© 2013由Elsevier B.V.发布。信息工程研究院可在www.sciencedirect.comwww.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectIERI Procedia 5（2013）245 - 251利用三相流模型Tarworn Ruttithiwapanich1，a，WarinthornSongkasiri2，b，Wiwat Ruenglertpanyakul1，c1化学工程系，King Mongkut泰国2废物利用管理优秀中心（EcoWaste），国家遗传工程和生物技术中心（BIOTEC），Bangkhuntien，曼谷10150，泰国awornner@yahoo.com，bwarinthorn@biotech.or.th，cwiwat. kmutt.ac.th摘要上流式厌氧废水处理系统由于其能源生产潜力而在食品和农业工业中很受欢迎为了达到最大的沼气产量，需要考虑操作和设计因素。泰国东部某木薯淀粉厂的沼气厂面临着颗粒污泥冲刷和混合不充分的问题。利用计算流体力学（CFD）模型研究了工业规模沼气反应器内颗粒污泥冲刷通过实验对三相流模型进行了验证。模拟是在废水进料速率为1，200 m3/d的情况下进行的，代表了峰值负荷。模拟结果表明，污泥在分配管道内积聚的可能性靠近反应器壁的进口孔它使液体上升速度超过颗粒污泥的0.0315 m/s的终端速度。促进了颗粒污泥的洗脱© 2013作者。出版社：Elsevier B.V. 在CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：厌氧，沼气，CFD，混合，可再生能源，模拟，污水处理1 介绍沼气技术广泛用于食品和农产品加工业，从废物中回收能源。在沼气反应器中，废水、沼气泡和细菌颗粒污泥三种主要组分共存，分别为液相、气相和固相。细菌颗粒污泥在有机物转化为沼气过程中起着重要的作用。证据可以在Young和Dahab（1982）的研究中看到。他们研究了固定床厌氧过滤反应器内的COD去除性能。研究结果表明，在反应器底部1/3高度范围内，COD得到了较好的去除。Surarak（1998）还发现，在厌氧混合反应器的底部区域中，颗粒污泥浸没区域内的COD消失了95%。一个工业规模的沼气反应器的体积可能高达数千立方米。颗粒污泥分布不良是一个普遍存在的问题。据木薯淀粉厂的沼气反应器，在泰国东部，正面临着一个颗粒污泥冲洗。因此，这项工作的目的是确定的工业规模的沼气反应器内的颗粒污泥冲洗的原因，使用计算流体动力学（CFD）模型。2 材料和方法2.1 中试规模UASB通过中试规模UASB反应器内的液固两相流实验，验证了CFD模型的2212-6678 © 2013作者出版社：Elsevier B.V. 在CC BY-NC-ND许可下开放访问。信息工程研究所负责的选择和同行评审doi：10.1016/j.ieri.2013.11.099246Tarworn Ruttithiwapanich等人/ IERI Procedia 5（2013）245乌乌p反应器（图1（a））。丙烯酸反应器的内径和总高度分别为19和125 cm。反应器的工作体积为31 L。反应器的入口具有0.7cm的内径并且位于反应器底部的中心。三相分离器位于反应器顶部，由5个连接在中心轴上的导流板组成。五个导流板上的通道呈螺旋形排列，以使水向上流动。(a)（b）第（1）款图1几何形状：（a）中试规模的UASB反应器和（b）颗粒跟踪实验的CCD摄像机位置。CCD摄像机（C11（b））。C1和C2在yz平面上捕获粒子运动，而C3和C4在xz平面上捕获。所有CCD摄像机通过MultiCam GV-650接口连接到PC，以记录粒子运动。采用塑料小球作为模拟颗粒污泥，污泥体积分数为1%。珠粒直径和密度分别为4 mm和1.042 g/ml（Khankruer，2002）。将黑色塑料珠与白色塑料珠混合以促进颗粒跟踪过程。在室温下，液体向上流动速度变化为5和6 m/hr。在研究开始达到稳态之前，向反应器中加入自来水5 HRT（Ezcudie等人，2005年）。然后，MultiCam GV-650软件开始跟踪珠10分钟。通过Photoshop软件分析定格图像以将黑色塑料珠定位在反应器内。颗粒跟踪数据用于模型验证步骤。2.2 计算流体动力学（CFD）模型采用欧拉-欧拉多相流模型对气-液-固三相流的流体力学进行了模拟。每个相的运动都由动量守恒方程控制。忽略了相间的质量和能量传递以及颗粒碰撞动量守恒方程o气相和固相（分散流体相）不uo液相（连续流体相）plGFD，lGFD，lsFD，lg（一）（二）其中，和l分别是分散相和连续相，是体积分数，是密度，u是速度矢量，p是压力，是粘度，g是重力加速度，并且FD，ls和FD，lg表示相间阻力界面动量传递连续相和分散相之间的拖曳力由以下等式表示。F、C、D、l 一u u u u（三）D，l8Ll l l其中A l是分散相的投影面积。文和余[1]提出的阻力系数（CD）用于如下模拟液相和固相之间的动量传递不LL luL卢卢卢LuuL LululL L不不Tarworn Ruttithiwapanich等人/ IERI Procedia 5（2013）24524724RemLD，lgmGDCD，ls1.65 24 1 0.15 Re0.687Re（四）液相和气相之间的阻力系数可以如下计算。Cmax1 0.15 Re0.687，2321 2l g g（五）其中d g 是气泡直径，是表面张力。Re和Rem是修正的混合物雷诺（6）第一章L和Rem（七）其中D 是湿润周长通过ANSYS 13®模拟三相流型。收敛水平为10- 4。2.3 配水管通过同时从两个尖端（入口1和入口2）注入水来进行分配管内的流动模式的模拟。管体网格划分采用四面体网格，分辨率为3,148,558目。假设废水入口为纯水，在管道中流动时为无滑动壁条件。将每个分配孔处的水流速度与平均速度的上、下偏差百分比（分别为%UDM和%LDM）和幅度百分比（%M）的值进行比较，以比较水分配效率。（八）（九）（十）表1液相、气相和固相的物理性质。相密度粘度直径[kg/m3][kg/秒][米]液体9978.90x10-4-（废水）[6]第六话1.80x10-1 [7]0.002（颗粒污泥）天然气1.1851.83x10-50.001（沼气泡沫）表2模型边界条件和模型参数。说明和价值反应器容积入口边界条件6,000立方米流速入口，1,200m3/d出口边界条件开度壁面边界条件液体无滑移，固体和气体初始固体体积分数0.18初始气体体积分数0参考工作压力[atm] 1入口气体速度[m/s] 1.94 x 10-7收敛标准10- 4表3水流量、雷诺流速（立方米/天）雷诺兹的Number模型1201,683层流模型2403,359过渡模型（ANSYS，L卢格ul dg2.5G0.4Ll1gLG248Tarworn Ruttithiwapanich等人/ IERI Procedia 5（2013）245入口1（2006年）6008,415湍流k模型1,20016,813湍流k模型2.4 工业规模沼气反应器通过GAMBIT®构建了工业规模的沼气反应器模型。反应器由反应器底部的4个废水分配管组成。每根管子都打了孔。如图2（a）所示，每个孔向下与反应器底板成45°角，作为废水入口。有机物浓度为20，000 mgCOD/L的废水从管的两端进料。反应器的总工作体积为6，000m3，如图2（b）所示.堰安装在反应器的顶部作为废水出口。反应器通过四面体网格形状进行网格化，分辨率为2，265，975目。各相的物理性质示于表1中。模型边界条件和模型参数如表2所示。入口2（一）配水管（b）图2利用GAMBIT®制作了（a）废水分配管和（b）工业规模沼气反应器的模型3 结果讨论3.1 模型验证固体分布频率的模拟结果需要统计比较来证明模型预测的有效性。采用卡方检验法进行了显著性检验。比较的假设是：模拟结果与实验结果之间没有显著差异采用卡方检验法，显著性水平为0.05（= 0.05），自由度为10当比较的卡方值保持在卡方临界值18.31以下时，该假设有效表4示出了模拟固体分布频率与其实验之间的比较的卡方值。两种液体上升流速条件下，从固体/节点体积分数为0.01和0.10获得的固体分布频率的集合在所有坐标中均低于卡方临界值因此数学模型可以预测可接受相间动量传递液体和固体之间的区别表4固体体积分数为1%、液体上升速度为5和6 m/hr时，模拟和实验结果之间固体分布频率的卡方值比较液体上升流速（m/hr）固体/节点分数体积坐标Xyz50.0113.2016.3616.990.1012.0015.208.170.3011.6711.3323.43堰入口1入口2Tarworn Ruttithiwapanich等人/ IERI Procedia 5（2013）2452490.508.1113.6732.6460.014.3312.5313.700.104.4012.0015.150.304.6211.6226.230.508.7817.3332.643.2 入口分配管内整个工况下沿管道的速度分布相似，如图4所示。由于两个进口的压力降和动量的作用，在管道的顶端附近速度最高，而在管道的中部速度最低。当进水量较小时，即进水动量较小，对压降的影响比较明显。以%UDM、%LDM和%M表示的分配效率的比较发现。最低进水量为120m3/d，沿程平均流速为0.0182 m/s，最低流速为0.0174 m/s（5.49%UDM），最高流速为0.0192 m/s（4.40%LDM）。的值当%UDM和%LDM小于10时，分布水沿管长的流速变化规律在平均流速附近，而当%UDM和%LDM小于10时，分布水沿管长的流速变化规律在平均流速附近。配水管的配水效率可达90.63%M。当进水量为240m3/d时，平均流速为0.0363 m/s，最大流速为0.0383（5.51%UDM），最小流速为0.0340 m/s（6.33%LDM）。在此饲养条件下，产生了88.77%M的值。在木薯淀粉生产的旺季，分布管的效率有提高的趋势。如图3（c）-（d）所示，在600和1,200 m3/d的供水量下当流量为600 m3/d时，最大流速为0.0940（3.41%UDM），最小流速为0.0878 m/s（3.41%LDM），最大流速为93.40%M。当进料流量为1, 200m3/d时，最大流速和最小流速分别为0.1857（2.20%UDM）和0.1758m/s（3.36%LDM），同时也产生了94.67%M。由于两种工况均产生了较大的入口动量，并取代了压降的影响，使得沿程分布具有很高的相似性。a）0.01960.01920.01880.01840.01800.01760.0172b）、0.09500.09400.09300.09200.09100.09000.08900.08800.0870入口2入口10 10 20 30 40 50 6070管道出口编号c）、d）、0.19000.18800.18600.18400.18200.18000.17800.17600.17400.03900.03800.03700.03600.03500.03400.03300 10 20 30 40 50 60 70管道出口编号0 10 20 30 40 50 6070管道出口编号0 10 20 30 40 50 60 70管道出口编号图3沿管道长度的每个分布孔处的水流速度从两端注入水的进料方式在中间管道长度中产生了停滞的流体（图1）。4）。这是反动量区，在那里污泥可以积累。流速（m/s）流速（m/s）流速（m/s）流速（m/s）250Tarworn Ruttithiwapanich等人/ IERI Procedia 5（2013）245堰停滞流体图4分布管内的速度矢量显示了中间管长度处的停滞流体。3.3 工业规模沼气反应器内的三相流态。根据实际工业规模的沼气反应器正面临着颗粒污泥的冲刷。开发的CFD模型被用来发现问题。模拟结果表明，孔板设计对反应器内的动量传递有影响。与反应器底部成45°角的进口孔板强制轴向动量传递。图为水冷壁反射。入口的水反射了墙壁，然后直接流过反应堆的顶部。这种机制促进了靠近壁面区域的轴向动量传递。图A显示了流速高于颗粒污泥终速0.0315 m/s的水流。反应器出口处出现颗粒污泥，这是污泥冲刷的标志，如图所示。B.图5与反应器底部成45 °角的进口孔板设计A B图6等值面显示：A.污水流速大于污泥终端流速，B.反应器出口出现颗粒污泥载体。Tarworn Ruttithiwapanich等人/ IERI Procedia 5（2013）245251确认作者要感谢泰国研究基金通过皇家金禧博士的财政支持项目（批准号：PHD/0121/2551）。中试工厂开发和培训学院：PDTI，King Mongkut's University of Technology Thonburi：KMUTT和ChoncharoenCo.，公司也被认为是支持研究领域。引用[1]ANSYS，创新的湍流建模：[2]ANSYS® CFX®中的转换模型，技术简介，第2006年1-2月[3]卡里姆·K HR，克拉森湾T. 100 Al-Dahhan M.H.，2005年，“动物废物的厌氧消化：混合模式的影响”。水资源研究，39页。3597-3606[4]Khankruer D. 2002年，“UASB处理碳水化合物废水中上升流速对颗粒化的影响”，King Mongkut'sUniversity of Technology Thonburi：Bangkok。p. 69比109[5]Pevere A.，Guibaud G.，Goin E.，Hullebusch V.E.，Lens P.，2009，“物理化学因素对厌氧颗粒污泥粘度演变的影响”，43，p. 231-238[6]R. Panneerselvam，S. Savithri，G.D.投降吧气液固流化床反应器流体力学的CFD模拟化学工程学，64页。1119-1135，2009。[7]小韦尔蒂Wicks C.E.，威尔逊R.E.，Rorrer G.L.，2008年，pp. 43号。
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