Df≤2。
具體實施方式
二參見圖1，本實施方式是這樣實現的(1)第一級動力學參數控制為0.1～10，通道速度U1＝10～15cm/s，停留時間T1＝2～3min，水頭損失h1＝0.10cm，分形維數Df＝1.1～1.3。
(2)第二級動力學參數控制為0.01～0.1，通道速度U2＝7～10cm/s，停留時間T2＝2～3min，水頭損失h2＝0.5cm，分形維數Df＝1.3～1.5。
(3)第三級動力學參數控制為0.001～0.01，通道速度U3＝5～7cm/s，停留時間T3＝3～5min，水頭損失h3＝0.5cm，分形維數Df＝1.5～1.8。
(4)過度段動力學參數控制為0.0001～0.001，流動速度U4＝3～5cm/s，水頭損失h4＝0.05cm，分形維數Df＝1.8～1.95。
權利要求
1.反應池絮凝體分形控制方法，其特征在于它是這樣實現的控制1×10-4≤動力學參數≤10，在確定空間流速U的條件下根據動力學參數與佛汝德數和雷諾數的函數關系，即動力學參數等于f(K)×Frm×Ren確定絮凝反應池的尺寸，其中f(K)為系數，Fr為佛汝德數，Re為雷諾數，m、n為指數；將工藝水樣流入絮凝反應池，工藝水樣在絮凝反應池中進行絮凝沉降，采用圖像法測定絮凝體的二維分形數Df。
2.根據權利要求1所述的反應池絮凝體分形控制方法，其特征在于1≤m≤2，0.5≤n≤1。
3.根據權利要求1所述的反應池絮凝體分形控制方法，其特征在于采用圖像法測定絮凝體的二維分形數的方法為通過攝像方法對水中的絮凝體進行放大拍攝，測得絮凝體的投影面積A和周長C，利用絮凝體的投影面積A與周長C的函數關系即A＝kCDf來計算絮凝體的二維分形數Df。
4.根據權利要求1或3所述的反應池絮凝體分形控制方法，其特征在于所述Df為1≤Df≤2。
全文摘要
反應池絮凝體分形控制方法，它涉及一種化工、水處理領域物系絮凝過程動力學的控制方法。本發明是這樣實現的控制1×10
文檔編號C02F1/52GK1629081SQ20041004393
公開日2005年6月22日 申請日期2004年10月13日 優先權日2004年10月13日
發明者赫俊國 申請人:赫俊國