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《北京化工大学》 2016年
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搅拌式厌氧发酵反应器的CFD模拟及应用研究

张媛  
【摘要】:厌氧发酵技术是废弃物资源化利用的核心技术之一,具有广阔的应用前景。本文以计算流体力学(CFD)为研究方法,系统研究了厌氧发酵体系物料混合过程的流体力学特征,为合理的工艺参数值选取及工业应用提供依据。本文选择玉米秸秆和牛粪的厌氧发酵体系为目标,建立了基于CFD的搅拌式厌氧发酵反应器数学模型;从物料性质、搅拌桨种类、搅拌设计参数等方面,模拟研究了搅拌混合体系的流场分布、固相浓度分布,以及发酵体系的能量产出与消耗。开展的创新性研究工作及取得的成果如下:首先,针对所研究的多相搅拌发酵反应器,建立了固(F)-固(S)-液三相CFD模型,通过速度场、矢量分布和局部颗粒浓度的对比,验证了所建CFD模型的可靠性;模拟研究了颗粒密度、颗粒直径和固体含量等因素对固相浓度分布的影响,结果表明,当颗粒密度大于液相时,固体会在反应器底部围绕釜底中心位置发生沉积;反之,则在近液面处围绕搅拌轴发生上浮积聚。颗粒的上浮和下沉现象随固体颗粒直径的增大而加剧;随着下沉颗粒S固含量由2.5%提高到10%,颗粒浓度的标准偏差变小,总体悬浮状况变好。之后,通过对所研究三相体系中RB桨、HE桨、PBU桨和PBD桨的数值模拟,研究了搅拌桨种类及其设计参数(搅拌桨直径、离底高度、叶片宽度)对流场的影响,得到了不同搅拌体系内流场的分布规律。研究结果表明,在搅拌反应器内采用不同桨型会产生不同的流场和流型:RB桨呈现典型的径流桨特征;HE、PBU和PBD在特定的几何结构配置下,出现主循环和二次循环流;搅拌桨叶直径变化直接导致釜内流场速度和流型均发生变化;搅拌桨离釜底高度变化,导致流场的排出位置随之改变:HE和PBD桨离底高度降低抑制了二次循环流,PBU桨的离底高度降低影响主循环流;叶片宽度变化直接影响流场速度分布,但流型不变。在湍流流域内,RB桨的功率准数Np最大,是PBU和PBD桨的1.6倍,HE桨的3.2倍。第三,系统研究了上述四种搅拌桨及其设计参数对固-固-液混合流场固相分布的影响,得到了上浮和下沉颗粒共存体系内固相分布规律:在搅拌桨下部反应釜的中心区域颗粒S发生沉积,颗粒F在液面附近围绕搅拌轴的中心区域发生积聚,颗粒S在流场中的混匀性优于颗粒F;轴向流动速度增大利于固体颗粒的均匀悬浮。随着搅拌转速的增加,上浮颗粒F和下沉颗粒S的悬浮均匀性提高。当转速为210 rpm时,固相F的混合优劣顺序为PBU PBD HE RB,而固相S的混合优劣顺序为PBD≈PBURBHE。在PBU搅拌体系中,根据CFD切线交汇法模拟得到上浮颗粒F和下沉颗粒S的临界悬浮转速分别为119 rpm和117 rpm,并分别推导出三相体系中下沉颗粒的临界离底悬浮转速Njs和上浮颗粒的临界下拉悬浮转速Njd的关联方程。第四,建立CFD模拟与析因分析相结合的方法,以搅拌桨直径、离底距离、桨叶宽度为设计因子,以上浮颗粒的悬浮质量σF、下沉颗粒的悬浮质量σS和能量输入MEL为响应值,经过系列化模拟研究,分别确定了四种搅拌体系中上浮颗粒与下沉颗粒悬浮质量的显著影响因子,并建立了搅拌桨设计因子与响应值间的关联方程。更加深入的模拟研究结果表明,在四种搅拌体系中,显著影响上浮颗粒/下沉颗粒悬浮质量的设计因子各自不同;而影响搅拌桨输入功率的设计因子均为桨叶直径、桨叶宽度和二者的交互作用值。对比PBD桨和RB桨的CFD模拟值与关联方程预测值,误差在1.6%~8.6%范围,关联方程可信。基于上述分析建立了耦合σF、σS和MEL三个响应值的无因次优化函数,并据此获得了四种搅拌桨体系中适合固-固-液三相体系的最优设计方案:采用PBU搅拌桨,桨叶直径、离底距离和桨叶宽度分别控制在0.1 m、0.078 m和0.04 m。最后,建立了一个适合厌氧发酵非牛顿体系的搅拌反应器数值模型,对玉米秸秆(CS)和牛粪(CM)的单一发酵体系及两者混合发酵体系的流场和能量消耗进行深入研究,提出了“净能量产出”指数概念,并获得了相应表达式。研究发现,在CS和CM单一发酵体系和二者混合发酵体系(CS+CM)反应器内流场的均匀程度为:CM CS+CM CS;本文提出的“净能量产出”指数可以用来优化发酵体系的投料比,对于连续搅拌、间歇搅拌INTER Ⅰ、间歇搅拌INTER Ⅱ三种搅拌方式的最优投料比分别为1:1,1:1和1:3。混合发酵体系的能量产出可以通过优化搅拌形式和投料比来提高。
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:X71

【参考文献】
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