升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法，属于环境工程【技术领域】。所述方法是基于计算流体力学技术的数值模拟方法，研究不同水力上升流速条件下反应器内部流态特征及其对制氢反应器产氢速率的影响；采用欧拉-欧拉气液固三相流体模型获得液相速度场、固相体积分率、发酵气体氢气组分体积分率等详细流场信息，在此基础上，耦合生化反应动力学模型并对反应器产氢速率进行动态模拟和预测，并且根据各流场反馈对制氢反应器的影响，将模拟得到的不同流态数据进行综合分析，从而确定最佳水力上升流速，为升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计提供一种高效的方法。本发明技术成熟稳定，具有效果直观、周期短、成本节省的特点。
【专利说明】升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于环境工程【技术领域】，涉及一种升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化 设计方法。
【背景技术】
[0002] 氢气是一种清洁、高效、可再生的能源载体，是化石燃料的理想替代品之一。基于 废水有机质的厌氧发酵生物制氢技术具有能源回收和污染控制的双重意义。升流式厌氧发 酵生物制氢反应器是利用厌氧颗粒污泥处理废水、同时将废水中有机质转化为氢气的复杂 系统，在气、液、固三相体系内发生诸多生物化学反应的工艺过程，是目前生物制氢的主要 工艺类型之一。该反应器借助较高的液体表面水力上升流速使得颗粒污泥层处于膨胀状 态，促进反应器进水与颗粒污泥的充分接触，提高液固传质效率，有助于微生物底物和代谢 产物在颗粒污泥内外进行有效扩散与输运。为此，阐明反应器内部的微生物学、化学和物理 学特征，是提高工艺系统制氢效能的关键环节。其中，反应器内部的流场特性对生化反应过 程会有很大影响，水力停留时间和循环流量等参数将直接影响基质转化率和产物收率等工 艺结果，水力上升流速形成的速度场均匀性将影响反应器的有效工作容积，而局部流场的 剪切效应则将改变微生物细胞的生理状态。但是，目前对于该反应器的优化主要集中在生 物和化学特征方面，较少从反应器内部流场的物理特征及其对生化反应过程的影响去优化 反应器的设计、运行与放大。
[0003] 计算流体力学是流体力学理论研究的一个分支，它主要通过有限差分、有限单元 或者有限体积等方法将描述流体运动的控制方程离散后，利用计算机进行数值求解，最终 获得特定条件下的流体信息，从而揭示流体运动的物理特征和变化规律。计算流体力学是 一门由多领域交叉而形成的一门应用基础学科，它涉及流体力学理论、计算机技术、偏微分 方程的数学理论、数值方法等学科。随着相关技术的飞速发展，计算流体力学已经逐渐作为 一种反应器流场研究新手段而日益受到重视并得以广泛应用。在环境工程【技术领域】中，无 论是废水生物反应器的设计、运行和放大，还是在废水处理新技术与新工艺的研发方面均 有重要的理论意义与实际价值。目前，国内外已经有很多的计算流体力学模拟软件，它们提 供大量的物理模型、高效的数值解法和友好的用户操作界面，大部分软件还提供程序接口， 用户可以根据特殊需求进行模型开发与耦合。
[0004] 目前，国内对基于废水有机质的生物制氢反应器流场机理研究较少，在实际反应 器设计中经常凭借经验开展，而在工艺设计过程中往往存在参数依据有限或是实际数据无 法获取等情况，使得反应器设计带有一定的不确定性，难以进行参数优化选择。在大多数情 况下，基于废水有机质的厌氧生物制氢反应器在工艺设计、运行管理和工程放大等方面依 赖经验多于科学，但是，利用一些理想的、经验的关联公式所得到的结果很难体现实际流场 对工艺负载反应的影响，而对多种概念反应器进行实际尝试与对比在时间与经济上都是不 允许的。为此，借助成熟的流体力学机理模型对生物制氢反应器进行模拟与仿真，并将所得 数据信息作为反应器设计的理论依据，同时可以用于制氢反应器的运行管理与工程放大。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法，以 达到反应器内部水力流场的最优化设计。
[0006] 本发明提出的升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法，利用基于计算流 体力学技术（Computational Fluid Dynamics,简称CFD)的数值模拟软件，研究不同水力上 升流速条件下反应器内部的流态特征及其对制氢反应器产氢速率的影响；采用欧拉-欧拉 气液固三相流体模型获得了液相速度场、固相体积分率、发酵气体氢气组分体积分率等详 细流场信息，在此基础上，利用生化反应动力学对反应器产氢速率进行动态模拟和预测，并 且根据各流场反馈对制氢系统的影响，将模拟得到的不同流态数据进行综合分析，从而确 定最优的水力上升流速，实现升流式厌氧发酵生物制氢反应器内部水力流场的优化设计。 具体步骤包括：
[0007] (一）前处理：几何建模与网格划分
[0008] 利用ANSYS GAMBIT 2. 4. 6按照升流式厌氧发酵生物制氢反应器的几何尺寸，进行 三维几何建模和网格划分，其中：建模过程将升流式厌氧发酵生物制氢反应器按照上下两 个部分进行建模，建模过程将生物制氢反应器划分为进水区、反应区、三相分离区、溢流槽 与集气区，忽略反应器三相分离挡板、溢流挡板的厚度，将其近似为薄表面结构；网格生成 采用非结构化四面体网格生成方法，并且采用局部网格加密对进水区和三相分离区两个计 算域中壁面附近的网格点重新布置，以确保网格质量和计算精度；为了优化计算网格，划分 多套疏密不同的计算域网格，并进行网格压降差异比较，选择压降差异最小的网格作为最 终的计算网格，同时为各模型选择并命名边界类型，导出对应的网格文件。
[0009] (二）计算求解：计算模型选择、边界条件定义与迭代求解
[0010] 采用欧拉-欧拉多相流体模型模拟升流式厌氧发酵生物制氢反应器中气、液、固 三相流运动规律，其中，废水、污泥和发酵气体视为三种不同的连续流（废水为第一相、污 泥和发酵气体分别为第二和第三相），建立湍流模型模拟反应器内部流场，所述湍流模型采 用标准的湍动能耗散率（k_ ε )模型。 toon] (1)计算模型选择
[0012] 1)控制方程
[0013] 在欧拉-欧拉多相流体模型中，质量守恒方程和动量守恒方程，均在三维计算域 中得到求解；气、液、固三相根据各自的体积分率共享压力场；每一相的运动由各自对应的 动量守恒方程和质量守恒方程控制。
[0014] 各相的质量守恒方程，亦即连续方程，如下：
[0015]
【权利要求】
1. 一种升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法，包括如下步骤：前处理一几 何建模与网格划分；计算求解一计算模型选择、边界条件定义与迭代求解；后处理一流场 数据获取与优化比选；具体步骤如下： (一） 前处理：几何建模与网格划分 利用ANSYS GAMBIT 2. 4. 6按照厌氧生物制氢反应器的几何尺寸，进行三维几何建模和 网格划分，其中：建模过程将升流式厌氧发酵生物制氢反应器按照上下两个部分进行建模； 网格生成采用非结构化四面体网格生成方法，并且采用局部网格加密对进水区和三相分离 区两个计算域中壁面附近的网格点重新布置，同时为各模型选择并命名边界类型，导出几 何模型的网格文件； (二） 计算求解：计算模型选择、边界条件定义与迭代求解 采用欧拉-欧拉多相流体模型模拟升流式厌氧发酵生物制氢反应器中气、液、固三相 流运动规律，其中，废水、污泥和发酵气体视为三种不同的连续流，建立湍流模型模拟反应 器内部流场，所述湍流模型采用标准的湍动能耗散率（k_ ε )模型； (1)计算模型选择 1) 控制方程 在欧拉-欧拉多相流体模型中，质量守恒方程和动量守恒方程，均在三维计算域中得 到求解；气、液、固三相根据各自的体积分率共享压力场；每一相的运动由各自对应的动量 守恒方程和质量守恒方程控制； 各相的质量守恒方程，亦即连续方程，如下：
(1) 其中，P k是相k的浓度，λ k是相k的体积分率，uk是相k的速度矢量；在如下公式中， 角标L、S、G分别代表液相、固相和气相； 由于各相假定为不可压缩，所以式（1)可以简化为：
(2) 各相的动量平衡方程，如下：
(3； (4) (5) 其中，P是压力，μ rf是有效粘度，g是重力加速度，Μ:,Μ是气相与液相之间的传动力， 11^是固相与液相之间的传动力； 满足兼容性条件的体积分率如下：
(6) 2) 相间作用力方程 在模拟过程中，固相和气相作用于液相的曳力可以通过如下公式计算： (7)
(8) 其中，CD是曳力系数，d是气泡直径（de)或者污泥颗粒直径（ds); 对于气相与液相之间的曳力系数可以由Schiller-Naumann曳力模型获得，如下：
(9) 其中，Re是相对雷诺数，可通过如下获得：
(10) 对于固相与液相之间的曳力模型CD，u可以由Wen-Yu曳力模型获得，如下：
(11) 相应的雷诺数可以由下式获得：
C12) 另外，垂直作用于固相与气相的相对运动方向上的升力可通过下式获得：
(13) (14) 3) 湍流模型 在初步探究多相流模拟运动规律时，我们假定单相流k- ε湍流模型能够考察本研究 的湍流效应，我们假定湍流效应只局限于液相中； 液相的湍流粘度可通过k- ε湍流模型获得：
(15) 液相的湍动能（k)和能量耗散率可通过下式获得：
(16) (17) 其中，Πκ代表了固相对液相的影响以及分散的湍动程度的预测，Π &代表了对固相湍 动程度的预测，这都可由Techen理论获得；湍动模型中的参数都取用标准值：CE1 = 1. 44， Ce2 = 1. 92, Cu = 0· 09，σ k = 1. 〇，σ ε = 1. 3 ; 4) 葡萄糖发酵降解动力学模型 根据生物厌氧发酵产氢反应中气相和液相的发酵产物，葡萄糖的乙醇型发酵可表示 为： C6H1206+H20 - CH3C00H+CH3CH20H+2H2+2C0 2 (18) 糖蜜废水中的葡萄糖降解速率遵循Michaelis-Menten公式，如下：
(19) 式中，r为葡萄糖降解速率，mol/L · h ; rm为最大降解速率，mol/L · h ; Km为米氏常数，mol/L ; C为葡萄糖浓度，mol/L ; 在正常运行的生物制氢反应器中，底物浓度C〈0. 0016mol/L，因此有Km+C?Km ;所以，经 过简化后的葡萄糖表观降解速率为： r〇bs = kobsC (20) 式中，为葡萄糖表观降解速率，mol/L · h 为表观速率常数，2. 061Γ1 ; 因此，葡萄糖降解速率为： robs = 2. 06C (21) (2) 边界条件定义 在数值计算过程中，对废水泵入升流式厌氧发酵生物制氢反应器的入口设定为固定流 量入口边界条件，边界紊流条件设定为低紊流强度；处理后的混合液流出升流式厌氧发酵 生物制氢反应器的出口设定为大气压条件下的静压力出口边界条件；反应器顶部的发酵气 体出口边界设定为脱气边界条件；其中，所有其他固体表面，包括挡板、反应器壁均设定为 壁面边界条件，对于混合液是无滑移壁面，对于发酵气体是自由滑动壁面； (3) 迭代求解 利用ANSYS FLUENT 7. 0求解器，采用高解析格式求解，其中求解Navier-Stocks方程采 用分离式解法中的SMPLE算法，均方根残差收敛标准为1. 0E-4,以液相速度参数和湍动能 参数作为残差收敛检验窗口，进行稳态迭代计算，直到残差收敛，保存计算结果； (三）后处理：流场信息获取与优化选择 将计算结果进行可视化处理，得到不同水力上升流速工况下每个稳态模拟的液相速度 场、固相体积分率、发酵气体氢气组分体积分率等详细流场信息，并且根据各流场反馈对制 氢系统产氢速率的影响，将模拟得到的不同流态数据进行分析与比较，从而确定最佳水力 上升流速，实现升流式厌氧发酵生物制氢反应器内部水力流场的优化设计。
2. 根据权利要求1所述升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法，其特征在 于，包括如下步骤：根据升流式厌氧发酵生物制氢反应器实际几何尺寸，在ANSYS GAMBIT 2. 4. 6中进行模型构建和网格划分，进行边界条件定义和计算域类型设置，导出网格文件。
3. 根据权利要求1所述升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法，其特征在 于，将生成的网格文件导入ANSYS FLUENT 7. 0求解器中，选择相应的计算模型，确定一组不 同的水力上升流速分别作为计算初值，并定义相应的边界条件，进行稳态模拟的迭代计算， 直到残差收敛，保存计算结果。
4. 根据权利要求1所述升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法，其特征在 于，将计算结果进行后期可视化处理，得到不同水力上升流速工况下的水力流场信息；根据 最大化厌氧发酵产氢速率的工艺要求对模拟结果进行综合比较，得到最佳水力上升流速， 实现对升流式厌氧发酵生物制氢反应器水力流场的设计优化。
5.根据权利要求1所述升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法，其特征在 于，具体操作步骤如下： 以有效容积为3. 35升的升流式厌氧发酵生物制氢反应器进行水力流场优化设计： (一） 前处理：几何建模与网格划分 按照升流式厌氧发酵生物制氢反应器的实际几何尺寸，利用ANSYS GAMBIT 2. 4. 6对反 应器进行几何建模和网格划分，建模过程中忽略反应器三相分离挡板、溢流挡板等的厚度， 将其近似为薄表面结构； 在网格划分过程中采用如图3和图4所示的非结构化四面体网格生成方法，并且采用 局部网格加密对进水区和三相分离区两个计算域中壁面附近的网格点重新布置，以确保网 格质量和计算精度；为了优化计算网格，划分了三套疏密不同的计算域网格，并进行网格压 降差异分析，最终选择了网格数为14440,节点数15341，面数29780的计算网格； 对每个模型进行选择并定义边界类型，导出目标反应器模型的Mesh网格文件，命名为 EGSB-Mesh ； (二） 计算求解：计算模型选择、边界条件设置与迭代求解 (1) 计算模型选择 将EGSB-Mesh文件导入ANSYS FLUENT 7. 0中，开始定义计算模型；采用欧拉-欧拉多相 流体模型模拟升流式厌氧发酵生物制氢反应器中气、液、固三相流，废水、污泥和发酵气体 视为三种不同的连续流，建立湍流模型模拟反应器内部流场，所述湍流模型采用标准的湍 动能耗散率k- ε模型，模拟与预测废水厌氧发酵产氢过程采用葡萄糖降解动力学模型，以 上各模型方程具体见公式（1)-公式（20); (2) 边界条件定义 模拟涉及的主要物质参数为：废水浓度为1050kg/m3 ;污泥床中的污泥占反应区体积的 35 %，污泥浓度1460kg/m3,污泥颗粒粒径1mm，初始体积分率为0. 55 ;氢气密度为1. 225kg/ m3,氢气气泡粒径为0. 1mm ;对废水泵入升流式厌氧发酵生物制氢反应器的入口设定为固定 流量入口边界条件，边界紊流条件设定为低紊流强度；处理后的混合液流出升流式厌氧发 酵生物制氢反应器的出口设定为大气压条件下的静压力出口边界条件；反应器顶部的发酵 气体出口边界设定为脱气边界条件；其中，所有其他固体表面，包括挡板、反应器壁均设定 为壁面边界条件，对于混合液是无滑移壁面，对于发酵气体是自由滑动壁面； (3) 迭代求解 升流式厌氧发酵生物制氢反应器模拟运行于一台配置丨ntcm Core? 2 Duo CPU T9300 2. 5GHz处理器和6GB内存的计算机；模拟占用内存较大，采用64位Windows操作系统支 撑模拟运算；采用高解析格式求解，其中求解Navier-Stocks方程采用分离式解法中的 SMPLE算法，均方根残差收敛标准为1. 0E-4,以液相速度参数和湍动能参数作为残差收敛 检验窗口，进行稳态迭代计算，模拟运算在33500次迭代后实现收敛； 按以上步骤，分别对升流式厌氧发酵生物制氢反应器在不同水力上升流速条件下 0. 3mm/s、0. 5mm/s、0. 9mm/s的3个稳态工况进行模拟，直到收敛得到3组计算结果，并保 存； (三） 后处理：流场信息获取与优化选择 利用TecPlot软件将计算结果进行可视化处理，得到不同水力上升流速工况下升流式 厌氧发酵生物制氢反应器每个稳态模拟的速度场、污泥体积分率、发酵气体氢气组分体积 分率等流场信息，根据各流场信息对厌氧生物制氢工艺的影响将模拟结果进行综合比较， 依据最大化厌氧发酵产氢速率的工艺要求，获得如图5所示最优模拟工况信息，从而得到 最佳水力上升流速0. 5mm/s，相比另外两个工况条件，反应器产氢速率分别高出39. 9%和 31. 3%。
6.根据权利要求1-5所述升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化设计方法在升流式 厌氧发酵生物制氢反应中的应用。
【文档编号】G06F17/50GK104050330SQ201410293478
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】王旭, 刘俊新 申请人:中国科学院生态环境研究中心