软锰矿浆烟气脱硫反应器内气-液两相流的数值模拟

为了揭示喷射鼓泡反应器内流动结构和气液分散特性,为该反应器的优化设计提供理论指导,应用计算流体动力学(CFD)方法对反应器内气液两相流动结构进行了数值模拟,并提出气含率方差概念用于定量描述气相分散程度。着重考虑了搅拌转速和表观气速对通气功率、整体气含率和气相分散程度的影响。结果表明:流场的重要特征与前人的类似实验结果和数值模拟结果一致;数值模拟能很好地捕捉了六直叶圆盘涡轮桨的气穴现象;气穴现象会导致通气功率降低且不利于气液混合;整体气含率随转速和表观气速的增加而增大,但从气液混合与能耗的的角度考虑,搅拌转速宜采用200～300 r/min,表观气速为0.04～0.06 m/s。     

桨叶埋深与液面高度对JBR内气-液混合影响的数值模拟

为了获得软锰矿浆烟气脱硫工艺的最佳运行工况,应用计算流体动力学(CFD)方法对其吸收设备——喷射鼓泡反应器(JBR)内气液两相流动进行了三维数值模拟.在FLUENT软件中采用标准k-ε湍流模型与Eulerian多相流模型模拟了喷射鼓泡反应器内流场和气液分散特性,并应用气含率方差的概念定量描述气相的分散程度.着重考虑了上桨埋深和液面高度对整体气含率与气含率方差的影响,并对气含率方差与上桨上下含气区高度比R的关系进行了分析.结果表明,流场的重要特征与前人的类似实验结果和数值模拟结果一致.上桨埋深与液面高度对JBR内整体气含率和气相的分布具有显著影响.整体气含率随上桨埋深的增加而减小,而随着液面高度的增加,整体气含率先增大后减小.气含率方差随上桨埋深的增加而增大,随高度比R的增大而减小.综合分析认为液面高度取260～280 mm为宜,以R约为2确定上桨埋深.     

生物法降解含油污泥反应器流场及工作参数研究

为提高生物反应器法处理含油污泥的降解效率,对生物反应器内铜绿假单胞菌NY3降解含油污泥的工艺过程进行研究.建立了生物反应器内气-液-固三相流场动力学模型和群体平衡模型(PBM),结合FLUENT软件对反应器内气泡直径分布和搅拌转速进行仿真.研究发现,直径在6mm以下的气泡占比为85%,能有效增加反应体系溶解氧浓度,并模拟出反应器最佳离底悬浮转速为150r/min.利用氧守恒原理建立了曝气速率随时间的变化关系模型,并通过设计实验确定最佳接菌量为15.23%,温度为32.56℃,指导最终降解过程的工艺参数选择.通过设定最佳工作参数值,用多功能生物反应器对6kg含油污泥进行降解实验,反应9d后石油烃降解率高达86.20%,含油率为1.46%.研究结果表明,生物反应器法降解含油污泥周期短、效率高,为处理含油污泥提供了一种有效可靠的新途径.     

内循环生物流化床反应器流体力学特性的数值模拟

首先采用气、液两相模型对7组结构参数的反应器进行模拟计算,然后根据计算结果选择了一组较优的结构参数进行气、液、固3相的数值模拟计算.结果表明,通过数值模拟方法对内循环生物流化床反应器流体力学特性进行计算可获得优化的反应器结构参数;明确了循环挡板的长度及位置对反应器内液相流场分布的影响较为显著的事实;同时指出固相颗粒的加入对反应器内液相流速的分布几乎没有影响,固相含率较高的区域在反应器升流区.     

塔式曝气池内非牛顿活性污泥气液两相数值模拟

基于欧拉-欧拉架构下,采用欧拉双流体模型耦合PBM(群体平衡模型)对活性污泥这一非牛顿流体下的实验室尺度塔式曝气池气液两相进行数值模拟,探讨不同污泥浓度下,塔式曝气池内气液两相流速度场、气含率、动力黏度等流体动力学行为,发现低速下塔式曝气池内时均气相体积分数分布呈倒梯形柱状,时均流场及速度场均对称分布.随着污泥浓度增大,曝气池中下部气相体积分数高值区面积收窄,液相垂向速度峰值不断增高.低浓度污泥时,x方向液相速度呈现与牛顿流体相似的周期性摆动;污泥浓度越大,曝气池时均气含率越小,以水为介质时会高估曝气池内气含率;污泥浓度为10.2g/L时,动力黏度峰值最大,且曝气池中央黏度低值区呈"V"字形分布.     

三相气升式内环流反应器的流体力学性能

从气含率、循环液速、停留时间分布等方面研究三相气升式内环流反应器的性能。结果表明:气含率随着表观气速、固含率的增大而增大;在低气速下,固含率对气含率的影响较大;在高气速下,固含率对气含率的影响比较小。在大量实验数据的基础上通过拟合得到预测气含率的经验关联式,且预测值与实验值吻合较好。基于推动力与阻力平衡建立了预测反应器循环液速的数学模型;用脉冲示踪法得到反应器的停留时间分布函数曲线,并通过计算得到了平均停留时间、停留时间分布方差、无因次方差等,得知此反应器接近全混流型反应器。     

序批式反应器内多尺度三相流动的数值模拟

提出1个混合模型来数值模拟序批式反应器内气-液-固三相的多尺度流动.该混合模型采用Level Set方法模拟曝气气泡的运动,应用离散颗粒方法处理活性污泥固体的运动,运用体积平均的Navier-Stokes方程描述液相的流动.模型考虑了颗粒-气泡、颗粒-流体以及气泡-流体之间的相互作用.通过模拟反应器内曝气气泡生成、上升以及污泥沉淀的动态过程,检验了模型的可行性.流动结构的模拟结果显示,在反应器中污泥与污水均有明显的环流特征.气泡与颗粒相互作用引起的气泡破碎行为会导致反应器内大量小气泡的生成以及污泥颗粒的弥散.反应器内这些流体动力学特征使得污泥与污水达到充分混合,有利于生物降解处理.     

气泡直径对气-液-污泥流态及污泥颗粒化的影响

通过建立三维Eulerian-Eulerian模型,用计算流体动力学模拟了鼓泡好氧活性污泥反应器中,不同气泡直径下气-液-污泥三相流的流态,分析了反应器内的流体动力学特性,并研究了其对污泥颗粒化的影响机理.结果表明：曝气头表面的孔径大小与反应器中气含率负相关,而与污泥所受的水力剪切速率正相关.气相、液相速度与曝气头的孔径和表观气速正相关.反应器中的流态由尺度较大的环流和尺度较小的旋涡构成.随着表观气速和入口气泡直径的增加,液相和颗粒的流态均由尺度较大的环流转变为尺度较小的旋涡.相同曝气孔径时,液相与颗粒的流态之间存在差异,且气泡直径越小,表观气速越大,两者的差异越明显.为满足好氧污泥颗粒化所需的凝聚条件,反应器中曝气头孔径应大于1mm.     

厌氧折流板反应器固-液两相流水力特性数值模拟研究

为分析升流速度对厌氧折流板反应器(ABR)处理效率的影响,采用欧拉多相流模型和标准k-ε模型进行二维数值模拟。在固-液两相流条件下,针对流场和固含率分布变化,考察了1.0、1.5、2.0和2.5 m·h-1等升流速度对反应器水力特性的影响,并在此基础上对反应器进行了优化设计。结果表明,在升流速度为1.5～2.0 m·h-1的条件下,升流室的流场、水流速度变化和固含率分布状态相对较好,有利于水力循环和泥水混合,污泥的截留率高,无污泥流失,但底部仍存在污泥堆积现象。通过对反应器底部挡板和折流板的优化设计,可消除底部死区并防止污泥流失。     

含酚污水污泥重力浓缩性能的研究

对含酚污水污泥重力浓缩性能的研究表明：污泥沉降必于成层沉降和压密沉降状态；并用通过沉降试验曲线可求得不同温度下的最佳投配率，在最佳投配率下，随温度的升高，沉降性能不断增强。     

基于两相流模型污泥消化反应器内流场分析

污泥作为一种不透明的非牛顿流体,研究厌氧消化反应器内的流场分布对于解决污泥堆积、混合不均问题具有指导作用,并且能为实际工程中反应器优化设计提供依据。基于固液两相流混合模型,借助CFD模拟软件Fluent 15.0对污泥厌氧消化反应器内的流场进行数值模拟。研究得出,反应器内的速度分布与高度和径向距离有关。在某一特定的径向距离r/R内,速度逐渐增大,向壁面扩散速度又逐渐降为0。死区体积随着时间的延长而逐渐降低,但降低的幅度逐渐减小。t=1 s时,Y=0.15 m高度处污泥在r/R为0.3~0.5范围内,其浓度明显大于其他高度的污泥浓度。搅拌至t=20 s时,在r/R为0.5~0.9范围内,污泥体积分数达到10.5%左右。反应器的底部、上端和壁面是混合效果较差的区域。研究桨叶表面的压力分布,结果显示,桨叶末端所受的压力最大。     

污泥厌氧消化搅拌条件的优化分析

借助实验和计算流体力学方法对污泥厌氧消化的混合效果及能耗进行实验和模拟分析,研究结果表明:对含水率为95%的污泥进行搅拌,随着搅拌转速的增加物料达到混和均匀所需的时间越短,在搅拌转速分别为140、180和220 r/min时,所需搅拌时间分别为40、25和15 min。但是通过功率和能耗比较分析发现转速为180 r/min时的能耗最低;同时利用Fluent软件对该反应器的速度场和浓度场的分布进行了模拟,模拟结果表明随着搅拌转速的增加,反应器内的速度呈逐渐增大的趋势,浓度场分布在转速为180、200和220 r/min时达到均匀,并且基于速度场和浓度场的模拟进行功率和能耗分析的结论和实验结果一致。因此,综合实验和模拟结果,从节能和高效的原则出发确定180 r/min的转速为该反应器混匀时的最佳转速。     

基于结构参数响应的内循环流化床流体特性优化数值模拟

流化床是一种结构复杂而能量转化高效的反应器型式,为了实现系统化的内循环流化床优化设计,利用欧拉-欧拉双流体模型构建了不同结构的CFD流化床模型,在分别改变高径比、导流筒与反应器的直径比和底隙高度3个结构因素的情况下,考察流化床内全流场、局部流场、液相运动速度及气含率等气液两相流的响应特性,分析结构因素及操作因素对流体运动的内在影响,阐明工程优化设计的方向.数值模拟结果表明:高径比主要影响气液流动型态,低高径比时容易出现漩涡和返混,工程中应采用导流内构件并重视气体分布装置的合理设计;导流筒与反应器的直径比主要影响液体循环速度,存在一个合理的区间,考虑流动速度与气含率,流化床直径比可取0.6～0.8,最佳取值为0.7;底隙高度影响流化床底泥区的流体运动,应约等于流化床下降区的缝隙长度.CFD模拟可作为污染控制技术工业放大和优化设计的辅助工具.     

基于CFD模拟的混合菌群合成PHA工艺筛选机制分析

利用数值模拟方法,建立了活性污泥混合菌群合成PHA工艺中ADD与ADF模式反应器的流体有限元分析模型,同时基于固液二相流体理论对ADD和ADF模式的沉淀过程进行分析,探讨了物理选择压的产生原理和作用机制。模拟获得了沉淀过程中不同停留时间反应器内不同沉降速率等级活性污泥的分布规律,以及沿反应器竖向方向的污泥体积分数分布规律。结果表明:ADD模式下活性污泥在沉淀过程中可形成较为稳定的沉降性差异分层界线,反应开始10~15 min内在高度为0.6 m处污泥分布体积分数为0.75左右,可对PHA合成能力强的菌群提供较强的筛选作用。固液二相流体场的模拟结果促进了对物理选择压筛选作用机制的认识,可为ADD模式反应器参数优化研究提供理论依据。     

循环流化床的流体混合时间及充氧特性

研究了循环流化床的流体混合时间及充氧特性。结果表明，空床时流体混合时间在１２～２３ｓ之间；随着气体流量，载体投加量的增大，流体混合时间缩短；液体流量增加，对混合时间影响不大；液含率随气体流量的增加略有下降，气体率随着气体流量的增加略有增大，液含率、气含率随着液体流量的增加基本保持不变；液体流量的变化对液含率的影响远小于气体；ＫＬａ反应器内流体的紊流程度有关，载体的引入对ＫＬａ的影响复杂，总的趋势为     

一种新型复合式生物流化反应器混合特性的研究

对新型蜂窝状断面复合生物流化反应器进行了液体循环速率和水力停留时间分布曲线的测定，实验表明新型反应器具有抗冲击负荷强，接近CSTR反应器的特点，反应器随气量增大、载体投加量减少和进水量减少而更近似于CSTR反应器，通过理论分析，证明了影响液体循环速率的参数主要有气体流量(气含率)、反应器沿程和局部阻力系数以及Ad/Ar，并且得出液体循环速率与反应器高度的0．5次方成正比。     

基于CFD的三相内循环生物流化床操作参数影响的分析

建立了气-液-固三相内循环流化床的数学模型,验证了流体力学CFD模拟技术应用于气、液、固三相流化床操作中的可行性,探讨了表观气速和固体装载率等操作参数对气含率以及液体循环速率的影响,结果表明,随着固体装载率的增大,气含率先增大后减小,在13%处取得最大值。当表观气速在0~0.05 m/s时,气含率随着表观气速的增大而增大,在0.05 m/s处达到最大值,表观气速大于0.05 m/s时,气含率不再随着表观气速的增大而增大,而是基本保持不变。液体循环速率随固体装载率的增大而减小,随表观气速的增大而增大。在以气含率、液体循环速率作为约束条件的情况下,流化床反应器的最佳固体装载速率为13%,最佳表观气速为0.05 m/s。     

气泡尺寸对曝气池内气液两相流数值模拟的影响

为探索在曝气池气液两相流数值模拟中气泡尺寸对两相流流动特性的影响,采用大涡模拟和欧拉－拉格朗日方法建立了曝气池两相流数学模型.基于模型实验得到的工程上常用的微孔曝气盘的气泡尺寸分布,在数值模拟中设定了3种气泡尺寸分布方案,比较了不同的气泡尺寸设定方案对计算曝气池内水流流速和气含率等参数的影响.结果表明,气泡尺寸对水流流场具有较大的影响,而对气含率分布的影响在大部分区域不明显,只在气含率峰值附近影响较显著;使用多组气泡尺寸的设定方案可以提高计算结果的准确性,采用单组气泡尺寸时应尽量使其接近平均气泡直径.     

温度对好氧颗粒污泥脱氮性能及颗粒稳定性的影响

以乙酸钠与葡萄糖混合基质为碳源,采用间歇式气升内循环反应器(SBAR),以颗粒解体后含有大量丝状菌的污泥为接种污泥,考察了颗粒污泥反应器的启动及温度对好氧颗粒污泥脱氮性能与颗粒稳定性的影响.结果表明,在温度为20℃时,成功实现了颗粒污泥反应器的启动,形成的颗粒结构致密,表面光滑;污泥容积指数(SVI)为70mL/g,平均粒径为3.2mm,平均湿密度为1.029g/mL.当温度直接升高到26℃时,出水NH4+-N由10.6mg/L降为0.2mg/L,同时出现了出水亚硝酸盐的积累,积累率达到93.9%.但是,在温度升高后的47d中,由于胞外多聚物(EPS)中蛋白质与多糖比值的降低,导致颗粒表面的电负性的增加,最终使得颗粒逐渐解体.     

底隙十字挡板对四边形流化床流体力学性能优化数值模拟

通过置入内构件实现流化床底隙区多相流矢量由混沌到归一的转化可获得床体内流体流化性能的改善.基于此,以底隙区置入十字挡板的四边形流化床为研究对象,使用Fluent软件进行三维可视化模拟,利用Eulerian-Eulerian双流体模型模拟其在厌氧、水解及好氧条件下优化反应器流体力学性能的能力,考察置入挡板前后流化床内流场、液相运动速率、气体相含率及湍流耗散率的反馈变化,分析其对流体运动的影响,并提出工程优化设计的方向.结果表明:底隙区置入十字挡板后,四边形流化床内液体循环速度最大提升15.7%,在上升区截面上的分布更加均匀,液速峰值下降,有利于维持活性污泥的团聚作用,对提高流化床污泥负荷有利;整体气含率下降3.5%~6.9%,应用时可加入漏斗型内构件予以改进;在水解与好氧生物的模拟过程中,底隙区十字挡板的置入更能优化水力条件,湍流动能耗散率最大降低31.9%,对降低系统能耗提供了有利证据.研究证明,反应器内构件的设置通过流体力学性能的数值模拟可以成为一种优化开发的捷径技术.