[发明专利]升流式生物制氢反应器流场模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种升流式生物制氢反应器流场模拟方法。

背景技术

生物氢能作为一种可替代性的清洁能源，无论是对社会效益抑或是环保效益都具有深远的意义。那么，如何提高生物产氢效能是生物制氢技术的关键因素。升流式反应器作为一种新型的生物制氢反应器，是生物厌氧发酵产氢过程的主要载体。目前，更多的研究是从产氢菌种优选、传质条件优化等途径尝试提高制氢效能。对于流场特性因素方面的影响，研究甚少。在升流式反应器连续流产氢实验中发现，厌氧颗粒污泥流现象严重，产氢效能一般；甚至，即使在采用高效产氢菌种的条件下，反应器产氢效能并不能达到最理理想效果，产氢效能存在瓶颈。出现以上问题的原因所在，是升流式反应器在运行过程中由于控制参数选择问题，出现了某些不利于传质和生物发酵降解的流态现象，导致内部流速场分布紊；亦或是升流式制氢反应器结构设计不合理，导致欠佳的流场效应等等。

发明内容

本发明为了解决目前升流式反应器由于控制参数选择，导致的不利于传质和生物发酵降解的流态现象的问题，提出一种升流式生物制氢反应器流场模拟方法。

升流式生物制氢反应器流场模拟方法，它是对升流式生物制氢反应器的模拟，所述升流式生物制氢反应器由反应区、进水区、边壁、溢流槽、气体收集区和三相分离区组成，所述边壁为圆柱形空心体，边壁下端底部为进水区，进水区的底部设置有进水口，反应区在边壁内部并且设置在进水区上方，三相分离区设置在边壁的内部并且在边壁的上部，三相分离区的上方设置有气体收集区，三相分离区与气体收集区相连通，气体收集区与三相分离区衔接部位设置有溢流槽，所述溢流槽的底部设置有出水口；

具体过程如下：

步骤一、将升流式生物制氢反应器剖面按照反应区、进水区、边壁、溢流槽、气体收集区和三相分离区分别划分网格单元，所述网格单元的网格线与反应区、进水区、边壁、溢流槽、气体收集区和三相分离区各自剖面内流体流动方向一致；

步骤二、建立升流式生物制氢反应器剖面的二维计算域欧拉-欧拉三相流体模型，获得质量守恒方程和动量守恒方程，其中废水为液态相，污泥为固态相，发酵气体为气态相；

步骤三、建立升流式生物制氢反应器剖面的葡萄糖发酵降解动力学模型，获得葡萄糖发酵降解速率方程；

步骤四、确定求解步骤二所述的二维计算域欧拉-欧拉三相流体模型的边值条件和初始条件；

步骤五、按照步骤一所划分网格单元，采用分离式解法中的SIMPLE算法，耦合葡萄糖发酵降解速率方程，求解步骤二所述的质量守恒方程和动量守恒方程，获得升流式生物制氢反应器剖面内每个网格单元的流场数据；

步骤六、判断步骤五获得的每个网格单元的流场数据是否小于收敛残差；如果是，则返回升流式生物制氢反应器剖面内每个网格单元的流场数据，否则，重新确定网格单元的疏密程度，返回执行步骤一。

发明效果：

一、本发明的方法可以避免升流式生物制氢反应器设计与优化的盲目性，而且给工程放大提供了一种强有力的评估与分析手段；

二、本发明的方法可以避免采用实验流体力学对反应器内部流场进行测量所带来的时间和资源上的巨大耗费，符合节能要求；

三、本发明的方法可以考察反应器内部气-液-固三相的互动关系、分析连续流产氢-流场效应响应关系以及预测升流式生物制氢反应器的产氢能力。

借助所获得的模型，通过调整几何网格结构以及模拟参数，我们可以对不同尺寸、不同结构等的反应器进行流场模拟，分析不同设计参数条件下的反应器流场特性和处理效能；另外，基于模拟结果的可视化技术，可迅速直观地进行反应器尺寸和结构等设计参数的优选，大大节省了时间和成本，同时也避免了设计的盲目性，为反应器的设计和优化带来了极大的方便。本发明适用于升流式生物制氢反应器的设计领域。

附图说明

图1为本发明升流式生物制氢反应器的几何模型示意图。图2为本发明升流式生物制氢反应器上半部分的网格单元划分示意图。图3为本发明升流式生物制氢反应器下半部分的网格单元划分示意图。图4为本发明的流程图。

具体实施方式