攪拌式厭氧發(fā)酵反應器的CFD模擬研究.pdf

1、厭氧發(fā)酵技術(shù)是廢棄物資源化利用的核心技術(shù)之一，具有廣闊的應用前景。本文以計算流體力學(CFD)為研究方法，系統(tǒng)研究了厭氧發(fā)酵體系物料混合過程的流體力學特征，為合理的工藝參數(shù)值選取及工業(yè)應用提供依據(jù)。本文選擇玉米秸稈和牛糞的厭氧發(fā)酵體系為目標，建立了基于CFD的攪拌式厭氧發(fā)酵反應器數(shù)學模型;從物料性質(zhì)、攪拌槳種類、攪拌設(shè)計參數(shù)等方面，模擬研究了攪拌混合體系的流場分布、固相濃度分布，以及發(fā)酵體系的能量產(chǎn)出與消耗。開展的創(chuàng)新性研究工作及取得的

2、成果如下:
　　首先，針對所研究的多相攪拌發(fā)酵反應器，建立了固(F)-固(S)-液三相CFD模型，通過速度場、矢量分布和局部顆粒濃度的對比，驗證了所建CFD模型的可靠性;模擬研究了顆粒密度、顆粒直徑和固體含量等因素對固相濃度分布的影響，結(jié)果表明，當顆粒密度大于液相時，固體會在反應器底部圍繞釜底中心位置發(fā)生沉積;反之，則在近液面處圍繞攪拌軸發(fā)生上浮積聚。顆粒的上浮和下沉現(xiàn)象隨固體顆粒直徑的增大而加劇;隨著下沉顆粒S固含量由2.5％提

3、高到10％，顆粒濃度的標準偏差變小，總體懸浮狀況變好。
　　之后，通過對所研究三相體系中RB槳、HE槳、PBU槳和PBD槳的數(shù)值模擬，研究了攪拌槳種類及其設(shè)計參數(shù)（攪拌槳直徑、離底高度、葉片寬度）對流場的影響，得到了不同攪拌體系內(nèi)流場的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，在攪拌反應器內(nèi)采用不同槳型會產(chǎn)生不同的流場和流型:RB槳呈現(xiàn)典型的徑流槳特征;HE、PBU和PBD在特定的幾何結(jié)構(gòu)配置下，出現(xiàn)主循環(huán)和二次循環(huán)流;攪拌槳葉直徑變化直接導致釜內(nèi)

4、流場速度和流型均發(fā)生變化;攪拌槳離釜底高度變化，導致流場的排出位置隨之改變:HE和PBD槳離底高度降低抑制了二次循環(huán)流，PBU槳的離底高度降低影響主循環(huán)流;葉片寬度變化直接影響流場速度分布，但流型不變。在湍流流域內(nèi)，RB槳的功率準數(shù)Np最大，是PBU和PBD槳的1.6倍，HE槳的3.2倍。
　　第三，系統(tǒng)研究了上述四種攪拌槳及其設(shè)計參數(shù)對固-固-液混合流場固相分布的影響，得到了上浮和下沉顆粒共存體系內(nèi)固相分布規(guī)律:在攪拌槳下部反應

5、釜的中心區(qū)域顆粒S發(fā)生沉積，顆粒F在液面附近圍繞攪拌軸的中心區(qū)域發(fā)生積聚，顆粒S在流場中的混勻性優(yōu)于顆粒F;軸向流動速度增大利于固體顆粒的均勻懸浮。隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加，上浮顆粒F和下沉顆粒S的懸浮均勻性提高。當轉(zhuǎn)速為210rpm時，固相F的混合優(yōu)劣順序為PBU＞PBD＞HE＞RB，而固相S的混合優(yōu)劣順序為PBD≈PBU＞RB＞HE。在PBU攪拌體系中，根據(jù)CFD切線交匯法模擬得到上浮顆粒F和下沉顆粒S的臨界懸浮轉(zhuǎn)速分別為119rpm和1

6、17rpm，并分別推導出三相體系中下沉顆粒的臨界離底懸浮轉(zhuǎn)速Njs和上浮顆粒的臨界下拉懸浮轉(zhuǎn)速Njd的關(guān)聯(lián)方程。
　　第四，建立CFD模擬與析因分析相結(jié)合的方法，以攪拌槳直徑、離底距離、槳葉寬度為設(shè)計因子，以上浮顆粒的懸浮質(zhì)量σF、下沉顆粒的懸浮質(zhì)量σS和能量輸入MEL為響應值，經(jīng)過系列化模擬研究，分別確定了四種攪拌體系中上浮顆粒與下沉顆粒懸浮質(zhì)量的顯著影響因子，并建立了攪拌槳設(shè)計因子與響應值間的關(guān)聯(lián)方程。更加深入的模擬研究結(jié)果表

7、明，在四種攪拌體系中，顯著影響上浮顆粒/下沉顆粒懸浮質(zhì)量的設(shè)計因子各自不同;而影響攪拌槳輸入功率的設(shè)計因子均為槳葉直徑、槳葉寬度和二者的交互作用值。對比PBD槳和RB槳的CFD模擬值與關(guān)聯(lián)方程預測值，誤差在1.6％～8.6％范圍，關(guān)聯(lián)方程可信?；谏鲜龇治鼋⒘笋詈夕褾、σS和MEL三個響應值的無因次優(yōu)化函數(shù)，并據(jù)此獲得了四種攪拌槳體系中適合固-固-液三相體系的最優(yōu)設(shè)計方案:采用PBU攪拌槳，槳葉直徑、離底距離和槳葉寬度分別控制在0.1

8、m、0.078m和0.04m。
　　最后，建立了一個適合厭氧發(fā)酵非牛頓體系的攪拌反應器數(shù)值模型，對玉米秸稈(CS)和牛糞(CM)的單一發(fā)酵體系及兩者混合發(fā)酵體系的流場和能量消耗進行深入研究，提出了“凈能量產(chǎn)出”指數(shù)概念，并獲得了相應表達式。研究發(fā)現(xiàn)，在CS和CM單一發(fā)酵體系和二者混合發(fā)酵體系(CS+CM)反應器內(nèi)流場的均勻程度為:CM＞CS+CM＞CS;本文提出的“凈能量產(chǎn)出”指數(shù)可以用來優(yōu)化發(fā)酵體系的投料比，對于連續(xù)攪拌、間歇攪