04生物制氢反应器流场的数值模拟

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1、万方数据第29卷第12期2008年12月太阳能学报Acl隗ENERG【^正SOIARISSINICAV01．29．No．12Dec．。2008生物制氢反应器流场的数值模拟张冰1，任南琪1，周雪飞2(1．哈尔滨工业大学市政与环境工程学院，哈尔滨150090；2．同济大学长江水环境教育部重点实验室，上海200092)摘要：将CFD技术应用于生物制氢反应器的数值模拟和流场分析，基于标准紊动能．紊动能耗散率(肛E)方程求解，得到详细的流场信息；比较不同桨槽径比和不同搅拌转速下的流场，分析流场变化对生物制氢工艺的影响。结果表明，桨槽径比为0．6的PErr桨能够产

2、生合理的径向速度分布使微生物与底物充分接触，输入的能量大多耗散在搅拌桨附近，适合生物制氢反应器的工艺需要。通过计算得到了不同转速下的反应区入口流量和扭矩，对进一步研究生物制氢反应器的工业化应用和运行控制有一定参考价值。关键词：生物制氢反应器；计算流体力学(CFD)；数值模拟；／口-e模型中图分类号：X703．1文献标识码：AO引言关于混合培养发酵法生物制氢技术的研究在许多方面已经取得很大进展，研制可以达到工业化生产规模的生物制氢反应设备是当前重要的研究方向，但将实验研究转化为工业化生产尚有一些工程问题需要解决。利用厌氧微生物处理有机废水进行制氢的反应器

3、是一个复杂的物理．化学一生物系统，除受关注较多的生物和化学因素外，反应器内流动状态对生化反应的历程和过程有很大影响⋯。近年来，流体力学对废水生物处理工艺的影响已经得到普遍关注，但是传统的宏观关联方法已经无法满足反应器设计和优化的需求，而对反应器进行不同规模、结构特征、工艺条件下的实验比较在经济与时间上也不可实现。因此，在满足废水生物制氢工艺要求的基础上，利用计算流体力学(ComputationalFluidDynl蚵c8，简称CfD)研究反应器内部流场成为解决这一问题的重要手段。CFD是利用数值计算方法求解数学方程，预测动量传递、热量传递、质量传递、化

4、学反应及物理现象的一门科学。本文采用CFD技术对连续流搅拌槽式生物制氢反应器(CSTR，专利号：92114474．1)内部流场进行数值模拟，分析不同转速、不同桨槽径比条件下产生的速度场，并结合相关的试验结果分析流动状态对生物制氢工艺的影响，为进一步实现反应器优化设计提供依据。l计算模型及边界条件生物制氢反应器通过厌氧污泥中的产酸发酵细菌将有机废水中的有机物分解为有机酸(乙酸、丁酸)和乙醇等产物，同时释放出H2、c02等发酵气体。反应器为有机玻璃，反应区有效容积为13．7L，沉淀区为4．3L，反应器采用混合反应区与三相分离区合建的一体化结构，构造如图1所

5、示【2】。反应器采用三叶PBT桨，桨叶倾角为450。反应器进水和回流污泥混合液从底部进入反应区，经搅拌桨搅拌混合后，由反应区顶部流出，进入沉淀分离区进行三相分离。本文对厌氧发酵反应器中的反应区流场进行数值模拟，反应区流体为含有生物絮凝体的碳水化合物的生物发酵液，生物量MLSS=10～209，L，密度P=1．05×103ks／m3，粘度．￡￡=0．012N·s，m2，流体特征为不可压缩粘性流体。反应器经过一段时间运行后，达到相对稳定运行状态，因此模拟按定常流动处理。在数值模拟过程中边界条件必须被精确地表示出来，紧靠边界的区域对确定解的特征起主要作用。收稿

6、日期：2007-07-04基金项目：国家重点基础研究发展(9r73)计划项目(G2000026402)通讯作者：周雪飞(19r7I一)，女．博士、硕士生导师，主要从事污水处理理论与技术、污水生物处理数学模拟与智能控制、微污染物迁移转化等方面的研究。zhouxuefei@tongji．edu．cn万方数据12期张冰等：生物制氢反应器流场的数值模拟本文所研究的生物制氢反应器的进水管位于反应器底部且流速较小，所以将模拟区域的底部和顶部边界设定为开放界面，反应区壁面视为绝热无滑固体壁面边界条件。图1生物制氢反应器结构示意图盹．1∞击胛血∞ofhydrogenb

7、io-production咖模拟搅拌流场有几种常用模型方法：“黑箱”模型法、动量源法、内外叠代法、多重参考系法、滑移网格法等bJ。本文采用应用比较广泛的多重参考系法(MultipleReference‰)将反应区三维几何模型划分为旋转域和固定域[4]。搅拌桨及周边区域为旋转域，反应区其余部分为固定域，旋转域和固定域之间的质量、动量和能量交换通过两者域界面间的插值计算来完成。2数值模拟2．1主控方程计算域内流体流动状态为紊流，采用在分析搅拌流场问题中被广泛采用的二方程涡粘性紊流模型：标准紊动能．紊动能耗散率(肛￡)模型。模型方程组如下：亟a越t+丢(严；

8、五一瓦pv,瓦Ok)=lD(只一￡)(1)堕O越t+麦(伊；e一譬毫)=P}(c^一c：s)(