UASB厌氧反应器内流场数值模拟_王卫京

第28卷第3期2007年6月大连大学学报JOURNALOFDALAINUNVIERSITYVo.l28No.3Jun.2007UASB厌氧反应器内流场数值模拟王卫京,左秀锦,朱波(大连大学环境与化学工程学院,辽宁大连116622)摘要:UASB厌氧反应器的流场十分复杂.本文对UASB反应器内流场进行了数值模拟,模拟结果表明,液相在反应器内进行循环,气相直接逸出反应器.气体在反应器内分布不均匀,在空间上变化较大.关键词:厌氧反应器;UASB;两相流;数值模拟中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1008-2395(2007)03-0008-03收稿日期:2006-12-20;修订日期:2007-04-20基金项目:辽宁省教育厅高等学校科学研究项目青年基金资助(2005062)作者简介:王卫京(1971-),男,讲师,博士,主要研究方向:化学反应工程.随着世界能源的日益短缺、废水污染日益严重以及废水中污染物种类的日益复杂,用厌氧反应器处理污水的技术越来越受到重视,对厌氧反应器也展开了越来越多的研究.张杰等[1]研究了用IC反应器处理猪粪废水的特性,邵丕红[2]开发了新型厌氧反应器来处理城市废水,DavidBolzonella等[3]研究了常温下利用厌氧发酵处理城市废水的过程.厌氧反应器内流动对厌氧反应器的性能有重要影响,但厌氧反应器的流场十分复杂,对其研究非常困难.目前,对厌氧反应器流体力学研究已初步展开.刘永红等[4]从流体力学角度研究了UASB反应器内颗粒污泥的沉降性能与终端沉降速度,并建立了相应模型.左剑恶等[5]建立了膨胀颗粒污泥床反应器的动力学模型.AshishSinghal等[6]建立了UASB反应器的轴向扩散模型,而MinW.Lee等[7]则利用神经网络模型对厌氧滤器(AF)进行描述.这些研究从不同侧面对厌氧反应器流体力学规律进行了探索,但厌氧反应器内的流体流动还远没有得到充分的研究.UASB反应器是一种广泛应用的、重要的厌氧反应器,本文利用计算机对UASB厌氧反应器流场进行数值模拟,研究该反应器内流动规律.1流体力学模型本文对UASB厌氧反应器内气液两相流动进行二维模拟,由于该反应器流场具有旋转对称性,这样可选择UASB厌氧反应器轴截面的一半作为计算域.使用Ishii[8]的两流体模型和k-ε双方程湍流模型来描述UASB厌氧反应器内气液两相湍流流动.在某一点经时间平均后的k相的速度微分方程变为ρkt(αkuki)+xj(αkukiukj)=-αkPxi+ρkαkgi+Fki-ρk23(αkk)xi+xjαkμkeukixj+ukjxi+xjμktσtμkiαkxj+μkiαkxi(1)相间作用力只考虑摩擦阻力一项,Fki可以用以下公式计算:F=12ρ1CDA|u1-ug|(u1-ug)(2)其中A气泡在相对运动方向上的投影面积,CD为曳力系数.本文选择了Ishiieta.l[9]使用的CD表达式,该系数考虑了气泡之间的相互作用和气泡的变形.CD=43rbgΔρσ(1-αg)-0.5(3)这样最终可得相间作用力公式为:第3期王卫京等:UASB厌氧反应器内流场数值模拟9-Fli=Fgi=12ρ1gΔρσ(1-αg)-0.5αg|u1-ug|(uli-ugi)(4)方程离散和计算的详细过程及有关细节见文献[10].2结果与讨论本文模拟了赵军[11]所分析的一个用常温UASB反应器实例,其直径为17.5m,高10.5m,有效容积2569m3,进水量为36m3/h,采用1∶1回流.夏季沼气产量1200m3/d.在文中作者没有给出反应器内三相分离器的结构和尺寸,在本次模拟过程中暂未考虑三相分离器的影响.反应器内气液两相流动模拟情况如图1、图2所示,从图中可以看出,液体在气体的带动作用下,在厌氧反应器内形成了三个漩涡,表明液体在向上流动的同时,也在不断进行循环,使厌氧反应器内存在一定程度的返混.而气体则是由下而上进行上升运动,直至最后逸出反应器.图3、图4表明了反应器内气体分布情况.图3是气体分布曲面图,而图4则是气体分布等值线图.从图中可以看出,在反应器内气体气含率较低,不超过0.5%.在气液两相流动的共同作用下,气体充满反应器的上部,而且在空间上分布变化较大,这是因为液体在反应器内不断进行循环流动而导致气体易在一些部位集中分布,形成在空间上分布的不均匀,且气体分别集中在靠近反应器壁面和反应器中间的位置.这样在设计三相分离器时,应充分利用气体分布的特点,使气体分别由反应器壁面和反应器中间的位置逸出,从而达到提高相分离效率的目的.10大连大学学报第28卷3结论本文对UASB进行了数值模拟.模拟结果显示,液体在厌氧反应器内存在着循环流动,这会导致一定程度的返混.同时,在气液两相流动的作用下,气体在厌氧反应器内的气含率空间分布