本文關(guān)鍵詞：光生物反應(yīng)器內(nèi)傳遞與轉(zhuǎn)化過程模擬及熵產(chǎn)率分析

  更多相關(guān)文章： 微生物能源 光生物反應(yīng)器 傳熱傳質(zhì) 不可逆損失 熵產(chǎn)率

【摘要】：隨著全球能源急劇減少及環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重,發(fā)展綠色可再生能源已經(jīng)成為能源研究的重要突破口。光合微生物能源憑借其生產(chǎn)能耗低、可再生、環(huán)境友好、條件溫和等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是目前最具有潛力的新能源之一。然而,由于目前微生物能源轉(zhuǎn)化過程中的反應(yīng)條件和工藝尚不成熟,導(dǎo)致其轉(zhuǎn)化效率和經(jīng)濟(jì)性相對較差。其中,光生物反應(yīng)器作為微生物能源轉(zhuǎn)化的反應(yīng)場所,將直接影響微生物能源轉(zhuǎn)化過程中的傳熱傳質(zhì)與流動特性,從而對微生物能源轉(zhuǎn)化效率起到至關(guān)重要的作用。因此,反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)及反應(yīng)器內(nèi)部微生物能源轉(zhuǎn)化過程優(yōu)化對于提高微生物能源轉(zhuǎn)化效率十分必要。熵產(chǎn)率分析在換熱器、化工反應(yīng)器和燃料電池等能量系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,作為同樣涉及到流動、傳熱傳質(zhì)以及生化反應(yīng)的能量系統(tǒng),光生物反應(yīng)器中傳遞效率和其中的不可逆損失是影響光生物反應(yīng)器效率的重要因素。由于微生物培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)周期長,且很難得到反應(yīng)器內(nèi)速度場、溫度場以及濃度場分布,而將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)得出的微生物生長動力學(xué)模型結(jié)合起來能很好地彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)這一不足,為光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)作用。本文利用數(shù)值模擬軟件模擬光生物反應(yīng)器中的傳遞及轉(zhuǎn)化過程,并利用熱力學(xué)第二定律熵產(chǎn)率分析的方法對其進(jìn)行優(yōu)化分析。本文針對生物膜光生物反應(yīng)器、包埋顆粒光生物反應(yīng)器和懸浮式光生物反應(yīng)器三種不同形式的反應(yīng)器進(jìn)行了數(shù)值模擬,獲得了其速度、溫度、濃度場分布規(guī)律以及底物降解和產(chǎn)物生成速率,并基于場分布對反應(yīng)器中傳遞過程的不可逆熵產(chǎn)率進(jìn)行了計(jì)算分析,研究了培養(yǎng)液流速、底物濃度、溫度、光強(qiáng)、pH、曝氣率、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等參數(shù)對底物降解效率、產(chǎn)物生成速率及不可逆熵產(chǎn)的影響,并提出了一種綜合不可逆損失和反應(yīng)速率的評價(jià)光生物反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)的新方法——單位底物降解量的不可逆熵產(chǎn)S/Rc(以降解底物為主要目的)和單位產(chǎn)物生成量的熵產(chǎn)S/Rh最小(以生產(chǎn)產(chǎn)物為主要目的)原則,據(jù)此得出了三種不同形式反應(yīng)器的最佳運(yùn)行條件,主要研究結(jié)果如下:(1)針對生物膜式光合細(xì)菌生物反應(yīng)器內(nèi)傳遞及轉(zhuǎn)化過程,進(jìn)行了數(shù)值模擬和熵產(chǎn)率分析,結(jié)果表明傳熱和傳質(zhì)引起的熵產(chǎn)率占主要部分,而粘性流動引起的熵產(chǎn)率相對較小,可以忽略不計(jì)。運(yùn)行條件變化時,總熵產(chǎn)率的變化主要受傳質(zhì)引起的熵產(chǎn)率變化的影響,而傳熱引起的熵產(chǎn)率變化不大,因此強(qiáng)化傳質(zhì)可以減少不可逆損失;對于本文所模擬的生物膜式反應(yīng)器,其最佳運(yùn)行條件為:溫度30°C、培養(yǎng)液流量70 mL/h、入口培養(yǎng)液葡萄糖濃度為70 mol/m3。(2)通過對填充床反應(yīng)器中單包埋顆粒的速度場、溫度場和濃度場以及葡萄糖傳質(zhì)引起的熵產(chǎn)率分布的模擬,得到如下結(jié)果:傳質(zhì)阻力主要集中在包埋顆粒內(nèi),其熵產(chǎn)率占主要部分;隨著培養(yǎng)液中葡萄糖濃度的增加,葡萄糖傳質(zhì)引起的熵產(chǎn)率單調(diào)減小;溫度變化時,傳質(zhì)引起的熵產(chǎn)率先增大后減小,在30°C時達(dá)到最大值;而在培養(yǎng)液流量增大時,葡萄糖傳質(zhì)引起的熵產(chǎn)率緩慢減小,最后趨于平緩;在pH和光強(qiáng)變化時,熵產(chǎn)率的變化呈相同的變化趨勢,均是先增大后減小,分別在pH=7和I0=6000 lx時達(dá)到最大值。得到了葡萄糖初始濃度、溫度、流量、pH以及光強(qiáng)對葡萄糖降解速率和氫氣生成速率的影響,結(jié)果表明在c0=60 mol/m3、T0=30°C、qv=4 m L/h、pH=7、光強(qiáng)I0=6000 lx時葡萄糖降解速率和氫氣生成速率均達(dá)到最大值;通過計(jì)算單位葡萄糖降解量和單位氫氣生成量對應(yīng)的不可逆?zhèn)髻|(zhì)引起的可用能損失,以損失最小為原則,得到最佳運(yùn)行條件為c0=60 mol/m3、T0=30°C、qv=4 m L/h、pH=7、光強(qiáng)I0=6000 lx。(3)通過對體心堆積和面心堆積兩種堆積方式的包埋顆粒反應(yīng)器的模擬計(jì)算,結(jié)果表明:兩種堆積方式的變化趨勢相同,葡萄糖降解速率和氫氣生成速率均在c0=60 mol/m3、T0=30°C、Re=0.6時達(dá)到最大值,而且面心立方堆積反應(yīng)器的葡萄糖降解速率與產(chǎn)氫速率均比體心立方高約6.8%左右。在熵產(chǎn)率方面,兩者的變化趨勢相同:隨著培養(yǎng)液中葡萄糖濃度的增加,葡萄糖傳質(zhì)引起的熵產(chǎn)率單調(diào)減小;溫度變化時,傳質(zhì)引起的熵產(chǎn)率先增大后減小,在30°C時達(dá)到最大值;而在培養(yǎng)液流量增大(Re數(shù)增大)時,葡萄糖傳質(zhì)引起的熵產(chǎn)率緩慢減小,從Re=0.6時開始趨于平緩;對于單位反應(yīng)器體積的熵產(chǎn)率,面心立方始終高于體心立方堆積方式。(4)通過對懸浮式光生物反應(yīng)器內(nèi)流動與熵產(chǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算,得出以下結(jié)論:與普通未安裝隔板的平板式微藻光生物反應(yīng)器相比,增加隔板會加強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)流,從而加強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)液的混合。通氣率和隔板長度的增加以及上升區(qū)的增大均會造成流動引起的熵產(chǎn)率增加,而平均氣含率隨著通氣率的和上升區(qū)的增大會逐漸增加,但是培養(yǎng)液中氣含率隨板長增加而減小。
【關(guān)鍵詞】：微生物能源 光生物反應(yīng)器 傳熱傳質(zhì) 不可逆損失 熵產(chǎn)率
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 符號說明11-12
• 1 緒論12-30
• 1.1 概述12-13
• 1.2 微生物能源技術(shù)概述13-20
• 1.2.1 微生物能源簡介13-18
• 1.2.2 影響微生物能源轉(zhuǎn)化過程的因素18-20
• 1.3 熱力學(xué)熵分析及其在能量系統(tǒng)中的應(yīng)用20-26
• 1.3.1 熱力學(xué)熵與熵產(chǎn)率優(yōu)化簡介20-22
• 1.3.2 基于黑箱模型的熵產(chǎn)分析及優(yōu)化22-24
• 1.3.3 基于非平衡熱力學(xué)的連續(xù)介質(zhì)熵產(chǎn)率分析方法24-26
• 1.4 COMSOL MULTIPHYSICS簡介26-27
• 1.5 本課題的主要研究工作27-30
• 1.5.1 已有研究工作的不足27
• 1.5.2 本文主要研究工作27-28
• 1.5.3 本課題的研究意義28-30
• 2 光合細(xì)菌平板生物膜反應(yīng)器內(nèi)傳遞及轉(zhuǎn)化過程的模擬及熵產(chǎn)率分析30-48
• 2.1 引言30-31
• 2.2 物理與數(shù)學(xué)模型31-37
• 2.2.1 物理模型的描述31-32
• 2.2.2 模型的基本假設(shè)32-33
• 2.2.3 數(shù)學(xué)模型及邊界條件33-36
• 2.2.4 熵產(chǎn)率的計(jì)算方法36-37
• 2.3 模型求解及驗(yàn)證37-40
• 2.3.1 網(wǎng)格的劃分及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證37-38
• 2.3.2 模型驗(yàn)證38-40
• 2.4 運(yùn)行條件對反應(yīng)器性能的影響40-45
• 2.4.1 入口溫度的影響40-41
• 2.4.2 培養(yǎng)液流量的影響41-42
• 2.4.3 入口葡萄糖濃度的影響42-44
• 2.4.4 最佳運(yùn)行條件下反應(yīng)器內(nèi)的場分布44-45
• 2.5 本章小結(jié)45-48
• 3 繞流光合細(xì)菌單包埋顆粒傳遞及轉(zhuǎn)化過程的模擬及熵產(chǎn)率分析48-70
• 3.1 引言48-49
• 3.2 物理與數(shù)學(xué)模型49-55
• 3.2.1 物理模型的描述49-50
• 3.2.2 模型的基本假設(shè)50-51
• 3.2.3 數(shù)學(xué)模型及邊界條件51-54
• 3.2.4 熵產(chǎn)率的計(jì)算方法54-55
• 3.3 模型的求解及驗(yàn)證55-58
• 3.3.1 網(wǎng)格的劃分55-56
• 3.3.2 模型驗(yàn)證56-58
• 3.4 運(yùn)行條件對反應(yīng)器性能的影響58-69
• 3.4.1 入口葡萄糖濃度的影響58-60
• 3.4.2 入口溫度的影響60-62
• 3.4.3 培養(yǎng)液流量的影響62-64
• 3.4.4 培養(yǎng)液初始pH的影響64-66
• 3.4.5 入射光強(qiáng)的影響66-68
• 3.4.6 最佳運(yùn)行條件下反應(yīng)器內(nèi)的場分布68-69
• 3.5 本章小結(jié)69-70
• 4 光合細(xì)菌包埋顆粒堆積反應(yīng)器傳遞及轉(zhuǎn)化過程的模擬及熵產(chǎn)率分析70-84
• 4.1 引言70
• 4.2 物理與數(shù)學(xué)模型70-75
• 4.2.1 物理模型的描述70-71
• 4.2.2 模型的基本假設(shè)71
• 4.2.3 數(shù)學(xué)模型及邊界條件71-75
• 4.3 模型的求解及驗(yàn)證75-77
• 4.3.1 網(wǎng)格的劃分75-76
• 4.3.2 模型驗(yàn)證76-77
• 4.4 運(yùn)行條件對反應(yīng)器性能的影響77-82
• 4.4.1 入口葡萄糖濃度的影響77-78
• 4.4.2 培養(yǎng)液入口Re數(shù)的影響78-79
• 4.4.3 培養(yǎng)液入口溫度的影響79-80
• 4.4.4 最佳運(yùn)行條件下反應(yīng)器內(nèi)的場分布80-82
• 4.5 本章小結(jié)82-84
• 5 懸浮式平板光生物反應(yīng)器的流動特性模擬及熵產(chǎn)率分析84-96
• 5.1 引言84
• 5.2 物理與數(shù)學(xué)模型84-88
• 5.2.1 物理模型的描述及假設(shè)84-85
• 5.2.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件85-87
• 5.2.3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗(yàn)證87-88
• 5.3 運(yùn)行條件對反應(yīng)器內(nèi)流動特性的影響88-93
• 5.3.1 通氣率的影響88-91
• 5.3.2 隔板長度的影響91-92
• 5.3.3 隔板位置的影響92-93
• 5.4 本章小結(jié)93-96
• 6 總結(jié)96-98
• 6.1 本文結(jié)論96-97
• 6.2 后續(xù)研究工作展望97-98
• 致謝98-100
• 參考文獻(xiàn)100-106
• 附錄106
• A 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄106
• B 作者在攻讀碩士學(xué)位期間獲得的獎勵106
• C 作者在攻讀碩士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目106

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本文編號：582613