组合转子管式光生物反应器气液两相流混合特性研究

发布时间：2020-10-09 06:06

　　 生物柴油作为微藻产业化培养技术的产品之一,被认为是具有广阔发展前景的清洁可再生能源。作为用于大规模、产业化养殖生物柴油原料的微藻培养设备——光生物反应器(PBR)其应具备成本低、产量高、易于维护的商业化特点。管式光生物反应器(T-PBR)由于其比表面积大、封闭抗污染、可操控性好的优点从众多类型的PBR中脱颖而出。但同样存在着混合传质性能不佳,微藻易附壁沉积,放大较困难的问题。针对这些缺陷,通过改进T-PBR的内部结构,优化流场,来增大反应器容积,提高流体的混合传质效果,改善微藻在管中的分布状态,从而整体提高T-PBR的性能。这对于提高微藻产量,指导大规模生产具有重要意义。本文简要介绍了通过微藻进行生物柴油制备的研究进展以及影响微藻生长的因素。对典型PBR的结构、优缺点、应用前景进行了详细的描述。重点阐述了用于改善T-PBR流体混合特性的“洁能芯”组合转子的结构、原理和应用。并通过计算流体力学(CFD)模拟分析和可视化实验验证相结合的方法,来优化组合转子T-PBR的结构,促进气液两相流的混合。本文设计了一种具有弧形折边结构的翼片转子,并与两叶片转子进行了比较分析,结果表明:翼片转子的特殊结构能够显著提高T-PBR中的气含率,提高气液两相间传质效果,相较两叶片转子管和光管,气含率分别提高了 53.7%和26.5%,利于微藻对碳源的吸收。本文分析了 T-PBR在不同倾角(0°、30°、60°、90°)条件下的气液两相流混合特性,结果显示:随着倾角的增加,气速和流体湍动能不断增加,内置转子后效果更加明显,因此,在90°倾角、内置转子条件下,气液两相流流体的混合能力更强,更有利于微藻的生长。本文对一种大管径多转子串T-PBR进行了模拟研究。探究转子串数量、转子串排布形式、转子类型等因素对流场的影响。结果表明:通过旋转能够重合的不同转子串排布形式对液相流体的混合性能影响较小,但对气相流体影响较大;在一定范围内,呈单圈环形排布的多组转子串管路的混合性能优于呈内外圈环形排布的同样数量转子串管路的混合性能;在管径不变以及不影响转子正常旋转的前提下,增加转子串数量可以显著提高T-PBR的混合性能。本文对大管径多转子串T-PBR进行了可视化实验研究,直观的验证了模拟方法和结果的准确性,得出结论:旋转对称的组合转子排布形式对连续相流场引起的差异极小;在实验条件下,适当增加转子串数量能够显著增加对液相流体的混合效果;在气相浮于管路顶部后,最上方转子能够搅动气液相分界面的转子排布形式,混合效果更好。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK6
【部分图文】：

能利用率的沿程曝气型套管式光生物反应器。该装置的优点是能够增加单位光照面积、逡逑强化管内的混合效果、缓解浓度梯度对管长的限制等。Ｔｒ0ＳｃｈＷ［４６］设计了一种在直管逡逑段设有凹陷结构（图１－４）的管式光生物反应器，其不仅增加了反应器的比表面积，逡逑又能够使流体绕柱时产生漩涡，增加湍动程度促进混合传质，但其加工困难，成本较逡逑尚。逡逑（邋Ｎ邋逦逡逑0邋＆邋＆逡逑缚马＾＿３逡逑＾＾逡逑３０邋ＶＩＥＷ逦ＬＯＮＧｆｒＵＤｌＫＡＬ逦ＰＬＡＮ邋ＶＩＥＷ逡逑ＳＥＣＴＩＯＮ逡逑图１－４邋Ｔｒｏｓｃｈ邋Ｗ设计的管式光生物反应器中的凹陷结构逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｃｏｎｃａｖｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｉｎ邋Ｔ－ＰＢＲ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｔｒｏｓｃｈ邋Ｗ逡逑８逡逑

ＨＨｌＨｒ：邋ｍｍ邋ｍｍｍｍｍ邋Ｉ逡逑Ｉ娭Ｈ逡逑图１－３管式光生物反应器实验装置逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｄｅｖｉｃｅ邋ｏｆ邋Ｔ－ＰＢＲ逡逑Ｓｒｅｅｋｕｍａｒ邋＃４３］设计了一个实验室规模的管式光生物反应器，它由数组有机玻璃逡逑直管和Ｕ型弯管连接组成，容积１０Ｌ，用两个４０Ｗ的荧光灯提供光照，通过与同样逡逑培养条件的实验室规模的跑道池反应器对比，前者培养的微藻脂质含量和藻密度都远逡逑高于后者。Ｌｅｅ［４４］设计了一种倾斜放置的复合管式光生物反应器，其直管段与地面呈逡逑２５°夹角，上端与竖直管相连，两组对称交叉放置，形如字母ａ，被称为“ａ形”管式逡逑光生物反应器。井广宁等［４５］设计了一种有内置曝气管的可增强反应器中气液传质和光逡逑能利用率的沿程曝气型套管式光生物反应器。该装置的优点是能够增加单位光照面积、逡逑强化管内的混合效果、缓解浓度梯度对管长的限制等。Ｔｒ0ＳｃｈＷ［４６］设计了一种在直管逡逑段设有凹陷结构（图１－４）的管式光生物反应器，其不仅增加了反应器的比表面积，逡逑又能够使流体绕柱时产生漩涡，增加湍动程度促进混合传质，但其加工困难，成本较逡逑尚。逡逑（邋Ｎ邋逦逡逑0邋＆邋＆逡逑缚马＾＿３逡逑＾＾逡逑３０邋ＶＩＥＷ逦ＬＯ

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本文编号：2833322