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EGSB生物制氢反应器流场数值模拟与优化

作　者: 王旭
导　师: 丁杰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 生物制氢膨胀床计算流体力学流场反应器设计与优化
分类号: TK6
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

氢气是清洁、高效、可再生能源,也是化石燃料的理想替代品之一。生物制氢具有回收能源和净化环境的双重功效。提高生物产氢能力、降低制氢成本是生物制氢技术发展的关键因素。当前,关于生物制氢机理与产氢菌的研究报道甚多,但是鲜见关于生物制氢反应器物理性质的研究报道。研究和了解生物制氢反应器的运行机理是成功开展反应器设计与运行的先决条件。对于一个已经确定的生物处理过程,反应器必须能够提供最佳的剪切效应,良好的传质与混合环境,包括pH、温度和基质浓度的合理调控。目前,虽然已有很多的生物制氢反应器投入使用,但是绝大多数都是由半经验公式设计而成,关于此类反应器流体力学参数的定量分析甚少涉及。针对以上问题,本论文以EGSB生物制氢反应器为研究对象,借助计算流体力学工具,首次构建了EGSB反应区三相流体力学模型和EGSB全反应器三相流体力学-反应动力学耦合模型。并借助模型,开展EGSB生物制氢反应器流场数值模拟与优化研究。为获取反应器优质流场,提高生物产氢效能,选取合适的水力停留时间,至关重要。当水流上升流速适中时,颗粒污泥之间的相互扰动和轴向脉动较小,但同较低液面上流速度相比,液体的混合和紊动程度较好,同较高液面流速度相比,液体的混合和紊动程度又较差,此时流动状态处于推流与混合之间。气-液-固三相系统存在一定的非均匀性,其中伴随着污泥簇团的形成与溃散。泥团的形成,涉及到气-固、固-固和固-壁之间的相互作用,这是一个非常复杂的过程。生物气体气泡的产生、释放,以及气泡大小的变化,都是影响反应器中污泥循环与泥团形成的关键因素。在实际工程运行调控时,可选择0.5mm/s作为EGSB反应器废水进口最佳上升流速控制值。在上升流速0.5mm/s条件下,能够保证污泥颗粒与液体间充分接触和混合,加速生化反应过程,生物氢气在合理的剪切扰动下,更容易从污泥中得到释放;该条件下,预测最大潜在产氢速率为预测最大潜在产氢速率为1.052(L/L·h),预测实际产氢速率达到0.815(L/L·h)。提出来了所建立的两个模型的应用范围和局限性,并为后续模型发展提供了建议和拓展方向。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-26
  1.1 研究背景  8-10
  1.2 废水处理反应器流场研究现状  10-11
  1.3 废水处理反应器流场数值模拟研究现状  11-15
    1.3.1 计算流体力学的新进展  11-12
    1.3.2 计算流体力学应用于反应器研究  12-14
    1.3.3 计算流体力学在反应器设计与优化中的优势  14-15
  1.4 废水处理反应器实验流体力学测量研究现状  15-21
    1.4.1 实验流体力学测量手段在流场研究中的作用  15-16
    1.4.2 流场实验测量技术的发展  16-17
    1.4.3 流场测量技术在反应器研究中的应用  17-21
  1.5 流场数值模拟与实验测量联合技术应用现状  21-22
  1.6 研究现状综合分析  22-23
  1.7 研究目的与内容  23-25
    1.7.1 科学问题与假说  23
    1.7.2 研究内容  23-24
    1.7.3 研究目的与意义  24-25
  1.8 研究技术路线  25-26
第2章试验装置与方法  26-39
  2.1 连续流工艺试验装置与方法  26-31
    2.1.1 试验装置  26-27
    2.1.2 EGSB 生物制氢方法  27-28
    2.1.3 分析项目与方法  28-31
  2.2 反应器流场数值模拟与实验测量方法  31-39
    2.2.1 CFD 流场数值模拟方法  31-33
    2.2.2 PIV 流场实验测量方法  33-39
第3章 EGSB 反应区模型构建与流场分析  39-54
  3.1 CFD 流场数值模拟思想  39
  3.2 CFD 流场数值模拟过程  39-44
    3.2.1 几何模型与网格划分  39-40
    3.2.2 欧拉-欧拉多相流模型  40-43
    3.2.3 边界条件  43
    3.2.4 数值求解方法  43-44
  3.3 模型验证  44-45
  3.4 CFD 数值模拟结果及流场分析  45-49
    3.4.1 速度场分布  46-47
    3.4.2 污泥固相体积分率  47-48
    3.4.3 生物气体气相体积分率  48-49
  3.5 连续流产氢-流场效应响应分析  49-50
  3.6 模型适用范围与局限性  50-52
  3.7 本章小结  52-54
第4章基于耦合模型的EGSB 工艺控制参数优选  54-67
  4.1 EGSB 全反应器耦合模型提出  54
  4.2 EGSB 全反应器耦合模型构建  54-59
    4.2.1 几何模型与网格划分  54-55
    4.2.2 欧拉-欧拉多相流模型  55-57
    4.2.3 葡萄糖发酵降解动力学模型  57-58
    4.2.4 边界条件  58
    4.2.5 数值求解方法  58-59
  4.3 模型验证  59
  4.4 EGSB 全反应器流场特性分析  59-62
    4.4.1 流速场分布  59-61
    4.4.2 组分质量分数  61-62
  4.5 EGSB 生物制氢反应器工艺控制参数优选  62-65
    4.5.1 模型的选择  62-63
    4.5.2 模拟控制参数  63
    4.5.3 模拟结果与分析  63-65
  4.6 模型适用范围与局限性  65-66
  4.7 本章小结  66-67
结论  67-69
参考文献  69-80
致谢  80

EGSB生物制氢反应器流场数值模拟与优化

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