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增强型UASB反应器数值模拟计算研究

作　者: 席鸿远
导　师: 朱荣凯
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 化学工程
关键词: UASB 计算流体力学（CFD）数值模拟计算流场死区改进均匀分布
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

上流式厌氧污泥床（Up-flow Anaerobic Sludge Bed，简称UASB）反应器的内部的流体运动是一个极其复杂的过程，同时在反应器的内部还存在生化反应，想要对UASB反应器内部的流体运动情况有清晰的认识是比较困难的。本课题在典型第二代厌氧反应器UASB反应器的研究基础之上，通过对UASB反应器内部流体的数值模拟计算，研究反应器内部的流场情况以及对改进后的UASB反应器进行数值模拟分析。针对传统UASB反应器内部废水和污泥混合不均的问题，本课题通过加入机械搅拌和无机械搅拌的流场进行数值模拟计算，对比分析了改良UASB反应器的优点。本课题通过对水力停留时间、添加搅拌桨以及搅拌旋转速度三个工艺参数的改变，应用大型计算流体力学（CFD）软件FLUENT模拟UASB反应器的内部流场，寻求出水力停留时间以及搅拌桨旋转速度这两个影响反应器内部流场因素的最优组合，使UASB反应器内部死区减少、污泥与废水混合充分以及减少污泥流失等目的。数值模拟计算结果表明：对不同水力停留时间条件下（0.5h、1h、1.5h、2h、3h、4h）传统UASB反应器内部流场的稳态数值模拟计算发现，当入口速度为0.5m/h、0.3m/h和0.2m/h时，UASB反应器的底部出现了死区现象，后者死区现象比较明显。当入口水速为0.8m/h时死区较少。而当水速为1.6m/h时，水流速度较大会使部分污泥颗粒流失。只有保证合适的水力上升流速才能使反应器内部的水流分布相对均匀，同时能够使反应区污泥床层中污泥颗粒分布均匀。当水力上升流速不足时会形成较为明显的死区，污泥颗粒不可能均匀分布并与废水完全混合，会导致UASB反应器处理效果的降低。通过添加搅拌桨的方式对传统UASB反应器进行改良操作。通过对UASB反应器的三维数值模拟，针对50r/min、70r/min、90r/min、110r/min、130r/min、150r/min、170r/min、190r/min、210r/min九个不同转速下反应器内部流场进行了稳态数值模拟。从不同位置的液相速度分布矢量图和固相体积分率图等多个结果显示形式，对改良后的UASB反应器的流场进行了系统分析说明。从分析的结果来看，当反应器的转速在150r/min时，保持恒定水力上升流速0.2m/h，这种条件下，反应器内部的污泥颗粒分布均匀，没有死区形成。同时，在同样的条件下，废水能够均匀的分布于反应器的内部，使污泥颗粒能够与废水良好的接触，提高了反应器的处理能力和容积负荷，缩短了反应器的启动时间。通过数值模拟计算可以对UASB反应器内部流场有一个较为清晰的认识，能更加深入的理解并分析反应器内部的流场问题，使盲目的设计状况得到了改善。这对UASB反应器实现效能最优化，新型UASB反应器的出现以及UASB反应器的工程实践最大化都具有深远的意义。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第1章绪论  11-24
  1.1 研究背景  11-14
  1.2 国内外 UASB 反应器的研究状况  14-22
    1.2.1 UASB 反应器的实验研究进展  14-17
    1.2.2 UASB 反应器的改进研究状况  17-19
    1.2.3 污水处理反应器数值模拟研究状况  19-20
    1.2.4 UASB 反应器的数值模拟研究  20-22
  1.3 UASB 的发展趋势  22
  1.4 本课题的研究内容、目的及意义  22-24
第2章计算流体动力学技术  24-31
  2.1 计算流体动力学技术  24-30
    2.1.1 计算流体动力学概述  24-25
    2.1.2 计算流体动力学的主要工作过程  25-26
    2.1.3 计算流体动力学的基本原理  26-28
    2.1.4 计算流体动力学的操作步骤  28-29
    2.1.5 计算流体力学在化工方面的应用  29-30
  2.2 FLUENT 软件简介  30-31
    2.2.1 FLUENT 软件概述  30
    2.2.2 FLUENT 软件求解步骤  30-31
第3章 UASB 反应器反应区的数值模拟与流场分析  31-47
  3.1 几何模型建立及网格划分  31
  3.2 反应器数学模型  31-37
    3.2.1 基本方程  31-33
    3.2.2 湍流模型  33-34
    3.2.3 多相流模型简介  34-35
    3.2.4 边界条件  35-36
    3.2.5 数值模拟计算方法  36-37
  3.3 CFD 数值模拟计算结果及流场分析  37-46
    3.3.1 UASB 反应器数值模拟工况  37-38
    3.3.2 液相模拟结果及分析  38-43
    3.3.3 固相模拟结果及分析  43-46
  3.4 本章小结  46-47
第4章 UASB 反应器的改进研究  47-64
  4.1 反应器的模拟工况  47
  4.2 网格划分  47-48
  4.3 数值模拟方法及相关边界条件  48
  4.4 改良 UASB 反应器数值模拟计算结果及分析  48-63
    4.4.1 反应器内部流场中液相分析  48-57
    4.4.2 反应器内部流场中固相分析  57-63
  4.5 本章小结  63-64
结论  64-65
参考文献  65-73
致谢  73

增强型UASB反应器数值模拟计算研究

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