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燃料乙醇发酵设备的计算流体动力学模拟和混合原理的研究

作　者: 张会丽
导　师: 谭天伟
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 燃料乙醇 混合 CFD 气泡上升
分类号: TQ223.122
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


燃料乙醇是一种重要的可再生能源，燃料乙醇发酵过程和发酵设备的研究具有重要应用价值。利用计算流体力学（CFD）方法来辅助发酵罐内混合过程和设备的研究能够弥补经验方法的不足，有助于技术创新和理论发展。本文利用CFD方法和实验的方式对燃料乙醇发酵罐内的醪液混合过程和混合设备进行了研究。发酵醪液在发酵罐内的混合过程是通过侧入式机械搅拌、生物反应过程产生的CO2上升和外循环流动三者混合作用实现的。侧入式搅拌器作用方式为射流，主要作用区域为发酵罐底部，圆锥形凸起可以缓解固形物的沉积；对设备进行了优化，优化后的发酵设备功率降低了10%。生物反应过程中产生的气泡在上升过程中会带动周围流体的运动，形成局部的混合作用，气泡大小决定了气泡群上升的速度，气泡体积和尾涡决定了气泡引起的混合量，并提出了计算气泡混合量的公式，可以在理论上计算生物产气过程的循环量；而外循环在热交换中有重要作用，但其在流体混合方面的作用有限。综合比较以上三个影响，CO2上升对混合过程的影响最大，机械搅拌次之，外循环流动影响最小。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 文献综述  10-26
  1.1 课题研究背景  10-11
    1.1.1 燃料乙醇发展现状  10-11
    1.1.2 燃料乙醇发酵反应  11
  1.2 搅拌器分类及研究进展  11-14
  1.3 计算流体动力学方法在搅拌式反应器中的应用  14-18
    1.3.1 CFD 在搅拌式反应器中应用的进展  14-15
    1.3.2 侧入式搅拌器的应用及研究进展  15-18
  1.4 计算流体动力学原理  18-23
    1.4.1 流体流动基本守恒定律  18-21
    1.4.2 计算流体力学的模拟方法  21-23
    1.4.3 常用 CFD 软件  23
  1.5 影响 CFD 模拟的因素  23-25
    1.5.1 网格精度对模拟结果的影响  23
    1.5.2 搅拌桨产生的尾涡  23-24
    1.5.3 复杂搅拌桨叶的模拟  24
    1.5.4 湍流模型的选择  24
    1.5.5 空间离散格式  24
    1.5.6 小结  24-25
  1.6 本课题研究的主要内容和意义  25-26
第二章 生物发酵反应器模型建立及流场分析  26-52
  前言  26
  2.1 CFD 模拟过程及计算模型  26-28
    2.1.1 CFD 模拟过程  26-27
    2.1.2 CFD 模型  27-28
  2.2 燃料乙醇生产装置的 CFD 计算  28-33
    2.2.1 几何模型建立  28-29
    2.2.2 网格划分和优化  29-31
    2.2.3 参数设定  31-33
  2.3 燃料乙醇发酵罐内流场分析  33-42
    2.3.1 搅拌器作用方式  33-35
    2.3.2 流场分析  35-38
    2.3.3 速度分布  38-40
    2.3.4 外循环进出口影响  40-42
    2.3.5 功率分析  42
    2.3.6 小结  42
  2.4 搅拌设备优化的 CFD 计算  42-50
    2.4.1 流场对比  43-45
    2.4.2 速度分布对比  45-47
    2.4.3 功率对比  47-48
    2.4.4 圆锥状凸起位置优化  48-49
    2.4.5 小结  49-50
  2.5 本章小结  50-52
第三章 气泡对发酵流场内流体混合的影响  52-67
  前言  52
  3.1 气泡对周围液体的作用  52-56
    3.1.1 气泡混合作用原理分析  52-53
    3.1.2 影响气泡混合的参数  53-55
    3.1.3 气泡混合作用原理及公式推导  55-56
  3.2 气体生成对混合影响的实验研究  56-59
    3.2.1 实验试剂  56-57
    3.2.2 实验仪器  57
    3.2.3 实验方法与流程  57-59
  3.3 气泡生成对混合影响的 CFD 模拟  59-61
    3.3.1 CFD 模型的建立  59-60
    3.3.2 网格划分和优化  60-61
  3.4 结果与讨论  61-66
    3.4.1 试验结果讨论  61-65
    3.4.2 模拟结果讨论  65-66
  3.5 小结  66-67
第四章 外循环对发酵流场内流体混合的影响  67-74
  前言  67
  4.1 外循环对混合的影响的实验研究  67-68
    4.1.1 实验试剂  67-68
    4.1.2 实验仪器  68
    4.1.3 实验方法与流程  68
  4.2 CFD 模拟  68-69
    4.2.1 CFD 模型的建立  68
    4.2.2 网格划分和优化  68-69
  4.3 实验结果与讨论  69-72
    4.3.1 循环对混合的影响  69-70
    4.3.2 循环作用的 CFD 模拟  70-72
  4.4 本章小结  72-74
第五章 结论与展望  74-76
  5.1 结论  74-75
  5.2 展望  75-76
参考文献  76-80
研究成果及发表的学术论文  80-81
致谢  81-82
作者及导师简介  82-83
硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  83-84

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 基本有机化学工业 > 脂肪族化合物（无环化合物）的生产 > 脂肪族醇（醇、羟基化合物）及其衍生物 > 脂肪族醇 > 饱和一元醇 > 乙醇（酒精）
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