高浓度物料沼气发酵过程传质特性研究及搅拌形式优化

【摘要】：作为高浓度物料沼气发酵过程的重要操作单元,混合搅拌能够在可降解物和微生物之间的形成良好的接触,并促使厌氧消化过程稳定进行。然而,到目前为止,混合搅拌尤其是机械搅拌对不同几何构型反应器的厌氧消化过程的影响、搅拌所形成的流动型态研究以及流态和传质之间的关系、不同搅拌形式之间的比较研究等问题尚未全部清楚,这使得在实际沼气工程中,混合搅拌技术的应用缺乏足够的实验结论支撑。针对上述问题,在国家科技支撑计划(2008BADC4B15)的支持下,本文对高浓度物料沼气发酵过程的传质特性以及搅拌形式优化作了研究,主要结论如下: (1)搅拌对于改善厌氧消化过程、促进厌氧消化产沼气有积极作用:搅拌提高了所有构型反应器的池容产气率,且同时提高各个反应器的最大反应速率r_(max),但搅拌并不能使不同构型反应器的主要产沼气部位的分布发生改变。 (2)随着搅拌转速的逐步提高,顶部中心搅拌、斜搅拌、底部侧插搅拌三种搅拌形式的完全混合时间逐渐缩小,斜搅拌在转速70rpm时获得最短完全混合时间215s;顶部中心搅拌、斜搅拌、底部侧插搅拌的Morrill分散指数值为23.38、10.90和30.95,可以认为,顶部中心搅拌条件下完全混合式反应器拥有更高的体积效率。 (3)斜搅拌在较低转速(40rpm)便能获得物料的离底悬浮,顶部中心搅拌的临界搅拌转速要高于斜搅拌,底部侧插搅拌在50rpm~130rpm时基本不能使物料完全离底悬浮。就混合效果而言,顶部中心搅拌和斜搅拌要优于底部侧插搅拌;与此同时,在顶层浮渣破除方面,斜搅拌和顶部中心搅拌显得更为有效。 (4)相对于TS=8.0±0.2%和2.0±0.2%两个浓度而言,4.0±0.2%时物料料液的混合性能较好;且猪粪和牛粪料液的混合效果总体上优于鸡粪。 (5)搅拌能耗的增加能够在一定程度上促进反应器内不同层面间的物料的混合;斜搅拌和底部侧插搅拌单位体积的物料能耗要优于顶部中心搅拌。 【关键词】：沼气发酵 高浓度 搅拌 优化 传质特性
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 导言9-10
• 1.2 国内外研究进展10-19
• 1.2.1 搅拌提升厌氧消化沼气产量10-12
• 1.2.2 搅拌对厌氧消化过程的作用机理12-14
• 1.2.3 混合搅拌过程的影响因素14-19
• 1.3 研究目的、意义与内容19-20
• 1.3.1 研究的目的与意义19
• 1.3.2 研究内容19-20
• 第二章 搅拌对不同径高比反应器厌氧消化过程的影响20-33
• 2.1 实验目的概述20
• 2.2 实验材料与实验方法20-22
• 2.2.1 实验材料20-22
• 2.2.2 实验方法22
• 2.3 结果与讨论22-32
• 2.3.1 不同径高比反应器的厌氧消化实验22-29
• 2.3.2 残存物料产气潜力29-30
• 2.3.3 溶解性COD 的降解动力学30-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 完全混合式反应器内物料流态研究33-44
• 3.1 实验目的概述33
• 3.2 实验材料与实验方法33-35
• 3.2.1 实验材料33-34
• 3.2.2 实验方法34-35
• 3.3 结果与讨论35-42
• 3.3.1 不同搅拌形式的完全混合时间35-37
• 3.3.2 不同搅拌形式的停留时间分布37-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第四章 高浓度物料搅拌混合效果研究44-66
• 4.1 实验目的概述44
• 4.2 实验材料与方法44-46
• 4.2.1 实验材料44-45
• 4.2.2 实验方法45-46
• 4.3 结果与讨论46-65
• 4.3.1 不同搅拌形式的物料混合效果46-60
• 4.3.2 不同浓度物料的混合特性60-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第五章 不同搅拌形式的能耗分析66-75
• 5.1 实验概述66
• 5.2 实验材料与方法66-67
• 5.2.1 实验材料66-67
• 5.2.2 实验方法67
• 5.3 结果与讨论67-73
• 5.3.1 搅拌功率的测量结果67-71
• 5.3.2 搅拌功率和物料浓度标准差71-73
• 5.3.3 单位体积物料的能耗73
• 5.4 本章小结73-75
• 第六章 结论及建议75-77
• 6.1 结论75-76
• 6.2 建议76-77
• 参考文献77-82
• 附图182-83
• 附图283-84
• 附图384-85
• 附图485-86
• 附图586-87
• 致谢87-88
• 作者简历88

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