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膜片式微孔曝气生物反应器内流动与传质的研究

作　者: 王正
导　师: 罗惕乾
学　校: 江苏大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 反应器优化设计计算流体力学气液两相流动气含率曝气阻力
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

膜片式微孔曝气生物反应器具有结构简单、操作维修容易、容易控制液相、气相停留时间长、返混低于普通机械搅拌反应器、传质系数高、混合性能好、流动剪切应力低以及节能等特点,因而具有广阔的应用前景,是生物反应器领域的研究热点之一。膜片式气体分布器是膜片式微孔曝气生物反应器的关键部件,它的优劣直接影响反应器内气液流动与传质性能,但目前相关的研究报道还比较少,特别是气体分布器微孔特征参数对反应器内流场、气含率、湍动能和曝气阻力等的影响。由于反应器内气液两相流动的复杂性,目前实验或者理论分析只能得到部分区域的流场情况,还不能得到整个反应器内气液两相流场的分布。为了更微观更本质地了解膜片式微孔曝气生物反应器内流体流动和传质,探索反应器的设计和放大的理论依据,本文研究工作的主要内容如下:1、优化设计了膜片式微孔气体分布器。实验研究了微孔孔型、大小、数目对曝气阻力的影响,并根据实验数据的回归分析得出膜片式气体分布器曝气阻力的实验关联式。2、在高1.0m、直径0.3m、罐压0.1MP的膜片式微孔曝气生物反应器中,实验研究曝气通量、粘度、表面张力、操作压力、静液高度等对气含率的影响,并根据实验数据的回归分析得出微孔曝气反应器内气含率的实验关联式。3、设计并建造了70L膜片式微孔曝气生物反应器实验装置,采用粒子成像测速技术(Particle Image Velocity,PIV)和溶氧电极系统对反应器内液相流动速度及溶氧浓度进行实验测定。4、在对膜片式微孔曝气生物反应器内部流动分析基础上,从气液两相双流体κ-ε湍流模型出发,考虑了膜片式微孔曝气生物反应器中气泡的聚并破碎、气液两相间相互作用和滑移,建立了描述反应器内部复杂流动和相间传质的CFD数学模型,并应用经典的双膜理论模型描述气液两相间的氧传递过程。5、运用计算流体力学软件FLUENT6.2对模型进行求解,通过求解得到了包括气液两相速度场、湍动能分布、局部气含率分布、气泡聚并破碎后的直径分布及混合物密度分布等信息。6、数值模拟结果和实验结果进行了对比分析。CFD数值模拟的结果与实验结果在数值上有一定的偏差,但两者总的变化趋势一致。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-31
  1.1 生物反应器的类型  12-16
    1.1.1 机械搅拌式生物反应器  12-13
    1.1.2 环流式生物反应器  13
    1.1.3 鼓泡式生物反应器  13-14
    1.1.4 射流自吸式生物反应器  14-15
    1.1.5 膜片式微孔曝气生物反应器  15-16
  1.2 膜片式微孔曝气生物反应器内气液流动的研究进展  16-22
    1.2.1 生物反应器内气液两相流动的研究进展  17-18
    1.2.2 气含率的研究进展  18-19
    1.2.3 液体循环速度的研究进展  19-20
    1.2.4 反应器内曝气阻力的研究进展  20-21
    1.2.5 氧传质系数的研究进展  21-22
  1.3 生物反应器内气液两相流动数值模拟现状  22-26
    1.3.1 两相流模型  23-25
    1.3.2 湍流模型  25-26
  1.4 本课题研究的目的和主要内容  26-29
    1.4.1 目前存在的问题  26-27
    1.4.2 本课题研究的目的  27-28
    1.4.3 本课题研究的技术路线  28
    1.4.4 本课题研究的主要内容  28-29
  本章小结  29-31
第二章反应器内流动与传质的实验研究  31-60
  2.1 实验测试系统  31-34
    2.1.1 实验装置  31-32
    2.1.2 实验设备和仪器  32-34
  2.2 实验工况  34-37
    2.2.1 反应器内部流动特征  34-36
    2.2.2 实验工况参数  36-37
  2.3 粒子成像测速技术  37-43
    2.3.1 PIV测速基本原理  37-38
    2.3.2 典型PIV技术的光路系统  38
    2.3.3 PIV系统的组成和主要部件  38-41
    2.3.4 有关PIV的重要参数  41-42
    2.3.5 示踪粒子的选择  42
    2.3.6 PIV测量遵循的准则  42-43
  2.4 实验测量与流程  43-47
    2.4.1 气体分布器曝气阻力的测量  43-45
    2.4.2 反应器内气含率的测量  45-46
    2.4.3 反应器中气液两相流动速度的测量  46-47
    2.4.4 反应器中溶氧浓度的测量  47
  2.5 实验结果与分析  47-59
    2.5.1 气体分布器曝气阻力实验结果分析  47-51
    2.5.2 反应器中气含率实验结果分析  51-56
    2.5.3 PIV测量反应器中流场的结果分析  56-58
    2.5.4 反应器中气液传质测量结果分析  58-59
  本章小结  59-60
第三章反应器内流动与传质的基本理论  60-73
  3.1 粘性流体力学基本方程  60-61
  3.2 气液两相流动方程  61-63
  3.3 湍流方程  63-65
  3.4 气液传质模型(双膜理论)  65-67
  3.5 气泡聚并破碎模型  67-72
    3.5.1 气泡直径的确定  67-69
    3.5.2 气泡直径分布模型  69-70
    3.5.3 气泡群平衡方程  70
    3.5.4 气泡破碎模型  70-71
    3.5.5 气泡聚并模型  71-72
  本章小结  72-73
第四章反应器内流体流动与传质的CFD数值模拟  73-88
  4.1 反应器内流动与传质的CFD数值模拟的思路  73-74
  4.2 数值模拟过程  74-77
    4.2.1 几何模型  74
    4.2.2 物理模型  74-77
    4.2.3 数值求解  77
    4.2.4 收敛性分析  77
  4.3 数值模拟结果分析  77-86
    4.3.1 气液两相流速度场分布  79-82
    4.3.2 湍动能分布  82-83
    4.3.3 气泡行为分析  83-86
    4.3.4 气液混合物密度分布  86
  本章小结  86-88
第五章实验结果与模拟结果的对比分析  88-96
  5.1 流场特性的对比分析  88-90
  5.2 湍动能的对比分析  90-91
  5.3 氧传质的对比分析  91-93
  5.4 反应器中平均气含率分布的对比分析  93-94
  5.5 反应器中气泡直径大小  94-95
  本章小结  95-96
第六章结论与展望  96-98
  6.1 本课题研究结论  96-97
  6.2 未来展望  97-98
参考文献  98-102
致谢  102-103
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  103

膜片式微孔曝气生物反应器内流动与传质的研究

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