本文選題：管式光生物反應(yīng)器 + CFD�。� 參考：《北京化工大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：利用微藻技術(shù)將固定碳氮、廢水處理等環(huán)境保護(hù)措施與生產(chǎn)氫氣、甲烷、柴油等生物能源相結(jié)合,已被多國政府認(rèn)為是應(yīng)對環(huán)境與能源危機(jī)的可行方式。在微藻技術(shù)發(fā)展中,研發(fā)高密度、低成本、易放大的微藻養(yǎng)殖設(shè)備——光生物反應(yīng)器(PBR)是其中的重要一環(huán),管式光生物反應(yīng)器(TPBR)在這方面的優(yōu)點(diǎn)已被廣泛認(rèn)可,但TPBR也存在著混合效果不好、微藻細(xì)胞易沉積、光抑制作用大等缺陷。因此,優(yōu)化TPBR的結(jié)構(gòu)、改善流體的流動(dòng)特性、促進(jìn)混合效果、提高光利用率對于提高TPBR養(yǎng)殖效果具有重要意義。本文對微藻技術(shù)原理、PBR的種類和結(jié)構(gòu)以及影響微藻養(yǎng)殖的物理因素進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹,闡述了內(nèi)置無源驅(qū)動(dòng)螺旋轉(zhuǎn)子TPBR的工作原理,應(yīng)用可視化實(shí)驗(yàn)與CFD方法,著重分析了內(nèi)置螺旋轉(zhuǎn)子TPBR的速度場量、氣液兩相周向速度分量、旋流數(shù)、粒子運(yùn)動(dòng)軌跡和最大剪切力等流動(dòng)特性參數(shù),結(jié)果表明螺旋轉(zhuǎn)子在促進(jìn)TPBR的混合、提高光利用率等方面具有明顯的作用。本文研究了轉(zhuǎn)子導(dǎo)程、流體流速分別對內(nèi)置兩葉片型螺旋轉(zhuǎn)子TPBR的流動(dòng)特性的影響。結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)子導(dǎo)程與液相入口流速對流動(dòng)特性有不可忽視的影響,轉(zhuǎn)子導(dǎo)程越小,螺旋轉(zhuǎn)子發(fā)揮的作用越大,但剪切力也越高;因此,200mm導(dǎo)程的螺旋轉(zhuǎn)子對養(yǎng)殖微藻更有優(yōu)勢。液相入口流速越高,轉(zhuǎn)子越能促進(jìn)混合及提高細(xì)胞的光暗循環(huán)頻率,但剪切力也越高;所以,應(yīng)優(yōu)先選擇大于0.3m/s小于0.6m/s的液速。氣相入口流速的增加可以提高氣含率,但對促進(jìn)混合作用不明顯。本文分析了 TPBR中的U形管部分在螺旋轉(zhuǎn)子擾流作用下的流動(dòng)特性,研究表明,流體經(jīng)過螺旋轉(zhuǎn)子時(shí)產(chǎn)生的旋流在到達(dá)U形管處時(shí)仍然存在,U形管的彎曲結(jié)構(gòu)也可以使流體產(chǎn)生局部的旋流;對于內(nèi)徑為24mm的U型管,局部剪切力隨著彎曲直徑的增大具有先增大后減小的趨勢。
[Abstract]:Using microalgae technology to combine environmental protection measures such as fixed carbon and nitrogen, wastewater treatment and production of hydrogen, methane, diesel and other bio-energy sources has been considered by many governments as a feasible way to deal with environmental and energy crisis. In the development of microalgae technology, the research and development of high density, low cost, easy to enlarge microalgae culture equipment-photobioreactor (PBR) is one of the important links, tubular photobioreactor (TPBR) in this area has been widely recognized the advantages. However, TPBR also has some defects such as poor mixing effect, easy deposition of microalgae cells and large photoinhibition. Therefore, it is important to optimize the structure of TPBR, improve the fluid flow characteristics, promote the mixing effect and increase the light utilization rate for improving the efficiency of TPBR culture. In this paper, the species and structure of microalgae technology and the physical factors affecting microalgae culture are introduced in detail. The working principle of TPBR with built-in passive drive screw rotor is described, and the visual experiment and CFD method are applied. The flow characteristic parameters of TPBR, such as velocity field, gas-liquid two-phase circumferential velocity component, swirl number, particle trajectory and maximum shear force, are emphatically analyzed. The results show that the helical rotor is promoting the mixing of TPBR. Improving the utilization ratio of light has obvious effect. In this paper, the effects of rotor lead and flow velocity on the flow characteristics of TPBR are studied. The results show that the rotor lead and the inlet velocity of the liquid phase have an important effect on the flow characteristics. The smaller the rotor lead is, the greater the effect of the spiral rotor is, but the higher the shear force is, so the spiral rotor with 200 mm lead is more advantageous to the cultivation of microalgae. The higher the inlet velocity of the liquid phase, the more the rotor can promote the mixing and increase the cell's light and dark cycle frequency, but the shear force is also higher. Therefore, the higher the 0.3m/s is less than the 0.6m/s 's, the better the liquid velocity should be. The gas holdup can be increased by the increase of gas inlet velocity, but the effect on the mixing is not obvious. In this paper, the flow characteristics of U-tube in TPBR under the action of spiral rotor turbulence are analyzed, and the results show that, When the fluid passes through the spiral rotor, there still exists the bending structure of the U-shaped tube when it reaches the U-shaped tube; for the U-tube with the inner diameter of 24mm, the local swirl flow can also be produced by the bending structure of the U-tube. The local shear force increases first and then decreases with the increase of bending diameter.
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ033

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本文編號(hào)：1950616