光生物反应器内传递与转化过程模拟及熵产率分析

摘要

随着全球能源急剧减少及环境污染问题日益严重，发展绿色可再生能源已经成为能源研究的重要突破口。光合微生物能源凭借其生产能耗低、可再生、环境友好、条件温和等优点，被认为是目前最具有潜力的新能源之一。然而，由于目前微生物能源转化过程中的反应条件和工艺尚不成熟，导致其转化效率和经济性相对较差。其中，光生物反应器作为微生物能源转化的反应场所，将直接影响微生物能源转化过程中的传热传质与流动特性，从而对微生物能源转化效率起到至关重要的作用。因此，反应器结构改进及反应器内部微生物能源转化过程优化对于提高微生物能源转化效率十分必要。熵产率分析在换热器、化工反应器和燃料电池等能量系统中有着广泛的应用，作为同样涉及到流动、传热传质以及生化反应的能量系统，光生物反应器中传递效率和其中的不可逆损失是影响光生物反应器效率的重要因素。由于微生物培养实验周期长，且很难得到反应器内速度场、温度场以及浓度场分布，而将数值模拟与实验得出的微生物生长动力学模型结合起来能很好地弥补实验这一不足，为光生物反应器的优化设计提供一定的指导作用。本文利用数值模拟软件模拟光生物反应器中的传递及转化过程，并利用热力学第二定律熵产率分析的方法对其进行优化分析。　　本文针对生物膜光生物反应器、包埋颗粒光生物反应器和悬浮式光生物反应器三种不同形式的反应器进行了数值模拟，获得了其速度、温度、浓度场分布规律以及底物降解和产物生成速率，并基于场分布对反应器中传递过程的不可逆熵产率进行了计算分析，研究了培养液流速、底物浓度、温度、光强、pH、曝气率、反应器结构等参数对底物降解效率、产物生成速率及不可逆熵产的影响，并提出了一种综合不可逆损失和反应速率的评价光生物反应器运行参数的新方法——单位底物降解量的不可逆熵产 S/Rc（以降解底物为主要目的）和单位产物生成量的熵产 S/Rh最小（以生产产物为主要目的）原则，据此得出了三种不同形式反应器的最佳运行条件，主要研究结果如下：　　①针对生物膜式光合细菌生物反应器内传递及转化过程，进行了数值模拟和熵产率分析，结果表明传热和传质引起的熵产率占主要部分，而粘性流动引起的熵产率相对较小，可以忽略不计。运行条件变化时，总熵产率的变化主要受传质引起的熵产率变化的影响，而传热引起的熵产率变化不大，因此强化传质可以减少不可逆损失；对于本文所模拟的生物膜式反应器，其最佳运行条件为：温度30 ℃、培养液流量70 mL/h、入口培养液葡萄糖浓度为70 mol/m3。　　②通过对填充床反应器中单包埋颗粒的速度场、温度场和浓度场以及葡萄糖传质引起的熵产率分布的模拟，得到如下结果：传质阻力主要集中在包埋颗粒内，其熵产率占主要部分；随着培养液中葡萄糖浓度的增加，葡萄糖传质引起的熵产率单调减小；温度变化时，传质引起的熵产率先增大后减小，在30 ℃时达到最大值；而在培养液流量增大时，葡萄糖传质引起的熵产率缓慢减小，最后趋于平缓；在pH和光强变化时，熵产率的变化呈相同的变化趋势，均是先增大后减小，分别在pH=7和I0=6000 lx时达到最大值。得到了葡萄糖初始浓度、温度、流量、pH以及光强对葡萄糖降解速率和氢气生成速率的影响，结果表明在 c0=60 mol/m3、T0=30 ℃、qv=4 mL/h、pH=7、光强I0=6000 lx时葡萄糖降解速率和氢气生成速率均达到最大值；通过计算单位葡萄糖降解量和单位氢气生成量对应的不可逆传质引起的可用能损失，以损失最小为原则，得到最佳运行条件为c0=60 mol/m3、T0=30 ℃、qv=4 mL/h、pH=7、光强I0=6000 lx。　　③通过对体心堆积和面心堆积两种堆积方式的包埋颗粒反应器的模拟计算，结果表明：两种堆积方式的变化趋势相同，葡萄糖降解速率和氢气生成速率均在c0=60 mol/m3、T0=30 ℃、Re=0.6时达到最大值，而且面心立方堆积反应器的葡萄糖降解速率与产氢速率均比体心立方高约6.8％左右。在熵产率方面，两者的变化趋势相同：随着培养液中葡萄糖浓度的增加，葡萄糖传质引起的熵产率单调减小；温度变化时，传质引起的熵产率先增大后减小，在30 ℃时达到最大值；而在培养液流量增大（Re数增大）时，葡萄糖传质引起的熵产率缓慢减小，从Re=0.6时开始趋于平缓；对于单位反应器体积的熵产率，面心立方始终高于体心立方堆积方式。　　④通过对悬浮式光生物反应器内流动与熵产进行模拟计算，得出以下结论：与普通未安装隔板的平板式微藻光生物反应器相比，增加隔板会加强反应器内的环流，从而加强反应器内培养液的混合。通气率和隔板长度的增加以及上升区的增大均会造成流动引起的熵产率增加，而平均气含率随着通气率的和上升区的增大会逐渐增加，但是培养液中气含率随板长增加而减小。

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符号说明

1 绪 论

1.1 概述

1.2 微生物能源技术概述

1.3 热力学熵分析及其在能量系统中的应用

1.4 Comsol Multiphysics简介

1.5 本课题的主要研究工作

2 光合细菌平板生物膜反应器内传递及转化过程的模拟及熵

2.1 引言

2.2 物理与数学模型

2.3 模型求解及验证

2.4 运行条件对反应器性能的影响

2.5 本章小结

3 绕流光合细菌单包埋颗粒传递及转化过程的模拟及熵产率

3.1 引言

3.2 物理与数学模型

3.3 模型的求解及验证

3.4运行条件对反应器性能的影响

3.5 本章小结

4 光合细菌包埋颗粒堆积反应器传递及转化过程的模拟及

4.1 引言

4.2 物理与数学模型

4.3 模型的求解及验证

4.4 运行条件对反应器性能的影响

4.5 本章小结

5 悬浮式平板光生物反应器的流动特性模拟及熵产率分析

5.1 引言

5.2 物理与数学模型

5.3运行条件对反应器内流动特性的影响

5.4 本章小结

6 总 结

6.1 本文结论

6.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B 作者在攻读硕士学位期间获得的奖励

C 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目