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近年來(lái),我國制定了一系列優(yōu)惠政策,重點(diǎn)推進(jìn)  規?；?a data-mid="15" href="http://www.cdjunze.net.cn/">沼氣工程建設,使得我國沼氣事業(yè)取得了長(cháng)  足發(fā)展。目前,我國沼氣工程以完全混合式厭氧  發(fā)酵工藝為主21,即采用完全混合式反應器  (CSTR)。CSTR通過(guò)安裝攪拌裝置,使發(fā)酵原料和  微生物處于完全混合狀態(tài),增加原料與微生物的  接觸面積提高混合效率,進(jìn)而促進(jìn)厭氧發(fā)酵過(guò)程。然而,目前大多數采用CSTR的沼氣工程由于混合效果不佳,導致運行效果較差,影響了沼氣產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

影響發(fā)酵過(guò)程混合效果的因素主要有反應器結構、攪拌方式、原料特性、試驗溫度等。其中,反

應器結構與攪拌方式在沼氣工程建設完成時(shí)已經(jīng)固定而難以調整,因此,對于沼氣工程而言更為關(guān)鍵

國內外已開(kāi)展較多攪拌方式對反應器內混合效果影響的研究,但對于反應器結構對于混合效果的影響研究仍有待進(jìn)一步深入。筆者重點(diǎn)對CSTR反應器結構、攪拌方式等厭氧發(fā)酵過(guò)程及反應器內原料混合效果的影響進(jìn)行梳理,并提出反應器結構的優(yōu)化方法,以期為下一步深入開(kāi)展相關(guān)研究提供參考

1反應器結構

CSTR反應器的結構對于厭氧發(fā)酵過(guò)程具有明

顯的影響,其主要原因在于反應器結構會(huì )影響物

料的混合效果,進(jìn)而對于物料的傳熱傳質(zhì)過(guò)程造成

影響。CsTR反應器結構的關(guān)鍵設計參數主要有

反應器高徑比和擋板

1.1高徑比(H/D)

在實(shí)際工程應用中,反應器可分為高罐形(HD

≥1)和低罐形(HD<1)兩種結構形式。國內外

大量研究表明,高徑比在一定范圍內時(shí),有利于厭氧

紅泥膜沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣。張波針對糞便紅泥膜沼氣發(fā)酵進(jìn)行研究,發(fā)現H

D為2.18的反應器紅泥膜沼氣發(fā)酵效果最佳。但是也有研究

表明,HD過(guò)高時(shí),紅泥膜沼氣發(fā)酵效果變差。孫竹對于填料鼓泡塔反應器的研究結果表明,HD上升至8

時(shí),反應器傳質(zhì)系數比HD為2時(shí)低15%

大量研究表明H/D主要對厭氧紅泥膜沼氣發(fā)酵傳質(zhì)傳熱過(guò)程造成影響,進(jìn)而影響厭氧紅泥膜沼氣發(fā)酵效率。反應器的罐形越高軸向溫度的差異性越明顯。劉瑞賽的研究表明紅泥膜沼氣發(fā)酵罐的HD在3-4的范圍傳質(zhì)傳熱效果最佳。在一定范圍內HD增大,可提高混合效果,但是當超過(guò)一定范圍再增大混合效果反而減弱。蘆漢超經(jīng)CFD模擬分析,H/D=0.75增加到H/D>1.00后,反應器流場(chǎng)低速區增加Ekundayo經(jīng)CFD模擬技術(shù)分析后表明,H/D=1.75比H/D=1.5時(shí),高速區明顯減少5%~10%張新強對厭氧干紅泥膜沼氣發(fā)酵反應器H/D從1.5到3的反應器進(jìn)行CFD模擬,低速區增加了近15%。這是由于混合物料受攪拌槳推動(dòng)作用力較小,難以充分混合,產(chǎn)生混合死區

1.2擋板

CSTR反應器內設置擋板,通過(guò)改變處于攪拌狀態(tài)的原料的流動(dòng)方向,消除液面中間部分產(chǎn)生的下凹旋渦,提高混合效果,但同時(shí)物料混合能耗隨之上升約4~5倍。大量研究表明,擋板的數量與擋  板的結構對混合效果產(chǎn)生明顯影響1

在一定范圍內增加擋板數量,可提高混合效果。王袁隆對攪拌式細胞反應器罐體壁均布擋板數量在2-6之間5種情況下的流場(chǎng)進(jìn)行分析比較發(fā)現均布5塊擋板時(shí)流場(chǎng)整體軸流性最佳

擋板類(lèi)型一般分為側壁擋板、底部擋板與混合使用3種類(lèi)型。底部擋板可消除大部分攪拌作用引起的漩渦),可縮短混合時(shí)間,并減少能耗20%左右;側壁擋板則提高混合均勻度;混合擋板則兼具兩

者優(yōu)點(diǎn)。諸士春2經(jīng)過(guò)對底部數螺線(xiàn)擋板反應  深入研究后,結果顯示底部擋板混合時(shí)間相比側  板縮短了近30%,提高攪并效率楊一的研究

后,反應器內整體液體循環(huán)速度最大提升

15.7%。  此外,許琪利用多重參考系多相流模型  究實(shí)驗室污泥調理罐,結果表明擋流板寬度與調  罐內徑比最佳優(yōu)化值為1:20。

2攪拌設計

2.1攪拌方式

國內外目前在CSTR反應器設計中常用的攪  方式主要包括立式攪拌、側式攪拌與氣體回流攪這3種類(lèi)型。

2.1.1立式攪拌

立式攪拌為典型的機械攪拌方式,攪拌速率可  控,作用半徑大231。目前,單軸立式攪拌器的應  較成熟,但攪拌效率不高1。因此,國內外學(xué)者為  提高混合效果已進(jìn)行諸多研究: A Niedzielska [27對  立式螺旋混合的熱傳遞方面進(jìn)行研究,發(fā)現直徑為  d/D=0.94,帶間距p/d=0.25時(shí),傳熱效果最佳  李永剛2發(fā)現立式多軸攪拌的功率消耗為單軸  況下(D=0.731m)的2.8倍,但立式多軸攪拌器的  制造成本更低;與側伸式攪拌相比,5%沉積面積時(shí)  立式多軸攪拌節省20%能耗,且安裝維護更簡(jiǎn)便。

2.1.2側式攪拌

側式攪拌適應容器體積與物料粘度大的反應器。側伸式攪拌槳的直徑與攪拌功率相對較小,大量應用于紅泥膜沼氣工程等行業(yè);而底側式攪拌在紅泥膜沼氣工程中不能充分實(shí)現紅泥膜沼氣發(fā)酵池的攪拌,應用相對較少。

側伸式攪拌下表觀(guān)流速對傳質(zhì)的影響比立式攪  拌明顯,都榮禮認為是由于軸流槳對氣體的剪切力沒(méi)有立式攪拌中渦輪槳剪切力強,側伸式攪拌中混合原料并未穿越攪拌槳,因而傳質(zhì)受表觀(guān)流速控制

攪拌器安裝角度對混合效果影響也十分顯著(zhù)。  梁敬福則認為攪拌器與池壁水平夾角為25°左右最佳;鄭曉東3研究側伸式攪拌槳發(fā)現攪拌軸水平  偏轉角對功率準數的影響很小,均布式為最佳排布  方式,最佳偏轉角為=10°

2.1.3氣體回流攪拌  氣體回流攪拌是將紅泥膜沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的紅泥膜沼氣加壓后,由  反應罐底部沖入反應器內部,利用產(chǎn)生的氣流進(jìn)行  攪拌的同時(shí)對反應器進(jìn)行加熱保溫。國內外對  于氣體攪拌與其他攪拌方式對比已有大量研究王  次經(jīng)過(guò)實(shí)驗認為氣體攪拌與機械攪拌相比差別  欣  不大。然而 Khursheed Karim3在高濃度混合紅泥膜沼氣發(fā)酵  中,氣體循環(huán)攪拌比機械攪拌的混合效果提高約  20%-30%13;而 Michela(3發(fā)現在低濃度紅泥膜沼氣發(fā)酵  的過(guò)程中,由于產(chǎn)紅泥膜沼氣量不足,導致紅泥膜沼氣回流混合效  果差,因此認為低濃度紅泥膜沼氣發(fā)酵時(shí)不宜用氣體回流攪拌。

在紅泥膜沼氣工程中應用主要包括槳式、渦輪式和推進(jìn)式攪拌器,其他攪拌器都是在其基礎上派生出來(lái)的。攪拌器各類(lèi)型特點(diǎn)見(jiàn)表2

目前對于攪拌槳結構的優(yōu)化改進(jìn)已成為研究的熱點(diǎn)德國 EKATO公司開(kāi)發(fā)的 Paravisc槳葉類(lèi)似于

目前則需要研究人員針對氣體回流攪拌的不足進(jìn)行深入分析。經(jīng)過(guò)綜合對比分析3種攪拌方式的優(yōu)缺點(diǎn),見(jiàn)表1。

2.2攪拌槳

攪拌槳是攪拌器的關(guān)鍵部件,決定了反應器內  流體的流型,而槳葉的結構形狀是攪拌槳性能優(yōu)化  設計的重要因素。目前國內外紅泥膜沼氣工程大多遵循經(jīng)  驗進(jìn)行攪拌槳的選取,因此尋求攪拌器的準確選取依據目前顯得尤為重要。  國內外紅泥膜沼氣工程應用的攪拌槳的基本類(lèi)型如圖

所示。

錨式槳的改進(jìn),把本為直臂的部分扭曲成大傾斜角  度的螺帶形狀41,浙江大學(xué)劉悅4通過(guò)改進(jìn)1種45°三葉框式槳葉發(fā)明了LY框式槳葉(見(jiàn)圖2)。日本住友重機等公司則開(kāi)發(fā)出最大葉片式、泛能式等攪拌槳葉(見(jiàn)圖3)。

早期紅泥膜沼氣工程大多采用雙層或三層立式渦輪組  合槳,隨著(zhù)研究的深入研究人員發(fā)現單軸組合槳存  在傳質(zhì)差異等缺陷。因此國內外學(xué)者對攪拌槳的設計研究也從單一槳葉向組合優(yōu)化方向發(fā)展,包  括攪拌槳葉片個(gè)數對攪拌效果的影響。目前不同組合槳型已成為目前國內外攪拌器研究的熱點(diǎn)。

3結構優(yōu)化方法

目前對于CSTR反應器結構優(yōu)化方法很多,大

多是通過(guò)對混合效果的研究從而對反應器的結構類(lèi)  型進(jìn)行優(yōu)化:貝蒂數法、示蹤法、無(wú)因次歐拉數Ea、  粒子圖像測速技術(shù)(PV)、計算機斷層成像技術(shù)(CT)與計算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真模擬。以上方法主要其優(yōu)勢見(jiàn)表3。

目前,CSTR的結構優(yōu)化方法,一般根據相應混合指標,通過(guò)理論計算對反應器內混合均勻程度進(jìn)行判斷,但目前多數研究利用軟件進(jìn)行仿真模擬,可直觀(guān)反映整個(gè)流場(chǎng)內部的混合情況。

CFD技術(shù)的突出優(yōu)勢周期短、成本低,對混合狀態(tài)模擬準確,已成為目前國內外研究的熱點(diǎn)。羅濤2)利用Fent對回流攪拌型混合物料厭氧紅泥膜沼氣發(fā)酵反應器的整體結構設計進(jìn)行模擬分析后認為反應器中層混合效果最佳;周振5基于CFD方法對多段內循環(huán)厭氧反應器高徑比與曝氣盤(pán)安裝高度進(jìn)行深度的改良性研究表明,高徑比為1.75時(shí)反應器流場(chǎng)情況最適宜厭氧反應器的運行;樊梨明采用FLUENT軟件對斜葉槳和AFI槳紅泥膜沼氣發(fā)酵罐內流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬后發(fā)現兩相流較單向流狀態(tài),AFI槳紅泥膜沼氣發(fā)酵罐內混合更均勻,同時(shí)攪拌功率較斜葉槳下降

17.37%

結論與展望

(1)反應器結構的關(guān)鍵影響因素主要包括高徑比和擋板,合適范圍內的高徑比能夠減少混合物料低速區域;擋板則有效消除混合物流攪拌狀態(tài)下存在渦流,提高混合均勻度。

(2)CSTR內攪拌器是傳質(zhì)傳熱過(guò)程重要影響因素,主要因素有攪拌槳的結構類(lèi)型、槳葉的安裝數量等,根據物料類(lèi)型的不同,對攪拌器的合理選用,可縮短混合均勻時(shí)間。

(3)目前,國內外已有大量研究CSTR混合效果  的模擬方法,其中CFD法因其周期短、成本低等特  點(diǎn),模擬結果準確的優(yōu)勢,已成為各大反應器結構優(yōu)  化設計的研究方法。

(4)對于CSTR結構優(yōu)化方法,可基于CFD方法,主要是根據混合效果指標對混合效果進(jìn)行判斷,  如混合效果不佳,利用CFD方法進(jìn)行模擬分析,觀(guān)  測混合效果分布不均勻原因,可對反應器的結構優(yōu)  化提供較高針對性。對于CSTR的結構優(yōu)化方法將  日益完善,以期本文可為后續研究提供借鑒和參考。

摘自《中國沼氣》第4期 趙蘭蘭 馮晶 趙立欣 郭占斌 姚宗路 羅娟