【摘要】：化石能源日益枯竭、環(huán)境污染所引起的問題逐漸凸顯成為世界各國面臨的重大難題,尋求清潔新能源成為時下的重中之重。秸稈類農(nóng)作物在世界范圍內(nèi)種植廣泛,利用秸稈類生物質(zhì)生物發(fā)酵制氫成為緩解該問題的有效途徑之一。然而,秸稈類生物質(zhì)生物發(fā)酵制氫技術(shù)面臨產(chǎn)氫效能較低、反應(yīng)器設(shè)計參數(shù)欠缺、反應(yīng)器內(nèi)流場特性對產(chǎn)氫效率的影響規(guī)律尚不明確等諸多難題�；诖�,本文以玉米秸稈生物發(fā)酵制氫連續(xù)攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)為研究對象,采用CFD模擬與實驗相結(jié)合的方法對反應(yīng)器內(nèi)多相流場特性及其對發(fā)酵過程產(chǎn)氫效率的影響規(guī)律進(jìn)行研究,旨在從微觀層次上揭示反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、運行條件、流場特性等與產(chǎn)氫效率間的關(guān)系,通過對反應(yīng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提高其中流體混合性能,實現(xiàn)秸稈類生物質(zhì)產(chǎn)氫能效的提高,并為生物發(fā)酵制氫CSTR反應(yīng)器的設(shè)計與放大提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。(1)在前期研究基礎(chǔ)上,進(jìn)行CFD模擬生物發(fā)酵制氫CSTR反應(yīng)器內(nèi)流體流場特性的建模。提出了3種改善CSTR反應(yīng)器中料液混合均勻程度的殼體模型,并對所提出的殼體模型進(jìn)行物理建模,通過Fluent 18.0對CSTR反應(yīng)器進(jìn)行單相數(shù)值模擬,并對CSTR反應(yīng)器內(nèi)流體的流場特性進(jìn)行理論分析。研究發(fā)現(xiàn),添加4塊垂直擋板的反應(yīng)器模型d中,流體的軸向和徑向速度分布均得到改善,反應(yīng)區(qū)流場分布趨于均勻,有效避免停滯區(qū)的形成,可促使CSTR反應(yīng)器內(nèi)料液混合均勻程度的提高。(2)對所建立的CSTR反應(yīng)器模型d中流場進(jìn)行數(shù)值模擬及優(yōu)化。經(jīng)過網(wǎng)格獨立性驗證,確定了CSTR反應(yīng)器d模型網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為852057�？疾炝薈STR反應(yīng)器內(nèi)料液在不同槳型、不同槳槽徑比、不同轉(zhuǎn)速下的流體流動特性,并結(jié)合生物發(fā)酵制氫相關(guān)理論進(jìn)行了分析。經(jīng)過對比得到較優(yōu)運行條件為:以45°斜葉渦輪攪拌槳為旋轉(zhuǎn)裝置,槳槽徑比為0.53,攪拌槳轉(zhuǎn)速為120 rpm,在該條件下,CSTR反應(yīng)器模型d中流場速度、剪切力、湍動能、氣相體積分率等關(guān)鍵流體流場特性均較優(yōu)。(3)為確定反應(yīng)器的較優(yōu)運行參數(shù)以及流場特性對玉米秸稈生物發(fā)酵制氫的影響規(guī)律,以CFD模擬及前期研究結(jié)果為依據(jù),在5 L的CSTR反應(yīng)器中進(jìn)行了玉米秸稈生物發(fā)酵制氫驗證實驗,在其他工藝參數(shù)相同時,按照CFD模擬得到的攪拌槳類型、槳槽徑比、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行玉米秸稈生物發(fā)酵制氫實驗,并結(jié)合反應(yīng)器內(nèi)流場模擬結(jié)果對反應(yīng)器運行參數(shù)及流場特性對生物產(chǎn)氫效率的影響規(guī)律進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,在5 L CSTR反應(yīng)器中配置45°斜葉渦輪攪拌槳較配置雙葉攪拌槳產(chǎn)氫效果有明顯提高;45°斜葉渦輪攪拌槳槳槽徑比為0.53,于120 rpm下取得較優(yōu)產(chǎn)氫量,較前期研究所得到的產(chǎn)氫量提高16.5%;經(jīng)分析主反應(yīng)區(qū)料液均勻混合有利于提高產(chǎn)氫量,剪切力和氫氣體積分率較高時微生物的產(chǎn)氫能力有所降低。
【圖文】：

殼體結(jié)構(gòu)模型

5°斜葉渦輪攪拌槳Fig.3.345°Inclinedbladeturbineagitatorpaddle
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ116.2;TQ920.5

【參考文獻(xiàn)】

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6 李濤;生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制氫工藝條件及影響規(guī)律研究[D];鄭州大學(xué);2009年

7 李揚;玉米秸稈厭氧發(fā)酵制氫實驗研究[D];鄭州大學(xué);2006年

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本文編號：2676645