CSTR生物制氫反應(yīng)器流場(chǎng)數(shù)值模擬.pdf

1、生物制氫反應(yīng)器以其高效產(chǎn)氫而成為生物制氫領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。但迄今為止，對(duì)其選型、設(shè)計(jì)及放大仍主要依賴實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和專家的經(jīng)驗(yàn)，缺少理論指導(dǎo)，耗資巨大，投運(yùn)周期長(zhǎng)。而近年來發(fā)展起來的計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）是一種可用于分析流體流動(dòng)和混合傳質(zhì)的交叉學(xué)科。CFD技術(shù)在反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中越來越受到人們的重視，CFD技術(shù)與反應(yīng)器的設(shè)計(jì)相結(jié)合不僅可以節(jié)省大量的人力物力，提高實(shí)驗(yàn)效率，而且還可以得到

2、實(shí)驗(yàn)無法得到的詳細(xì)信息，本文利用數(shù)值模擬方法對(duì)生物制氫反應(yīng)器的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，并結(jié)合微生物發(fā)酵理論，分析生物制氫反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)特性，并為該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　通過比較不同槳槽徑比和不同攪拌速度下的流場(chǎng)，分析流場(chǎng)變化對(duì)生物制氫工藝的影響。結(jié)果表明，槳槽徑比為0.6的攪拌槳能夠產(chǎn)生合理的徑向速度分布使微生物與底物充分接觸，輸入的能量大多耗散在攪拌槳附近，當(dāng)槳槽比為0.6時(shí)，槳葉攪拌作用基本可覆蓋整個(gè)主反應(yīng)區(qū)，適合

3、生物制氫反應(yīng)器的工藝需要。
　　通過對(duì)生物制氫反應(yīng)器的運(yùn)行，得到了直葉攪拌槳（ PBT）轉(zhuǎn)速為100rpm時(shí)，平均生物氣產(chǎn)氣量達(dá)到最大值29.2L/d，轉(zhuǎn)速為120rpm時(shí)11.8L/d，繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速，由于剪切力和氣體分率隨之增大，產(chǎn)氣量出現(xiàn)下降。渦輪攪拌槳（RT）平均產(chǎn)氣量60rpm的較低轉(zhuǎn)速下達(dá)到最大值32.1L/d，產(chǎn)氣量隨轉(zhuǎn)速的增加而迅速下降。結(jié)合流場(chǎng)模擬結(jié)果進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可以發(fā)現(xiàn)，雖然攪拌槳轉(zhuǎn)速的增加帶來反應(yīng)器內(nèi)速度場(chǎng)的

4、提高和速度均勻性的改善，這意味著停滯區(qū)的減少和反應(yīng)器有效容積的增加，但是產(chǎn)氣量并未隨之持續(xù)增加。根據(jù)以往的研究，高剪切力會(huì)對(duì)微生物細(xì)胞和污泥絮體造成破壞，而氣相體積分率的升高會(huì)對(duì)制氫發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)生抑制。正因?yàn)榧羟辛蜌庀囿w積分率也是隨著攪拌轉(zhuǎn)速的升高而增大，所以平均產(chǎn)氣量在較高轉(zhuǎn)速條件下出現(xiàn)下降。確定為槳槽徑比為0.6的RT攪拌槳，轉(zhuǎn)速為60rpm的RT攪拌槳為實(shí)驗(yàn)室采用的CSTR生物制氫反應(yīng)器的最優(yōu)化運(yùn)行水利條件，均勻的速度場(chǎng)分布、適當(dāng)