内部反应器配置对高固体含量厌氧消化过程中流体动力学及甲烷产量的影响

《BioEnergy Research》：Influence of Internal Reactor Configurations on Hydrodynamics and Methane Yield in High-Solids Anaerobic Digestion

高粘度流体在带/无挡板搅拌罐中的流动特性及沼气产气研究，对比20、40、60 rpm转速下流体动力学参数，发现挡板显著增强径向流动（差异达8.2%），湍动能和耗散率随转速升高呈指数下降。最优工况为20 rpm，日均产沼气25.16 L，总能量平衡4.424 MJ，净能效率达42.3%。

　　

摘要

能源消耗的增加、能源危机、工业增长以及环境污染促使人们转向可再生能源。本研究探讨了高粘度流体在带挡板和不带挡板的搅拌罐中的动态行为，这些研究对于实验室应用和沼气生产具有重要意义。研究分析了一个装有四个垂直挡板的圆柱形搅拌罐，在20、40和60转/分钟的旋转速度下，重点关注了流场、湍流动能及其耗散率。实验结果与模拟结果之间的比较显示，功率消耗和雷诺数预测的误差在可接受的6%范围内。在不同旋转速度下，带挡板搅拌罐的叶片处的径向速度分别为0.237、0.130和0.041米/秒，而不带挡板搅拌罐的叶片处径向速度分别为0.226、0.128和0.041米/秒。此外，垂直流速的增加导致了更大的湍流强度。在这些速度下，带挡板和不带挡板搅拌罐的湍流动能分别为0.0215、0.0102、0.0024米2/秒2和0.0188、0.0091、0.0022米2/秒2。耗散率分别为0.049、0.011、0.0006米2/秒3和0.037、0.0091、0.0005米2/秒3。研究结果证实，挡板配置能够增强径向流动和混合效率。经过19天的运行后，最终累积沼气产量显示不同搅拌速度下的性能存在显著差异：在0、20、40和60转/分钟的搅拌速度下，收集到的沼气量分别为367升、488升、418升和325升。最佳搅拌速度为20转/分钟，此时能量平衡为4.424 MJ，实现了最高的净能量效率。这些结果表明，适度使用挡板可以优化甲烷产量和能源利用效率。