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摘 要

根据国家节能减排的要求，生物法制备甲烷技术快速发展。但影响发酵的因素众多，目前沼气工程普遍存在两低一高的问题，即“产气量低、CH4 浓度低、能耗高”，所以探究提高发酵效率的手段是解决这一问题的关键，本文通过改善发酵罐内的混合效果来提高发酵效率。

本文通过示踪实验来测发酵罐的停留时间分布曲线，分析罐内的流动状况及混合效果。同时用计算流体力学软件（CFD）Fluent对发酵罐进行数值模拟计算，以实验来验证模拟结果的准确性。在此基础上，改变进料流速和发酵罐进料口的位置进行计算，对发酵罐内混合效果进行优化。实验和模拟发现，当进料速度为0.8m/s，双切向进料时，发酵罐内的混合较佳，死区体积分数较小。根据改进的死区理论分析，发酵罐内全混流区体积分数达到0.5542，活塞流区体积分数为0.1021，死区体积分数减少到0.3437。

关键词：示踪实验 停留时间分布 混合效果 计算流体力学

Simulation and Optimization of HRT in Fermentor

ABSTRACT

According to the national energy-saving emission reduction requirements, biological methods of methane technology have rapidly developed over these years. However, there are many factors influencing the fermentation. At present, the biogas project has two problems, namely, "low gas production, low CH4 concentration and high energy consumption". Therefore, it is the key to solve this problem by exploring the means of improving the fermentation efficiency. In this paper, the fermentation efficiency is improved by enhancing the mixing effect in the fermentation tank.

In this paper, the residence time distribution curve of the canal was measured by tracer experiment, and the flow condition and mixing effect were analyzed. At the same time, the numerical simulation was carried out by using CFD Fluent to verify the accuracy of the simulation results. On this basis, the feed flow rate was changed and the position of the feed tank was calculated to optimize the mixing effect in the fermentation tank. Experiments and simulations show that when the feed rate is 0.8m/s, the mixing is better in the fermentation tank and the dead zone volume fraction is smaller. According to the improved dead zone theory, the volume fraction of the whole mixed flow zone reached 0.5542, the volume fraction of the piston flow area reached 0.1021, and the dead volume fraction decreased to 0.3437.

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1课题的研究背景与意义 1

1.2停留时间分布与混合效果 1

1.3国内外研究现状 2

1.4课题主要研究内容 3

第二章 示踪实验与数值模拟的原理及方法 4

2.1反应器原理 4

2.2示踪实验 4

2.2.1停留时间分布函数 4

2.2.2示踪实验方法和数据分析方法 5

2.2.3设备和试剂 6

2.3 数值模拟原理和方法 6

2.3.1模拟步骤 6

2.3.2物理模型 7

2.3.3计算模型 8

第三章 发酵罐HRT测定实验 10

3.1实验设计和实验过程 10

3.1.1实验设计及流程 10

3.1.2实验步骤 10

3.2进口流速对HRT的影响 11

第四章 发酵罐内HRT的模拟与优化 14

4.1网格无关性验证 14

4.2模拟计算结果分析 15

4.2.1改进的死区理论 15

4.2.2不同进料速度的模拟计算结果与分析 16

4.2.3改变进料口位置的计算结果与分析 20

第五章 结论和展望 22

5.1结论 22

5.2展望 22

参考文献 23

致谢 25

第一章 绪论

1.1课题的研究背景与意义

能源大致分为不可再生和可再生能源能源。生物能源可以被视为可再生能源。主要生物质来源是能源作物和有机物工农业废物。虽然可以通过各种加工技术来生产生物能源，但生化和热化学技术被认为是生物质转化的两个基本途径。对我国来说，沼气的储量达到几百亿立方米，沼气开发和应用的前景广阔^[1]。通过沼气发酵制备生物甲烷具有很重要的意义。

刘畅^[2]等研究了CCS路线减排CO₂与生物发酵制备甲烷来减排CO₂，发现前一种方法减排CO₂的能耗是后一种的两倍，所以生物甲烷更经济环保。但是,生物发酵制备甲烷还面临着许多问题，比如生物发酵产甲烷过产率低，然而其能耗相对较高,并且生产系统复杂，这些都是生物发酵制备甲烷所面对的难点^[3]。

1.2停留时间分布与混合效果

反应器中，物料在反应器中的停留时间决定了化学反应进行的程度，物料停留的时间越长，化学反应进行完全程度越高，并且停留时间分布也反应了该反应器内物料之间的混合效果^[4]。因此，研讨反应器的停留时间分布是一项很重要的任务。连续釜式反应器是化学工业中普遍存在的,虽然混合效率通常不理想，但也是一种重要的反应器。为了解决发酵罐中混合性能与理想状态的偏差，测其停留时间并与理想反应器进行比较。比较的结果有利于分析罐子的缺点和改进的搅拌机设计。依据停留时间分布曲线的形状可以分析出发酵罐的混合效果，无因次方差越大，混合效果越好。实验室中，通过流体示踪实验，可以测定物料流体的停留时间分布。虽然，示踪实验可以测定流动特性，但实验需要消耗一定成本，并且在不同操作条件和工业化生产规模下，实验结果可能偏离实际情况^[5]。最近几年报道了很多对于不同领域反应器的停留时间分布的研究，此外，研究朝着理解在不同转速下的内部流动机理，并在数值上预测RTD^[6]，计算流体动力学(CFD)软件Fluent，成为提供复杂流体现象视觉信息和进行反应器设计和性能测定的强大工具,Fluent引入可视化流场和模拟罐中的RTD^[7]。借助CFD，流动行为以及它们对混合效率的影响可以被确定并且，罐内浓度分布，温度分布和功耗等也能确定。因此，CFD工具已被用于预测搅拌罐内停留时间分布流动行为特征、混合时间和功耗等^[8]。

1.3国内外研究现状

李健达^[9]等通过Fluent模拟了搅拌槽内的混合情况，验证了搅拌桨产生的流场—平行流与文献值相符，得到的停留时间分布曲线能够从宏观的角度来分析搅拌槽内混合过程。王彦伟^[10]利用CFD方法,模拟计算振荡流混合反应器(OFR)流场的停留时间分布RTD, 首次完成了对于三维OFR流场的模拟，并得到示踪粒子的停留时间分布。厦门大学刘^[11]等通过实验结合CFD分析，第一次为在连续搅拌釜中合成纳米银，提供了成功的绿色方案，并且用模拟结果优化了参数，成功合成不同尺寸的纳米银颗粒。

近年来,国内许多研究者利用CFD,模拟计算清水池的有效水利停留时间，分析其混合效果，并以此来改进清水池的消毒效率。杜志鹏^[12]对清水池进行了示踪实验中式模型研究，测定其有效水力停留时间，得出结论：清水池拐角减少停留时间会增大。金俊伟^[13]提出以清水池有效水力停留时间来评价消毒效率，并通过CFD模拟计算验证了实际水厂试验的结论。徐丽^[14]等对人工湿地水力停留时间进行试验研究，在仅仅关注人工湿地出水水质的条件下，使水力停留时间为2天，保证了湿地出水水质达到Ⅴ类标准。

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