可组合板式反应器的仿真分析及其控制系统设计研究

摘要

随着全球经济的快速增长，化石能源短缺加剧，藻类作为清洁生物能源制备生物燃料已提上日程。另外，利用微藻光合作用过程吸收CO2是对二氧化碳减排并对其进行资源化利用的有效途径。微藻高密度、规模化培养有赖于高效、实用化的光生物反应器。本文参照国外台式反应器，并且针对板式光生物反应器的结构及控制系统进行设计研究，设计研制新型高效的光生物反应器，并且根据相似原理，进行该反应器的放大设计研究。
　　第一章:提出课题研究的背景。研究光生物反应器的研究现状及问题，本文提出利用CFD数值模拟技术进行反应器流动及传质性能分析，以及进行结构设计和控制系统设计的意义。
　　第二章:阐述了反应器设计的相关原理。进行微藻培养影响因素，反应器性能的相关研究，并初步介绍了CFD模拟仿真、反应器系统控制及放大的相关原理。
　　第三章:根据板式反应器设计要求进行整体结构设计。结合CFD分析进行反应器主体结构设计，并同时介绍了光照系统，供料系统，供气设备。根据系统技术指标选择合适传感器。
　　第四章:板式反应器控制系统设计。经分析，系统的控制方法采用PLC+PC控制并选择西门子200系列PLC。分析了相关过程参数控制并进行PLC的系统设计。
　　第五章:进行板式反应器的软件设计，以WinCC作为上位机的监控软件。初步将六台板式反应器进行串并联，并用一套控制系统进行多台反应器的联动控制，初步将反应器从实验阶段推向中试阶段，为今后实现板式反应器进行微藻产业化做准备。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 藻类概述

1．1．1 微藻的特点及应用

1．1．2 国内外微藻研究历史及现状

1．2 微藻光生物反应器的研究

1．2．1 国内外光生物反应器研究现状及存在问题

1．2．2 封闭式光生物反应器分类

1．2．3 生物反应器控制系统的发展现状

1．3 本课题研究意义

1．4 本课题研究的主要内容

第2章 板式反应器设计方法及其控制原理研究

2．1 影响微藻生长的环境因素

2．2 光生物反应器内的传递现象及性能参数

2．2．1 光生物反应器内传递现象

2．2．2 光生物反应器性能参数

2．3 板式反应器相关设计原理

2．3．1 设计思路

2．3．2 相关问题

2．4 板式反应器的CFD模拟

2．5 板式反应器相关控制原理

2．5．1 控制要求及策略

2．5．2 闭环控制

2．5．3 控制算法

2．6 反应器放大研究

2．7 本章小结

第3章 板式反应器设计

3．1 反应器设计原则与功能实现

3．1．1 设计原则

3．1．2 反应器功能实现

3．2 板式反应器CFD仿真设计

3．2．1 模型建立

3．2．2 参数设定

3．2．3 数值求解

3．3 结果分析对比

3．3．1 收敛性分析

3．3．2 气液流场数值模拟结果分析对比

3．4 板式反应器关键部件设计

3．4．1 反应器主体

3．4．2 光照调节装置

3．4．3 供气装置

3．4．4 供料装置

3．4．5 反应器总体结构

3．5 过程参数检测与传感器选择

3．5．1 温度检测

3．5．2 PH检测

3．5．3 溶解氧检测

3．5．4 其他传感器选择

3．5．5 检测传感器分布

3．6 本章小结

第4章 板式反应器控制系统设计

4．1 控制系统设计要求

4．2 控制方法选择

4．3 主要过程参数控制

4．3．1 液速控制

4．3．2 光照控制

4．3．3 通气率控制

4．4 控制系统总体设计

4．4．1 输入输出参数

4．4．2 PLC选型

4．4．3 控制总体结构

4．5 硬件部分

4．5．1 上位机组成及功能

4．5．2 下位机组成及功能

4．5．3 控制系统通讯

4．5．4 其他硬件

4．6 PLC系统设计

4．6．1 PLC系统构成

4．6．2 开关量和模拟量控制设计

4．7 本章小结

第5章 系统软件设计及多个反应器联动

5．1 控制系统软件设计

5．1．1 PLC控制程序设计

5．1．2 WINCC监控软件

5．2 液晶显示软件设计

5．2．1 触摸屏的程序设计

5．2．2 液晶与PLC的通信

5．3 多个反应器设计

5．3．1 多个板式反应器的并联

5．3．2 多个板式反应器的串联

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献