專利名稱：氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器cfd模型及凈化惡臭廢氣的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型模擬研究惡臭廢氣的氣升式三相環(huán)流 生物反應(yīng)器凈化過程及凈化惡臭廢氣的方法，屬于惡臭廢氣生物凈化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
化學(xué)工業(yè)和石油化工、輕工、紡織、食品、制藥等已成為我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支 柱性產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著舉足輕重的地位。但與此同時(shí)，在生產(chǎn)與加工過程中將不可 避免地?zé)o組織排放出大量的諸如苯系物、硫化氫、有機(jī)硫化物(甲硫醇、乙硫醇、甲硫醚、二 甲二硫)、氨、有機(jī)氨、有機(jī)酸和苯酚類化合物等惡臭廢氣，若未能進(jìn)行有效地治理和凈化， 將嚴(yán)重影響健康。生化法是基于微生物的代謝機(jī)理，并考慮到惡臭廢氣的自身特點(diǎn)而開發(fā)出的一種 凈化惡臭廢氣新工藝，該工藝因具有諸如無二次污染產(chǎn)生、處理能力大、運(yùn)行費(fèi)用低、工藝 簡單、能耗小、效果好、操作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞和重視。對(duì)生化法處理惡臭廢氣過程中 關(guān)鍵設(shè)備及其技術(shù)的實(shí)驗(yàn)與理論研究，已成為世界工業(yè)惡臭廢氣凈化研究和推廣應(yīng)用的熱 點(diǎn)課題之一。氣升式氣液固三相環(huán)流生物反應(yīng)器，是在結(jié)合氣提、環(huán)流等優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上而開發(fā)出 的一種新型反應(yīng)器。由于該反應(yīng)器內(nèi)氣、液、固三相的流動(dòng)狀況是非常復(fù)雜的，再加上當(dāng)前 對(duì)控制這些三相流動(dòng)、傳質(zhì)及反應(yīng)的基本原理還不太清楚，因此開展氣升式氣液固三相環(huán) 流生物反應(yīng)器凈化惡臭廢氣過程的實(shí)驗(yàn)、理論模型與數(shù)值模擬研究，是擺在我們化學(xué)工程 科技工作者面前一個(gè)急待解決的、并具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景的前沿課題之一。 只有開展氣升式氣液固三相環(huán)流生物反應(yīng)器凈化惡臭廢氣過程的局部性能實(shí)驗(yàn)研究，才能 從微觀上、局部上揭示出反應(yīng)器中局部流動(dòng)、傳質(zhì)及生化反應(yīng)性能參數(shù)的分布規(guī)律，為過程 模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)、操作與控制提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；也只有采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法，開 展氣升式氣液固三相環(huán)流生物反應(yīng)器凈化惡臭廢氣過程的模型化研究，才能從模型角度實(shí) 現(xiàn)氣升式氣液固三相環(huán)流生物反應(yīng)器凈化惡臭廢氣過程的模擬優(yōu)化與優(yōu)化設(shè)計(jì)，突破傳統(tǒng) 的經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)半理論優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究思路和方法。基于上述分析，本發(fā)明將遵循生化法凈 化惡臭廢氣發(fā)展的客觀要求，以氣升式氣液固三相環(huán)流生物反應(yīng)器凈化惡臭廢氣作為研究 對(duì)象，從瞬態(tài)、微觀角度，從實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬三個(gè)方面，開展反應(yīng)器中局部流動(dòng)、傳質(zhì) 及反應(yīng)性能的實(shí)驗(yàn)與理論研究，提出基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的三流體流動(dòng)及反應(yīng)模型進(jìn) 行氣升式氣液固三相環(huán)流生物反應(yīng)器凈化惡臭廢氣過程模擬優(yōu)化與優(yōu)化設(shè)計(jì)的新思路、新 方法和新工具，使凈化后的有機(jī)廢氣排放指標(biāo)達(dá)到國家規(guī)定的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)GB3096-1996， 為解決我國若干重大環(huán)境廢氣污染問題提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及主導(dǎo)性技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種采用CFD模型模擬氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器固定化菌體凈化惡臭廢氣的方法，該方法模擬精確，無需實(shí)際實(shí)驗(yàn)，對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)過程具有重要的 指導(dǎo)意義。對(duì)氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器中利用固定化菌體凈化惡臭廢氣過程進(jìn)行CFD模 擬研究，建立了 3D瞬態(tài)氣-液-固三相流的CFD模型，將流動(dòng)與傳質(zhì)和反應(yīng)耦合，以流體 實(shí)驗(yàn)和廢氣凈化實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，并定量研究傳質(zhì)與反 應(yīng)間的關(guān)系，討論氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器惡臭廢氣凈化過程的限速步驟并進(jìn)行優(yōu)化模 型。本發(fā)明是通過下述實(shí)驗(yàn)技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的CFD模型模擬的模型假設(shè)理論公式本研究將歐拉方法應(yīng)用于氣升式內(nèi)環(huán)流生物反應(yīng)器內(nèi)氣-液-固三相流體系，構(gòu) 建基于Eulerian方法的三維瞬態(tài)模型。采用CFX 10. 0大型計(jì)算軟件包進(jìn)行CFD模型數(shù)值 求解。一、模型假設(shè)1)氣體為氣相，無機(jī)鹽溶液為液相，固定化菌體為固相。2)忽略菌體生長的延遲期。3)甲苯和氧為菌體生長的限制條件，其他物質(zhì)如無機(jī)鹽等的影響不包括在內(nèi)。二、 氣液固三相湍流模型及氣泡多尺度模型1.模型控制方程對(duì)于氣-液-固三相體系，各相的連續(xù)性方程如下
_5] et 1 g g(2)
^fLL +V-^a1P1U1) = 0 + ) = 0(3) dt v y其中t為時(shí)間，P為密度，u為速度，α是相含率，下標(biāo)g，l和s分別代表氣相、液 相和固相，相含率遵循如下約束條件α g+a fa s = 1 (4)氣-液-固三相流中各相的動(dòng)量輸運(yùn)方程如下
_ 9] |(WuJ +W*(ag (PAiiJ) =^p+agpgg+W*[aA (vug +(Vugf)) + (5)(W,)) =(Vu, +(Vu,)r))+M"g +Mjfa⑷ I(O5AU5)(AUA)) = -ahyp+aspM+V*(asMs (Vu5 +(VuJ)) +Mw (7)其中ρ為壓力，g為重力加速度，μ eff為有效粘度，M1為界面作用力項(xiàng)。2.相間作用力在本模型中，氣泡與液相、固定化小球與液相界面的相間作用力已經(jīng)被考慮在內(nèi)， 并且通過在動(dòng)量方程中添加界面作用力項(xiàng)M1的方式來實(shí)現(xiàn)(見公式5，6和7)。對(duì)于氣-液 兩相流體系而言，相間界面作用力主要包括曳力、升力、虛擬質(zhì)量力和湍流擴(kuò)散力等Mljlg = -Mljgl5Mljls = -Mljsl作為分散相的氣、固兩相作用于連續(xù)相的曳力可表示為
權(quán)利要求
1.一種氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器CFD模型，其特征是將流動(dòng)與傳質(zhì)和反應(yīng)耦合，以 流體實(shí)驗(yàn)和廢氣凈化實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好；用該模型預(yù)測(cè)液 相和固相的局部瞬態(tài)組分分布，并定量研究傳質(zhì)與反應(yīng)間的關(guān)系，討論氣升式三相環(huán)流生 物反應(yīng)器甲苯廢氣凈化過程的限速步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的模型；其特征是將歐拉方法應(yīng)用于氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器 CFD模型，構(gòu)建基于Eulerian方法的三維瞬態(tài)模型。
3.如權(quán)利要求1所述的模型；其特征是采用CFX10. 0大型計(jì)算軟件包進(jìn)行CFD模型 數(shù)值求解。
4.應(yīng)用于甲苯廢氣的氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器凈化裝置，包括氣升式三相環(huán)流生物 反應(yīng)器、緩沖罐、流量計(jì)、氣泵、無機(jī)鹽培養(yǎng)基儲(chǔ)罐、蠕動(dòng)泵和恒溫電熱器；其特征是所述的 氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器設(shè)有方柱形外殼體，外殼體橫截面正方形邊長為0. 12 0. 2m, 外殼體內(nèi)設(shè)置方柱形導(dǎo)流筒，導(dǎo)流筒橫截面正方形邊長為0. 08 0. 15m,外殼體和導(dǎo)流 筒的中軸線重疊，外殼體的底部中心位置設(shè)置正方形布?xì)獍澹呴L為外殼體橫截面邊長的 1/2，布?xì)獍迳系耐饪卓讖綖?. 5 4. 5mm，外殼體的上部設(shè)置可拆卸的四棱錐形封口，殼 體下方靠近底面的位置設(shè)有出水口，出水口內(nèi)徑為固定化菌體直徑的5倍；其中外殼體和 導(dǎo)流筒的高徑比為10 1 12 1，導(dǎo)流筒底面與外殼體的底面距離為外殼體橫截面邊長 的 1/2。
5.甲苯廢氣的氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器凈化方法，其特征是凈化方法步驟如下1)將海藻酸鈉固定化的惡臭假單胞菌I^seudomonasputidaWQ-OS和無機(jī)鹽培養(yǎng)基，由 氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器頂部加入氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器，固定化菌體的用量為氣 升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器工作容積的30 40%，無機(jī)鹽培養(yǎng)基用量為氣升式三相環(huán)流生 物反應(yīng)器工作容積的60 70% ；2)以甲苯濃度200 800mg/m3，經(jīng)第一氣泵、緩沖罐、流量計(jì)以0.52 1. 04m3/h的流 量經(jīng)氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器底部進(jìn)入反應(yīng)器中，出口氣體流量的20%經(jīng)第二氣泵通過 氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器底部布?xì)獍暹M(jìn)入氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器，氣升式三相環(huán)流 生物反應(yīng)器內(nèi)在溫度25 30°C，每24h加入無機(jī)鹽培養(yǎng)基0. 5 0. 7L ；3)最終使出口氣體中甲苯濃度低于60mg/m3，容積負(fù)荷達(dá)4810 8060mg/m3/h。
6.如權(quán)利要求5所述的甲苯廢氣的氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器凈化方法，其特征是所 述的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中 N3+ 為 7. 5 22. 5mmol/L, P5+ 為 1. 5 4. 5mmol/L, Mg2+ 為 0. 4 lmmol/ L, Ca2+ 為 0. 18 0. 5mmol/L, Fe2+ 為 0. 07 0. 2mmol/L ；Mn2+、Zn2+、Mo6+、Cu2+、Co2+ 為痕量。
7.如權(quán)利要求6所述的甲苯廢氣的氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器凈化方法，其特征是所 述的無機(jī)鹽培養(yǎng)基中N3+由NH4Cl或(NH4)2SO4的一種或混合提供，P5+由KH2PO4或K2HPO4的 一種或混合提供；Mg2+由MgSO4 · 7H20或MgCl2的一種或混合提供；Ca2+由CaCl2提供；Fe2+ 由 FeCl2 · 4H20 或 FeSO4 · 7H20 的一種或混合提供；Mn2+ 由 MnSO4 · H2O 提供；Si2+ 由 SiSO4 或 ^Cl2 提供；Mo6+ 由 Na2MoO4 · 7H20 提供；Cu2+ 由 CuSO4 · 5H20 或 CuCl2 · 2H20 提供；Co2+ 由 CoCl2 · 6H20 或 CoSO4 · 7H20 提供。
全文摘要
本發(fā)明涉及氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器CFD模型及凈化惡臭廢氣的方法及裝置；將流動(dòng)與傳質(zhì)和反應(yīng)耦合，以流體實(shí)驗(yàn)和廢氣凈化實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好；用該模型預(yù)測(cè)液相和固相的局部瞬態(tài)組分分布，并定量研究傳質(zhì)與反應(yīng)間的關(guān)系，討論氣升式三相環(huán)流生物反應(yīng)器甲苯廢氣凈化過程的限速步驟。在氣升式環(huán)流兩相生物反應(yīng)器惡臭廢氣凈化行為研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究氣升式環(huán)流三相生物反應(yīng)器固定化P.WQ-03凈化惡臭廢氣的動(dòng)態(tài)行為，并構(gòu)建了基于歐拉方法的氣-液-固三相流3D瞬態(tài)CFD模型，耦合流動(dòng)、傳質(zhì)和反應(yīng)。并且可以對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的流體力學(xué)特性、組分濃度場(chǎng)和限速步驟進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)操作條件的選擇和反應(yīng)器設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
文檔編號(hào)B01D53/84GK102091528SQ20101057063
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者宇光海, 王雪, 聞建平 申請(qǐng)人:天津大學(xué)