[發明專利]升流式厭氧發酵生物制氫反應器的優化設計方法及其應用

有效

• 申請號: 201410293478.8
• 申請日: 2014-06-26
• 公開（公告）號: CN104050330B
• 公開（公告）日: 2018-07-10
• 發明（設計）人: 王旭;劉俊新
• 申請（專利權）人: 中國科學院生態環境研究中心
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京鼎佳達知識產權代理事務所(普通合伙) 11348
• 代理人: 王偉鋒

1.一種升流式厭氧發酵生物制氫反應器的優化設計方法，包括如下步驟：前處理—幾何建模與網格劃分；計算求解—計算模型選擇、邊界條件定義與迭代求解；后處理—流場數據獲取與優化比選；具體步驟如下：

(一)前處理：幾何建模與網格劃分

利用ANSYS GAMBIT 2.4.6按照厭氧生物制氫反應器的幾何尺寸，進行三維幾何建模和網格劃分，其中：建模過程將升流式厭氧發酵生物制氫反應器按照上下兩個部分進行建模；網格生成采用非結構化四面體網格生成方法，并且采用局部網格加密對進水區和三相分離區兩個計算域中壁面附近的網格點重新布置，同時為各模型選擇并命名邊界類型，導出幾何模型的網格文件；

根據升流式厭氧發酵生物制氫反應器實際幾何尺寸，在ANSYS GAMBIT 2.4.6中進行模型構建和網格劃分，進行邊界條件定義和計算域類型設置，導出網格文件；

(二)計算求解：計算模型選擇、邊界條件定義與迭代求解

采用歐拉-歐拉多相流體模型模擬升流式厭氧發酵生物制氫反應器中氣、液、固三相流運動規律，其中，廢水、污泥和發酵氣體視為三種不同的連續流，建立湍流模型模擬反應器內部流場，所述湍流模型采用標準的湍動能耗散率k-ε模型；

(1)計算模型選擇

1)控制方程

在歐拉-歐拉多相流體模型中，質量守恒方程和動量守恒方程，均在三維計算域中得到求解；氣、液、固三相根據各自的體積分率共享壓力場；每一相的運動由各自對應的動量守恒方程和質量守恒方程控制；

各相的質量守恒方程，亦即連續方程，如下：

其中，ρ_k是相k的濃度，λ_k是相k的體積分率，u_k是相k的速度矢量；在如下公式中，角標L、S、G分別代表液相、固相和氣相；

由于各相假定為不可壓縮，所以式(1)簡化為：

各相的動量平衡方程，如下：

其中，p是壓力，μ_ef是有效粘度，g是重力加速度，M_I，LG是氣相與液相之間的傳動力，M_I，LS是固相與液相之間的傳動力；

滿足兼容性條件的體積分率如下：

2)相間作用力方程

在模擬過程中，固相和氣相作用于液相的曳力通過如下公式計算：

其中，C_D是曳力系數，d是氣泡直徑d_G或者污泥顆粒直徑d_S；

對于氣相與液相之間的曳力系數C_D,LG由Schiller-Naumann曳力模型獲得，如下：

其中，Re是相對雷諾數，通過如下獲得：

對于固相與液相之間的曳力模型C_D,LS由Wen-Yu曳力模型獲得，如下：

相應的雷諾數由下式獲得：

另外，垂直作用于固相與氣相的相對運動方向上的升力通過下式獲得：

M_L,LG＝C_Lρ_Lλ_G(u_G-u_L)×(▽×u_L) (13)

M_L,LS＝C_Lρ_Lλ_S(u_S-u_L)×(▽×u_L) (14)

3)湍流模型

在初步探究多相流模擬運動規律時，我們假定單相流k-ε湍流模型能夠考察本研究的湍流效應，我們假定湍流效應只局限于液相中；

液相的湍流粘度通過k-ε湍流模型獲得：

液相的湍動能k和能量耗散率通過下式獲得：

其中，Π_kL代表了固相對液相的影響以及分散的湍動程度的預測，Π_εL代表了對固相湍動程度的預測，這都由Techen理論獲得；湍動模型中的參數都取用標準值：C_ε1＝1.44，C_ε2＝1.92，C_μ＝0.09，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3；

4)葡萄糖發酵降解動力學模型

根據生物厭氧發酵產氫反應中氣相和液相的發酵產物，葡萄糖的乙醇型發酵表示為：

C₆H₁₂O₆+H₂O→CH₃COOH+CH₃CH₂OH+2H₂+2CO₂ (18)

糖蜜廢水中的葡萄糖降解速率遵循Michaelis-Menten公式，如下：

式中，r為葡萄糖降解速率，mol/L·h；

r_m為最大降解速率，mol/L·h；

K_m為米氏常數，mol/L；

C為葡萄糖濃度，mol/L；

在正常運行的生物制氫反應器中，底物濃度C<0.0016mol/L，因此有K_m+C≈K_m；所以，經過簡化后的葡萄糖表觀降解速率為：

r_obs＝k_obsC (20)

式中，r_obs為葡萄糖表觀降解速率，mol/L·h；k_obs為表觀速率常數，2.06h^-1；

因此，葡萄糖降解速率為：

r_obs＝2.06C (21)

(2)邊界條件定義

在數值計算過程中，對廢水泵入升流式厭氧發酵生物制氫反應器的入口設定為固定流量入口邊界條件，邊界紊流條件設定為低紊流強度；處理后的混合液流出升流式厭氧發酵生物制氫反應器的出口設定為大氣壓條件下的靜壓力出口邊界條件；反應器頂部的發酵氣體出口邊界設定為脫氣邊界條件；其中，所有其他固體表面，包括擋板、反應器壁均設定為壁面邊界條件，對于混合液是無滑移壁面，對于發酵氣體是自由滑動壁面；

(3)迭代求解

利用ANSYS FLUENT 7.0求解器，采用高解析格式求解，其中求解Navier-Stocks方程采用分離式解法中的SIMPLE算法，均方根殘差收斂標準為1.0E-4，以液相速度參數和湍動能參數作為殘差收斂檢驗窗口，進行穩態迭代計算，直到殘差收斂，保存計算結果；

將生成的網格文件導入ANSYS FLUENT 7.0求解器中，選擇相應的計算模型，確定一組不同的水力上升流速分別作為計算初值，并定義相應的邊界條件，進行穩態模擬的迭代計算，直到殘差收斂，保存計算結果；

(三)后處理：流場信息獲取與優化選擇

將計算結果進行可視化處理，得到不同水力上升流速工況下每個穩態模擬的液相速度場、固相體積分率、發酵氣體氫氣組分體積分率詳細流場信息，并且根據各流場反饋對制氫系統產氫速率的影響，將模擬得到的不同流態數據進行分析與比較，從而確定最佳水力上升流速，實現升流式厭氧發酵生物制氫反應器內部水力流場的優化設計；

將計算結果進行后期可視化處理，得到不同水力上升流速工況下的水力流場信息；根據最大化厭氧發酵產氫速率的工藝要求對模擬結果進行綜合比較，得到最佳水力上升流速，實現對升流式厭氧發酵生物制氫反應器水力流場的設計優化。

2.根據權利要求1所述升流式厭氧發酵生物制氫反應器的優化設計方法，其特征在于，具體操作步驟如下：

以有效容積為3.35升的升流式厭氧發酵生物制氫反應器進行水力流場優化設計：

(一)前處理：幾何建模與網格劃分

按照升流式厭氧發酵生物制氫反應器的實際幾何尺寸，利用ANSYS GAMBIT 2.4.6對反應器進行幾何建模和網格劃分，建模過程中忽略反應器三相分離擋板、溢流擋板的厚度，將其近似為薄表面結構；

在網格劃分過程中采用非結構化四面體網格生成方法，為了優化計算網格，劃分了三套疏密不同的計算域網格，并進行網格壓降差異分析；

對每個模型進行選擇并定義邊界類型，導出目標反應器模型的Mesh網格文件，命名為EGSB-Mesh；

(二)計算求解：計算模型選擇、邊界條件設置與迭代求解

(1)計算模型選擇

將EGSB-Mesh文件導入ANSYS FLUENT 7.0中，開始定義計算模型；采用歐拉-歐拉多相流體模型模擬升流式厭氧發酵生物制氫反應器中氣、液、固三相流，廢水、污泥和發酵氣體視為三種不同的連續流，建立湍流模型模擬反應器內部流場，所述湍流模型采用標準的湍動能耗散率k-ε模型，模擬與預測廢水厭氧發酵產氫過程采用葡萄糖降解動力學模型；

(2)邊界條件定義

定義模擬涉及的主要物質參數：廢水濃度、污泥床中的污泥占反應區體積、污泥濃度、污泥顆粒粒徑、初始體積分率、氫氣密度和氫氣氣泡粒徑，對廢水泵入升流式厭氧發酵生物制氫反應器的入口設定為固定流量入口邊界條件，邊界紊流條件設定為低紊流強度；處理后的混合液流出升流式厭氧發酵生物制氫反應器的出口設定為大氣壓條件下的靜壓力出口邊界條件；反應器頂部的發酵氣體出口邊界設定為脫氣邊界條件；其中，所有其他固體表面，包括擋板、反應器壁均設定為壁面邊界條件，對于混合液是無滑移壁面，對于發酵氣體是自由滑動壁面；

(3)迭代求解

升流式厭氧發酵生物制氫反應器模擬運行于一臺配置Core^TM2 Duo CPU T93002.5GHz處理器和6GB內存的計算機；模擬占用內存較大，采用64位Windows操作系統支撐模擬運算；采用高解析格式求解，其中求解Navier-Stocks方程采用分離式解法中的SIMPLE算法，均方根殘差收斂標準為1.0E-4，以液相速度參數和湍動能參數作為殘差收斂檢驗窗口，進行穩態迭代計算，模擬運算在33500次迭代后實現收斂；

按以上步驟，分別對升流式厭氧發酵生物制氫反應器在不同水力上升流速條件下的3個穩態工況進行模擬，直到收斂得到3組計算結果，并保存；

(三)后處理：流場信息獲取與優化選擇

利用TecPlot軟件將計算結果進行可視化處理，得到不同水力上升流速工況下升流式厭氧發酵生物制氫反應器每個穩態模擬的速度場、污泥體積分率、發酵氣體氫氣組分體積分率流場信息，根據各流場信息對厭氧生物制氫工藝的影響將模擬結果進行綜合比較，依據最大化厭氧發酵產氫速率的工藝要求，獲得最優模擬工況信息，從而得到最佳水力上升流速和反應器產氫速率。