[发明专利]一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法

说明书

本发明属于能源环境保护技术领域，具体涉及到一种全混式连续厌氧发酵反应器的设计优化方法。本方法基于流体力学技术的数值模拟方法，按照如下步骤进行全混式连续厌氧发酵反应器的设计优化，首先分析混合原料流变特性；其次建立反应器三维模型，输入原料特性，利用计算流体力学进行混合模拟；之后根据无因次欧拉数Eu作为指标判断反应器是否已达优化标准：最后进行判断，混合均匀时knT≥Eu，得到优化结果；如knT＜Eu，则调整反应器结构参数，重新从第二步进行优化。本方法可以对全混式连续厌氧发酵反应器结构进行设计优化，提升反应器的搅拌效率，进而显著提升反应器的运行稳定性和反应效率，有助于推动沼气产业持续稳定发展。

技术领域

本发明属于沼气工程技术领域，具体涉及一种全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法。

背景技术

厌氧发酵是处理农业废弃物的主要手段，CSTR是当今沼气工程中厌氧发酵的主要形式。就目前而言，我国沼气工程的运行效率相较滞后：国内的CSTR反应器结构相对单一，在发酵过程中存在缺陷；适用于秸秆与牛粪混合原料的湿法厌氧发酵十分有限，易导致产气不稳定、连续运行能力差等。这些因素均阻碍了CSTR装置在沼气工程中的进一步发展。因此，全混式厌氧发酵反应器进行结构优化对于提高全混式厌氧发酵效果的稳定、连续、高效运行具有重要意义。

对于全混式厌氧发酵反应器而言，反应器内部结构是影响混合原料混合的重要因素，但其内部结构参数不能直接反映反应器混合状况；直接影响混合效果的参数是能表征全混式厌氧发酵反应器内部混合状况的流体动力学参数，特别是搅拌条件下混合的流体动力学参数。因此，对反应器内部流态进行模拟，获取不同结构或不同运行条件下反应器内详细的流场信息，进而优化其结构设计及运行控制参数，对新型反应器的研发及提高反应器的运行效率将具有十分重要的意义。

公开号为CN103942358B的中国专利申请公开了一种污水培养微藻光生物反应器的设计优化方法，该方法建立欧拉-欧拉两相流体体系的光生物反应器流场和小球藻生化反应相耦合的气液两相二维瞬态CFD模型，针对其操作过程进行数据验证。但反应器的设计仅适用于物质浓度较低的污水处理，并不能够对粪污、秸秆等高浓度厌氧发酵反应器进行优化设计。而公开号为CN104050330A的中国专利申请公开了一种升流式厌氧发酵生物制氢反应器的优化方法，利用CFD模拟反应器内流场分布耦合生化反应模型，进行综合分析，判断水利上升流速。此方法同样适用于物质浓度较低的污水处理，而并不能够对粪污、秸秆等高浓度厌氧发酵反应器进行优化设计。对比以上两专利，本专利提出了一种适用于粪污、秸秆等有机废弃物高浓度厌氧发酵反应器的设计优化方法，可显著提高反应器内有机废弃物高浓度厌氧发酵的搅拌和混合效果，提高传质传热效率，进而提高有机废弃物厌氧发酵产沼气效果，降低反应器运行成本，有助于加快有机废弃物生产沼气技术的推广应用。

发明内容

本发明提供了一种针对有机肥废弃物混合原料生产沼气的全混式厌氧发酵反应器结构设计优化方法。

本发明提出的全混式厌氧发酵反应器的设计优化方法包括：对反应器内的混合原料进行流变特性分析；进行基本反应器三维建模，划分网格，进行内部流态的仿真模拟，经计算求解，根据Eu值判断是否达到优化条件：若Eu值＜knT，则针对低速区域选取相应参数进行调整，重复上述步骤，进行多次优化。具体步骤如下：

1.全混式厌氧发酵反应器实验研究及混合原料混合计算流体力学模型的建立及验证

(1)全混式厌氧发酵混合原料流变特性分析

首先进行混合原料TS、表观粘度等流变特性分析，为后续CFD仿真模拟提供重要理论支撑。

(2)模型假设

1)混合原料的初始浓度在全混式厌氧发酵反应器内部是均匀分布的；

2)反应器内液体由固液两相组成，混合原料颗粒为固相，混合液体为液相；