基于CFD流场分析的玉米秸秆生物发酵制氢CSTR反应器结构优化与研究

摘要

化石能源日益枯竭、环境污染所引起的问题逐渐凸显成为世界各国面临的重大难题，寻求清洁新能源成为时下的重中之重。秸秆类农作物在世界范围内种植广泛，利用秸秆类生物质生物发酵制氢成为缓解该问题的有效途径之一。然而，秸秆类生物质生物发酵制氢技术面临产氢效能较低、反应器设计参数欠缺、反应器内流场特性对产氢效率的影响规律尚不明确等诸多难题。基于此，本文以玉米秸秆生物发酵制氢连续搅拌槽式反应器（CSTR）为研究对象，采用CFD 模拟与实验相结合的方法对反应器内多相流场特性及其对发酵过程产氢效率的影响规律进行研究，旨在从微观层次上揭示反应器的结构、运行条件、流场特性等与产氢效率间的关系，通过对反应结构的优化提高其中流体混合性能，实现秸秆类生物质产氢能效的提高，并为生物发酵制氢 CSTR 反应器的设计与放大提供基础数据和理论基础。 （1）在前期研究基础上，进行CFD模拟生物发酵制氢CSTR反应器内流体流场特性的建模。提出了 3 种改善 CSTR 反应器中料液混合均匀程度的壳体模型，并对所提出的壳体模型进行物理建模，通过Fluent 18.0对CSTR反应器进行单相数值模拟，并对 CSTR 反应器内流体的流场特性进行理论分析。研究发现，添加 4 块垂直挡板的反应器模型 d 中，流体的轴向和径向速度分布均得到改善，反应区流场分布趋于均匀，有效避免停滞区的形成，可促使 CSTR 反应器内料液混合均匀程度的提高。 （2）对所建立的CSTR反应器模型d中流场进行数值模拟及优化。经过网格独立性验证，确定了CSTR反应器d模型网格划分数量为852057。考察了CSTR反应器内料液在不同桨型、不同桨槽径比、不同转速下的流体流动特性，并结合生物发酵制氢相关理论进行了分析。经过对比得到较优运行条件为：以 45 °斜叶涡轮搅拌桨为旋转装置，桨槽径比为0.53，搅拌桨转速为120 rpm，在该条件下，CSTR反应器模型d中流场速度、剪切力、湍动能、气相体积分率等关键流体流场特性均较优。 （3）为确定反应器的较优运行参数以及流场特性对玉米秸秆生物发酵制氢的影响规律，以CFD模拟及前期研究结果为依据，在5 L的CSTR反应器中进行了玉米秸秆生物发酵制氢验证实验，在其他工艺参数相同时，按照CFD模拟得到的搅拌桨类型、桨槽径比、转速等参数进行玉米秸秆生物发酵制氢实验，并结合反应器内流场模拟结果对反应器运行参数及流场特性对生物产氢效率的影响规律进行了分析。结果表明，在5 L CSTR反应器中配置45 °斜叶涡轮搅拌桨较配置双叶搅拌桨产氢效果有明显提高；45 °斜叶涡轮搅拌桨桨槽径比为0.53，于120 rpm下取得较优产氢量，较前期研究所得到的产氢量提高16.5%；经分析主反应区料液均匀混合有利于提高产氢量，剪切力和氢气体积分率较高时微生物的产氢能力有所降低。

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