气升式三相环流生物反应器CFD模型及净化恶臭废气的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及气升式三相环流生物反应器CFD模型及净化恶臭废气的方法及装置；将流动与传质和反应耦合，以流体实验和废气净化实验对模型进行验证，模拟结果与实验值吻合良好；用该模型预测液相和固相的局部瞬态组分分布，并定量研究传质与反应间的关系，讨论气升式三相环流生物反应器甲苯废气净化过程的限速步骤。在气升式环流两相生物反应器恶臭废气净化行为研究基础上，进一步研究气升式环流三相生物反应器固定化P.WQ-03净化恶臭废气的动态行为，并构建了基于欧拉方法的气-液-固三相流3D瞬态CFD模型，耦合流动、传质和反应。并且可以对反应器内的流体力学特性、组分浓度场和限速步骤进行预测，对操作条件的选择和反应器设计具有指导意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种计算流体力学(CFD)模型模拟研究恶臭废气的气升式三相环流 生物反应器净化过程及净化恶臭废气的方法，属于恶臭废气生物净化

技术介绍
化学工业和石油化工、轻工、纺织、食品、制药等已成为我国社会和经济发展的支 柱性产业，在国民经济中占据着举足轻重的地位。但与此同时，在生产与加工过程中将不可 避免地无组织排放出大量的诸如苯系物、硫化氢、有机硫化物(甲硫醇、乙硫醇、甲硫醚、二 甲二硫)、氨、有机氨、有机酸和苯酚类化合物等恶臭废气，若未能进行有效地治理和净化， 将严重影响健康。生化法是基于微生物的代谢机理，并考虑到恶臭废气的自身特点而开发出的一种 净化恶臭废气新工艺，该工艺因具有诸如无二次污染产生、处理能力大、运行费用低、工艺 简单、能耗小、效果好、操作稳定等优点而备受青睐和重视。对生化法处理恶臭废气过程中 关键设备及其技术的实验与理论研究，已成为世界工业恶臭废气净化研究和推广应用的热 点课题之一。气升式气液固三相环流生物反应器，是在结合气提、环流等优点基础上而开发出 的一种新型反应器。由于该反应器内气、液、固三相的流动状况是非常复杂的，再加上当前 对控制这些三相流动、传质及反应的基本原理还不太清楚，因此开展气升式气液固三相环 流生物反应器净化恶臭废气过程的实验、理论模型与数值模拟研究，是摆在我们化学工程 科技工作者面前一个急待解决的、并具有重要学术价值和广阔应用前景的前沿课题之一。 只有开展气升式气液固三相环流生物反应器净化恶臭废气过程的局部性能实验研究，才能 从微观上、局部上揭示出反应器中局部流动、传质及生化反应性能参数的分布规律，为过程 模拟优化设计、操作与控制提供基础实验数据；也只有采用计算流体力学(CFD)的方法，开 展气升式气液固三相环流生物反应器净化恶臭废气过程的模型化研究，才能从模型角度实 现气升式气液固三相环流生物反应器净化恶臭废气过程的模拟优化与优化设计，突破传统 的经验、半经验半理论优化设计的研究思路和方法。基于上述分析，本专利技术将遵循生化法净 化恶臭废气发展的客观要求，以气升式气液固三相环流生物反应器净化恶臭废气作为研究 对象，从瞬态、微观角度，从实验、理论和数值模拟三个方面，开展反应器中局部流动、传质 及反应性能的实验与理论研究，提出基于计算流体力学(CFD)的三流体流动及反应模型进 行气升式气液固三相环流生物反应器净化恶臭废气过程模拟优化与优化设计的新思路、新 方法和新工具，使净化后的有机废气排放指标达到国家规定的一级排放标准GB3096-1996， 为解决我国若干重大环境废气污染问题提供重要的基础数据及主导性技术。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种采用CFD模型模拟气升式三相环流生物反应器固定化菌体净化恶臭废气的方法，该方法模拟精确，无需实际实验，对具体的实验过程具有重要的 指导意义。对气升式三相环流生物反应器中利用固定化菌体净化恶臭废气过程进行CFD模 拟研究，建立了 3D瞬态气-液-固三相流的CFD模型，将流动与传质和反应耦合，以流体 实验和废气净化实验对模型进行验证，模拟结果与实验值吻合良好，并定量研究传质与反 应间的关系，讨论气升式三相环流生物反应器恶臭废气净化过程的限速步骤并进行优化模 型。本专利技术是通过下述实验技术方案加以实现的本专利技术的CFD模型模拟的模型假设理论公式本研究将欧拉方法应用于气升式内环流生物反应器内气-液-固三相流体系，构 建基于Eulerian方法的三维瞬态模型。采用CFX 10. 0大型计算软件包进行CFD模型数值 求解。一、模型假设1)气体为气相，无机盐溶液为液相，固定化菌体为固相。2)忽略菌体生长的延迟期。3)甲苯和氧为菌体生长的限制条件，其他物质如无机盐等的影响不包括在内。二、 气液固三相湍流模型及气泡多尺度模型1.模型控制方程对于气-液-固三相体系，各相的连续性方程如下_5] et 1 g g(2)^fLL +V-^a1P1U1) = 0 + ) = 0(3) dt v y其中t为时间，P为密度，u为速度，α是相含率，下标g，l和s分别代表气相、液 相和固相，相含率遵循如下约束条件α g+a fa s = 1 (4)气-液-固三相流中各相的动量输运方程如下_ 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为压力，g为重力加速度，μ eff为有效粘度，M1为界面作用力项。2.相间作用力在本模型中，气泡与液相、固定化小球与液相界面的相间作用力已经被考虑在内， 并且通过在动量方程中添加界面作用力项M1的方式来实现(见公式5，6和7)。对于气-液 两相流体系而言，相间界面作用力主要包括曳力、升力、虚拟质量力和湍流扩散力等Mljlg = -Mljgl5Mljls = -Mljsl作为分散相的气、固两相作用于连续相的曳力可表示为权利要求1.一种气升式三相环流生物反应器CFD模型，其特征是将流动与传质和反应耦合，以 流体实验和废气净化实验对模型进行验证，模拟结果与实验值吻合良好；用该模型预测液 相和固相的局部瞬态组分分布，并定量研究传质与反应间的关系，讨论气升式三相环流生 物反应器甲苯废气净化过程的限速步骤。2.如权利要求1所述的模型；其特征是将欧拉方法应用于气升式三相环流生物反应器 CFD模型，构建基于Eulerian方法的三维瞬态模型。3.如权利要求1所述的模型；其特征是采用CFX10. 0大型计算软件包进行CFD模型 数值求解。4.应用于甲苯废气的气升式三相环流生物反应器净化装置，包括气升式三相环流生物 反应器、缓冲罐、流量计、气泵、无机盐培养基储罐、蠕动泵和恒温电热器；其特征是所述的 气升式三相环流生物反应器设有方柱形外壳体，外壳体横截面正方形边长为0. 12 0. 2m, 外壳体内设置方柱形导流筒，导流筒横截面正方形边长为0. 08 0. 15m,外壳体和导流 筒的中轴线重叠，外壳体的底部中心位置设置正方形布气板，边长为外壳体横截面边长的 1/2，布气板上的通气孔孔径为0. 5 4. 5mm，外壳体的上部设置可拆卸的四棱锥形封口，壳 体下方靠近底面的位置设有出水口，出水口内径为固定化菌体直径的5倍；其中外壳体和 导流筒的高径比为10 1 12 1，导流筒底面与外壳体的底面距离为外壳体横截面边长 的 1/2。5.甲苯废气的气升式三相环流生物反应器净化方法，其特征是净化方法步骤如下1)将海藻酸钠固定化的恶臭假单胞菌I^seudomonasputidaWQ-OS和无机盐培养基，由 气升式三相环流生物反应器顶部加入气升式三相环流生物反应器，固定化菌体的用量为气 升式三相环流生物反应器工作容积的30 40%，无机盐培养基用量为气升式三相环流生 物反应器工作容积的60 70% ；2)以甲苯浓度200 800mg/m3，经第一气泵、缓冲罐、流量计以0.52 1. 04m3/h的流 量经气升式三相环流生物反应器底部进入反应器中，出口气体流量的20%经第二气泵通过 气升式三相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气升式三相环流生物反应器ＣＦＤ模型，其特征是将流动与传质和反应耦合，以流体实验和废气净化实验对模型进行验证，模拟结果与实验值吻合良好；用该模型预测液相和固相的局部瞬态组分分布，并定量研究传质与反应间的关系，讨论气升式三相环流生物反应器甲苯废气净化过程的限速步骤。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：闻建平，宇光海，王雪，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12