CN108504548A - 一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法 - Google Patents

一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于能源环境保护技术领域，具体涉及到一种全混式连续厌氧发酵反应器的设计优化方法。本方法基于流体力学技术的数值模拟方法，按照如下步骤进行全混式连续厌氧发酵反应器的设计优化，首先分析混合原料流变特性；其次建立反应器三维模型，输入原料特性，利用计算流体力学进行混合模拟；之后根据无因次欧拉数Eu作为指标判断反应器是否已达优化标准：最后进行判断，混合均匀时knT≥Eu，得到优化结果；如knT＜Eu，则调整反应器结构参数，重新从第二步进行优化。本方法可以对全混式连续厌氧发酵反应器结构进行设计优化，提升反应器的搅拌效率，进而显著提升反应器的运行稳定性和反应效率，有助于推动沼气产业持续稳定发展。

Description

一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法
技术领域
本发明属于沼气工程技术领域，具体涉及一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法。
背景技术
厌氧发酵是处理农业废弃物的主要手段，CSTR是当今沼气工程中厌氧发酵的主要形式。就目前而言，我国沼气工程的运行效率相较滞后：国内的CSTR反应器结构相对单一，在发酵过程中存在缺陷；适用于秸秆与牛粪混合原料的湿法厌氧发酵十分有限，易导致产气不稳定、连续运行能力差等。这些因素均阻碍了CSTR装置在沼气工程中的进一步发展。因此，全混式厌氧发酵反应器进行结构优化对于提高全混式厌氧发酵效果的稳定、连续、高效运行具有重要意义。
对于全混式厌氧发酵反应器而言，反应器内部结构是影响混合原料混合的重要因素，但其内部结构参数不能直接反映反应器混合状况；直接影响混合效果的参数是能表征全混式厌氧发酵反应器内部混合状况的流体动力学参数，特别是搅拌条件下混合的流体动力学参数。因此，对反应器内部流态进行模拟，获取不同结构或不同运行条件下反应器内详细的流场信息，进而优化其结构设计及运行控制参数，对新型反应器的研发及提高反应器的运行效率将具有十分重要的意义。
公开号为CN103942358B的中国专利申请公开了一种污水培养微藻光生物反应器的设计优化方法，该方法建立欧拉-欧拉两相流体体系的光生物反应器流场和小球藻生化反应相耦合的气液两相二维瞬态CFD模型，针对其操作过程进行数据验证。但反应器的设计仅适用于物质浓度较低的污水处理，并不能够对粪污、秸秆等高浓度厌氧发酵反应器进行优化设计。而公开号为CN104050330A的中国专利申请公开了一种升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化方法，利用CFD模拟反应器内流场分布耦合生化反应模型，进行综合分析，判断水利上升流速。此方法同样适用于物质浓度较低的污水处理，而并不能够对粪污、秸秆等高浓度厌氧发酵反应器进行优化设计。对比以上两专利，本专利提出了一种适用于粪污、秸秆等有机废弃物高浓度厌氧发酵反应器的设计优化方法，可显著提高反应器内有机废弃物高浓度厌氧发酵的搅拌和混合效果，提高传质传热效率，进而提高有机废弃物厌氧发酵产沼气效果，降低反应器运行成本，有助于加快有机废弃物生产沼气技术的推广应用。
发明内容
本发明提供了一种针对有机肥废弃物混合原料生产沼气的全混式厌氧发酵反应器结构设计优化方法。
本发明提出的全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法包括：对反应器内的混合原料进行流变特性分析；进行基本反应器三维建模，划分网格，进行内部流态的仿真模拟，经计算求解，根据Eu值判断是否达到优化条件：若Eu值＜knT，则针对低速区域选取相应参数进行调整，重复上述步骤，进行多次优化。具体步骤如下：
1.全混式厌氧发酵反应器实验研究及混合原料混合计算流体力学模型的建立及验证
(1)全混式厌氧发酵混合原料流变特性分析
首先进行混合原料TS、表观粘度等流变特性分析，为后续CFD仿真模拟提供重要理论支撑。
(2)模型假设
1)混合原料的初始浓度在全混式厌氧发酵反应器内部是均匀分布的；
2)反应器内液体由固液两相组成，混合原料颗粒为固相，混合液体为液相；
3)初始反应器条件为：0.5的高径比，无挡板，立式单桨搅拌器；
(3)建立三维模型与网格划分
采用三维软件按照全混式厌氧发酵反应器的初始几何尺寸，进行三维几何建模；采用专用的前处理软件进行网格构建。将上述反应器几何模型导入，搅拌器叶轮与挡板等部件采用非结构四面体网格，其它部分采用结构网格。
(4)流场计算模型方程
流场模型运用欧拉-欧拉两相流体通用方程：质量守恒、动量守恒和能量守恒三大基本方程；相间作用力方程采用雷诺数计算方程；湍流方程选择RANS中的RNGk-ε模型；搅拌参数选用雷诺数作为标准，具体计算过程：
1)控制方程
在欧拉–欧拉两相流体模型中，从质量守恒、动量守恒和能量守恒三大基本方程出发，描述固液混合中液相和固相的控制方程如下；
质量守恒方程即连续性方程为：
式中，aq为q相体积分数；q为液相(l)或固相(s)；ρ为密度；v为速度；t为时间；
液相l和固相s的动量守恒方程分别为：
式中，和为l、s相压力应变张量，Ps是固相压力，Kls是相间的动量交换系数；
式中，μq是λq是q相的剪切和体积粘度；
2)相间作用力方程
固液相间交换系数Kls采用Gidaspow模型，表达式如下：
当as＞0.8时，Kls表达式为：
当as≤0.8时，Kls表达式为：
式中CD为曳力系数，表达式为：
在方程(7)中，Res是基于固相和液相相对速度的雷诺数，表达式为：
3)湍流模型
湍流方程优选RNG k-ε模型；
式中，涡流粘度μt采用公式为：
式中，Re＝P/ρn3D5，Re＝P/ρn3D5，Re＝P/ρn3D5，Re＝P/ρn3D5，S是总熵，Ω是考虑漩涡影响而由Fluent估计的量；模型常量Clε＝1.42，C2ε＝1.68；
本文采用欧拉-欧拉模型来求解连续性方程和动量方程，RNG k-ε模型来封闭方程，分别获得液相和颗粒相的流场分布信息；
4)搅拌参数的计算
搅拌器模型与实际搅拌器形状存在差别，因此将搅拌功率作为确定模拟搅拌参数的依据；模拟搅拌输入功率采用实际搅拌器的额定功率；在CFD模拟中搅拌器的旋转参数为叶轮转速，可以通过雷诺数这一参数建立搅拌器转速与功率之间的关系；计算公式为：
Re：雷诺数；P：搅拌功率，W；ρ：流体密度，kg/m3；n：螺旋桨转速，r/d；D：叶轮直径，m；
叶轮的搅拌功率优选为：
P＝ω·T＝2π·n·T (14)
反应器搅拌20r/min条件下进行流场模拟；通过FLUENT软件的Report功能输出作用于叶轮力矩，左手定则确定力矩方向；力矩与转速的矢量积即叶轮搅拌的输入功率；通过雷诺数判断此时的流动状态是否为湍流；通过搅拌功率和搅拌器几何尺寸计算搅拌器的雷诺数；湍流状态下计算所得雷诺数模拟反应器在特定搅拌功率下的流场；
(5)边界条件与计算初始值
设置模型中的相关参数：模型的工作环境为一个标准大气压，开启重力加速度；将液面的边界条件设置为对称；反应器底部和侧面边界条件均设为静止壁面；旋转区域采用多重参考模型；反应器划分为两个区域，内部旋转区和外部静止区；以搅拌轴为中心，内部旋转区开启坐标系转动，转速与搅拌桨相同；桨叶设置成移动壁面，与内部旋转坐标系的相对速度为零；外部静止区流体设为静止；处于外部静止区的搅拌轴设置成移动壁面，以相对静止坐标的绝对速度旋转；对流场初始化，湍动能k和耗散率ε分别设定为0.001m2·s-2和0.01m2·s-3，速度为0；
(6)迭代求解
固液反应体系由两相构成，分别包括颗粒相S和液相。模拟初始化时利用“patch”功能，使两种颗粒均匀分布在静止的液体中；网格划分采用3D非结构网格；对于控制方程的离散，压力-速度耦合采用SIMPLE算法；压力采用标准差分格式；动量、湍动能、湍动能耗散率采用一阶迎风差分格式。对流场进行稳态模拟计算，连续性方程残差设定为1×10-4，速度、压力、湍流动能、耗散率等变量的残差设定为1×10-5，再利用搅拌桨的扭矩值是否达到恒定作为二次检验标准。保存残差收敛计算结果；
(7)后处理：流场信息获取与优化选择
将计算结果进行可视化处理，得到特定功率条件下全混式厌氧发酵反应器稳态模拟的液相速度场、固相体积分率等详细流场信息，整合保存；对将模拟得到的不同流态数据进行分析，观察确定搅拌功率下最佳反应器内流场分布，分析各项特性。
2、将无因次欧拉数Eu定义为混合控制指标，对全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法进行评价与判断，公式见(15-19)
机械搅拌条件下，无因次欧拉Eu表示为：
P为搅拌功率；T为搅拌时间；W为水样体积；V为桨叶旋转线速度；b为桨叶高度；D为桨叶直径；n桨叶转速；CD为阻力系数，一般取：
CD＝0.35 (17)
流速一定条件下，当混合达到均匀时knT≥Eu，即获得最佳方案；若knT＜Eu，则重新优化反应器结构设计，调整参数、建模分析进行模拟判断。
3、全混式厌氧发酵反应器设计优化调整参数，包括：
挡流板安装数量为2-4；搅拌桨安装层数范围在2-4层，安装角度45°-90°；反应器高径比(H/D)范围为0.5-1.5；组合使用不同搅拌器安装方向：立式、斜式与水平式安装。
4、重新建模再次验证
进行二次评价与判断，若Eu值＜knT，则针对低速区域选取相应参数进行调整，重复上述步骤，进行多次优化，直至获得最佳工艺技术方法。
本发明提出的一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法，其优势在于：
(1)能够建立全混式厌氧发酵反应器的一套系统的设计方法，实现优化。
(2)能够大幅度降低沼气工程建设成本，有助于沼气工程的推广运用。
(3)能够显著提高反应效率，有助于沼气产业的发展。
附图说明
图1基于混合原料混合全混式厌氧发酵反应器的模型建立流程图；
具体实施方式
以下结合附图和发明人依本发明的技术方案所完成的具体实例，对本发明做进一步的详细描述。
实施例：以下是发明人以牛粪与秸秆混合原料在初始反应器内进行厌氧发酵混合均匀程度以及内部流场变化情况的模拟分析结论，与实验结果进行对比测量分析的过程。
以牛粪与秸秆的混合原料为混合原料，TS为6％的条件下，干物质量比为9比1的混合原料，搅拌速率为20r/min，进行35℃中温厌氧发酵试验。
采用粘度计测量混合原料表观黏度数据测量4次，取其算术平均值；控制样品在14天pH＝6-7范围内进行35℃中温发酵后，采用同样方法对表观黏度进行二次测定；采用幂率方程描述其流变特性，得表观粘度η＝0.056135。
2.按照桨叶数目为2,；单桨搅拌；无挡板；高径比为0.5的初始条件建立反应器三维模型，将搅拌功率作为确定模拟搅拌参数的依据；模拟搅拌输入功率采用实际搅拌器的额定功率；在CFD模拟中搅拌器的旋转参数为叶轮转速，通过雷诺数建立搅拌器转速与功率之间的关系。
模型的工作环境为一个标准大气压，开启重力加速度；将液面的边界条件设置为对称；反应器底部和侧面边界条件均设为静止壁面；旋转区域采用多重参考模型；反应器划分为两个区域，内部旋转区和外部静止区；以搅拌轴为中心，内部旋转区开启坐标系转动，转速与搅拌桨相同；桨叶设置成移动壁面，与内部旋转坐标系的相对速度为零；外部静止区流体设为静止；处于外部静止区的搅拌轴设置成移动壁面，以相对静止坐标的绝对速度旋转；对流场初始化，湍动能k和耗散率ε分别设定为0.001m2·s-2和0.01m2·s-3，速度为0；
固液反应体系由两相构成，分别包括颗粒相s和液相l；模拟初始化时利用“patch”功能，使两种颗粒均匀分布在静止的液体中；网格划分采用3D非结构网格；对于控制方程的离散，压力-速度耦合采用SIMPLE算法；压力采用标准差分格式；动量、湍动能、湍动能耗散率采用一阶迎风差分格式；对流场进行稳态模拟计算，连续性方程残差设定为1×10-4，速度、压力、湍流动能、耗散率等变量的残差设定为1×10-5。
将计算结果进行可视化处理，得到确定功率条件下全混式厌氧发酵反应器稳态模拟的速度场与温度场的详细流场信息，整合保存；对将模拟得到的不同流态数据进行分析，观察确定搅拌功率条件下最佳反应器内流场分布，分析各项特性。
根据公式(15-20)计算可知：knT＝27，Eu＝35，可判断：knT＜Eu，需对其相应结构参数进行调整，根据流场分析判断搅拌区域过于集中，因此对搅拌桨的数目加为双层搅拌，重新建模分析流场各区域情况。
对优化后的模型进行计算对比；knT＝32，Eu＝35，knT＜Eu，尽管产气效率已较未优化反应器增加10％，但观察流场分布情况可知，涡流导致混合效果不明显，因此进行二次优化：增设对称挡板，以减少涡流区域对混合效果的影响。再次建立模型进行分析计算对比。
二次优化计算结果：knT＝38，Eu＝35，可知，knT≥Eu，表明混合效果已达均匀标准，在此条件下试制反应器进行厌氧发酵实验，结果表明产气效率比初始反应器增加30％，产甲烷速率也明显提高达25％以上。

Claims (5)

1.一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法，其特征在于如下步骤：
(1)分析混合混合原料流变特性；
(2)建立反应器三维模型，输入混合原料特性，利用计算流体力学进行混合模拟；
(3)根据无因次欧拉数Eu作为指标判断反应器是否已达优化标准：
(4)最后进行判断，混合均匀时knT≥Eu，得到优化结果；如knT＜Eu，则调整反应器结构参数，重新从第二步进行优化。
2.根据权利要求1所述的一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法步骤(1)：其特征在于测试混合混合原料流变特性。
3.根据权利要求1所述的一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法步骤(2)，其特征在于如下步骤组成：前处理—几何建模与网格划分；计算求解—计算模型选择、边界条件定义与迭代求解；后处理—流场数据获取与优化选择；具体步骤如下：
3.1 前处理：几何建模与网格划分
(1)反应器整体几何建模
采用三维建模软件按照初始全混式厌氧发酵反应器进行三维几何建模：
初始模型特征在于：桨叶数目为2；单桨搅拌；无挡板条件；高径比为0.5；
(2)网格划分
采用前处理软件进行网格构建；将上述反应器几何模型导入，搅拌器叶轮与挡板等部件采用非结构四面体网格，其它部分采用结构网格；
3.2 计算求解：计算模型选择、边界条件定义与迭代求解
采用欧拉–欧拉多相流体模型模拟全混式厌氧发酵反应器中的两相：下沉颗粒和液体为离散相，液体为连续相；流场模拟采用的是欧拉颗粒多相流模型；在特定搅拌速率的条件下建立湍流模型模拟反应器内部流场，所述湍流模型采用标准的湍动能耗散率(k-ε)模型；
(1)计算模型选择
1)控制方程
在欧拉–欧拉两相流体模型中，从质量守恒、动量守恒和能量守恒三大基本方程出发，描述固液混合中液相和固相的控制方程如下；
质量守恒方程即连续性方程为：
式中，aq为q相体积分数；q为液相(l)或固相(s)；ρ为密度；v为速度；t为时间；液相l和固相s的动量守恒方程分别为：
式中，和为l、s相压力应变张量，Ps是固相压力，Kls是相间的动量交换系数；
式中，μq是λq是q相的剪切和体积粘度；
2)相间作用力方程
固液相间交换系数Kls采用Gidaspow模型，表达式如下：
当as＞0.8时，Kls表达式为：
当as≤0.8时，Kls表达式为：
式中CD为曳力系数，表达式为：
在方程(7)中，Res是基于固相和液相相对速度的雷诺数，表达式为：
3)湍流模型
湍流方程优选RNG k-ε模型；
式中，涡流粘度μt采用公式为：
式中，Re＝P/ρn3D5，Re＝P/ρn3D5，Re＝P/ρn3D5，Re＝P/ρn3D5，S是总熵，Ω是考虑漩涡影响而由Fluent估计的量；模型常量Clε＝1.42，C2ε＝1.68；采用欧拉-欧拉模型求解连续性方程和动量方程，RNG k-ε模型封闭方程，获得液相和颗粒相的流场分布信息；
4)搅拌参数的计算
搅拌功率作为确定模拟搅拌参数的依据；模拟搅拌输入功率采用实际搅拌器的额定功率；在CFD模拟中搅拌器的旋转参数为叶轮转速，通过雷诺数建立搅拌器转速与功率之间的关系；计算公式为：
Re：雷诺数；P：搅拌功率，W；ρ：流体密度，kg/m3；n：螺旋桨转速，r/d；D：叶轮直径，m；
叶轮的搅拌功率优选为：
P＝ω·T＝2π·n·T (14)
通过FLUENT软件的Report功能输出作用于叶轮力矩，左手定则确定力矩方向；力矩与转速的矢量积即叶轮搅拌的输入功率；通过雷诺数判断此时的流动状态是否为湍流；通过搅拌功率和搅拌器几何尺寸计算搅拌器的雷诺数；湍流状态下计算所得雷诺数模拟反应器在特定搅拌功率下的流场；
(2)边界条件与计算初始值
设置模型中的相关参数：模型的工作环境为一个标准大气压，开启重力加速度；将液面的边界条件设置为对称；反应器底部和侧面边界条件均设为静止壁面；旋转区域采用多重参考模型；反应器划分为两个区域，内部旋转区和外部静止区；以搅拌轴为中心，内部旋转区开启坐标系转动，转速与搅拌桨相同；桨叶设置成移动壁面，与内部旋转坐标系的相对速度为零；外部静止区流体设为静止；处于外部静止区的搅拌轴设置成移动壁面，以相对静止坐标的绝对速度旋转；对流场初始化，湍动能k和耗散率ε分别设定为0.001m2·s-2和0.01m2·s-3，速度为0；
(3)迭代求解
固液反应体系由两相构成，分别包括颗粒相s和液相l；模拟初始化时利用“patch”功能，颗粒在静止液体内均匀分布；网格划分采用3D非结构网格；对于控制方程的离散，压力-速度耦合采用SIMPLE算法；压力采用标准差分格式；动量、湍动能、湍动能耗散率采用一阶迎风差分格式；对流场进行稳态模拟计算，连续性方程残差设定为1×10-4，速度、压力、湍流动能、耗散率等变量的残差设定为1×10-5；另一重要收敛标准是判断搅拌桨的扭矩值是否达到恒定；
3.3 后处理：流场信息获取与优化选择
(1)流场信息获取
将计算结果进行可视化处理，得到确定功率条件下全混式厌氧发酵反应器稳态模拟的液相速度场、固相体积分率等详细流场信息，整合保存；
(2)优化选择
对将模拟得到的不同流态数据进行分析，观察确定搅拌功率条件下最佳反应器内流场分布，分析各项特性。
4.根据权利要求1所述的一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法步骤(3)，其特征在于，将无因次欧拉数Eu定义为混合控制指标，对全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法进行评价与判断，其步骤如下：
机械搅拌条件下，无因次欧拉Eu表示为：
P为搅拌功率；T为搅拌时间；W为水样体积；V为桨叶旋转线速度；b为桨叶高度；D为桨叶直径；n桨叶转速；CD为阻力系数，一般取：
CD＝0.35 (17)
流速一定，当混合达到均匀时knT≥Eu，即获得最佳方案；若knT＜Eu，则重复权利要求1步骤(1-3)。
5.根据权利要求1所述的一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法其特征在于主要对全混式厌氧发酵反应器的挡板、搅拌桨和高径比等结构参数优化：尤其是全混式厌氧发酵反应器的挡流板数量在2-4范围内；搅拌桨安装层数在2-4层范围；可采用立式、横式与斜式搅拌桨不同组合；调整反应器高径比(H/D)在0.5-1.5范围内；进料口倾斜角度在0°-45°范围内。
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