错位桨搅拌生物反应器流场特性及溶氧性能研究

摘要

反应器是生物工程中关键设备，反应器中的气相分散和溶氧性能对生物反应有重要的影响。搅拌式反应器是生物反应器的重要形式之一，其搅拌桨对气体分散和溶氧性能有重要的影响。本文中采用实验和数值模拟相结合的方法，研究错位式搅拌桨气液两相流场特性和溶氧性能，探讨利用错位桨改善搅拌式生物反应器气体分散和溶氧性能的实用性能。
　　本文基于流场可视化技术，对搅拌槽内气-液两相流的流场特性进行了实验研究。使用高速摄像机拍摄了气液搅拌过程的图像，分析图像明暗分布直观的对比了使用不同搅拌桨时的气泡大小及分布状态，并编写程序进行图像处理和气泡识别，获得了搅拌槽内气泡的尺寸分布情况。通过实验分析可知使用错位涡轮桨时，搅拌槽内气泡分布相比于标准六直叶涡轮桨更加均匀。气泡识别结果表明，增大转速和降低通气量能够减小搅拌槽内气泡尺寸，使用错位涡轮桨，能够使气泡尺寸趋于一致，不易出现大的气泡，而且能够有效的降低搅拌槽内气泡的平均直径，增大气-液交界面积。基于欧拉-欧拉双流体模型、多重参考系法及标准k-ε方程，建立了搅拌槽气液两相流数值模拟方法，对生物反应器气液搅拌过程进行了数值模拟研究。分析对比了使用错位涡轮桨和标准六直叶涡轮桨时搅拌槽内的流速、气含率、湍动能、剪切力等数据。模拟结果与PIV实验结果相吻合。结果表明使用错位涡轮桨能够优化搅拌槽内流形，并能够扩大搅拌桨的作用范围，明显增加两桨之间区域的气含率，提高搅拌槽内湍动能和剪切力的分布均匀性。在数值模拟的基础上，进行了亚硫酸钠法测体积溶氧系数实验和活性污泥培养实验。实验结果表明，错位搅拌桨气液搅拌时，体积溶氧系数高于标准六直叶涡轮桨。在培养微生物时，使用错位涡轮桨的搅拌槽内液体溶解氧含量更高，在低转速低通气量条件下，错位涡轮桨气液分散能力优势明显。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 搅拌式生物反应器发展现状

1．2．2 生物反应器实验研究方法

1．2．3 生物反应器数值模拟方法

1．2．4 错位搅拌桨研究现状

1．3 课题研究内容

第2章 气-液两相搅拌流场可视化分析

2．1 引言

2．2 实验设备

2．3 实验工况

2．4 实验步骤

2．5 图像处理

2．6 图像处理方法验证及误差分析

2．7 实验结果与数据分析

2．7．1 搅拌流场图像分析

2．7．2 气泡尺寸分析

2．8 本章小结

第3章 气-液两相流数值建模及验证

3．1 引言

3．2 搅拌槽结构与网格划分

3．3 控制方程

3．3．1 双流体模型

3．3．2 标准κ-ε模型

3．3．3 多重参考系方法

3．4 模拟工况及计算策略

3．4．1 模拟工况

3．4．2 计算策略

3．5 数值模拟方法验证

3．5．1 网格无关性验证

3．5．2 时间步长无关性验证

3．5．3 粒子图像测速实验验证

3．6 本章小结

第4章 数值模拟结果与分析

4．1 引言

4．2 气-液两相流场模拟结果

4．2．1 液相速度场分析

4．2．2 气相速度场分析

4．3 气含率的模拟与分析

4．3．1 总体气含率

4．3．2 局部气含率

4．4 湍动能的模拟与分析

4．5 剪切力的模拟与分析

4．6 本章小结

第5章 生物反应器溶氧特性实验

5．1 引言

5．2 亚硫酸钠法测量传质系数实验

5．2．1 实验原理

5．2．2 实验仪器与材料

5．2．3 实验工况

5．2．4 实验步骤

5．2．5 实验结果与数据分析

5．3 活性污泥培养实验

5．3．1 实验设备

5．3．2 实验工况

5．3．3 实验步骤

5．3．4 实验结果与数据分析

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢