基于Fluent的UASB反應器流態模擬研究

于興峰， 劉永紅， 蔡會勇， 郭莉萍

(西安工程大學 環境與化學工程學院， 陜西 西安 710048)

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基于Fluent的UASB反應器流態模擬研究

于興峰， 劉永紅， 蔡會勇， 郭莉萍

(西安工程大學 環境與化學工程學院， 陜西 西安 710048)

文章利用Fluent軟件對15.4 L的升式厭流氧污泥床反應器內氣液流動狀況進行了研究。考察了在不同進水流量下該反應器內流場的變化情況和三相分離器角度變化對反應器水力混合狀況的影響。通過對模擬結果的對比分析發現： 1)在三相分離器角度為50o的情況下，當進水流量(0.0171，0.0213，0.0257，0.03 m3·d-1)為0.0213 ～ 0.0257 m3·d-1時，該反應器內水力混合狀況最佳； 2)在進水流量為0.0213 m3·d-1情況下，當三相分離器角度(45°，50°，55°，60°)為50o時，該反應器內水力混合狀況最佳。

UASB反應器； 氣液兩相流； 數值模擬； 三相分離器

升流式厭氧污泥床反應器(upflow anaerobic sludge blanket reactor，簡稱UASB)是由Lettinga教授于1970年開發的第二代厭氧生物反應器，目前在廢水處理領域中取得了廣泛的應用[1]。然而由于該反應器內部氣固液三相流動的復雜性，工業UASB反應器的結構設計基本依靠一些經驗公式進行，其操作條件的控制也存在相當的盲目性[2-3]。近年來，計算流體力學開始應用于厭氧反應器內流場的研究，通過數值模擬為厭氧反應器的優化設計提供一定幫助。例如，全麗君[4]利用Fluent考察了三相分離器角度變化對厭氧顆粒污泥和廢水分離效果的影響；蔡會勇[5]考察了提升管直徑和反應器容積負荷變化對內循環厭氧反應器內循環量的影響。

傳統經典三傳過程理論認為，反應器內部水力混合效果良好將有利于固液之間的傳質，同時也是反應器高效運行的必要條件[6]。

因此，本文將使用Fluent軟件對UASB反應器內氣液兩相流動狀況進行數值模擬研究，主要考察進水流量的變化和三相分離器角度的變化對該反應器內流動狀況的影響，以期為UASB反應器操作條件的選擇和結構優化提供借鑒。

1 模型建立

1.1 Fluent模擬對象與初始條件的確定

模擬對象為15.4 L的UASB反應器(高834 mm，直徑180 mm)，初始液位608 mm[7]。該反應器結構如圖1所示。參考相關研究[5]，假定反應器進水COD濃度為4000 mg·L-1，去除率為90%，運行溫度為35 ℃。

1.廢水； 2.污泥床區； 3.懸浮層區； 4.三相分離器； 5.沼氣圖1 UASB反應器結構示意圖

1.2 多相流模型

參考相關研究[8-9]，模擬過程中將氣固液三相流簡化為氣液兩相流，運用歐拉數學模型描述氣液兩相流，同時以空氣模擬沼氣，清水模擬廢水。此外假設水為連續相，空氣為離散相，水和空氣是相互滲透的擬流體，不考慮溫度和傳熱的影響。

此時多相流控制方程如下[10]：

動量守恒方程：

▽·τs+μspsg+T

(1)

式中：μ為體積分數，為密度，kg·m-3；p為流體速度，m/s；ls為壓力應變張量，p為p第相，s為s第相，T為相間作用力，N。

質量方程：

(2)

(3)

相間動量轉換方程：

(4)

式中：ksp為s相和p相之間動量交換系數，f為曳力系數，τ為粒子松弛時間，s。參考相關研究[11]，該文只考慮相間拽力，其它作用力較小，忽略不計。拽力系數采用SchillerandNaumann對稱模型[12]。

1.3 模擬參數的設置與確定

邊界條件：氣相入口采用速度入口Velocity-inlet，氣相出口采用Pressure-outlet。反應器固壁均設為wall，采用無滑移壁面條件。

初始條件：水為主相，空氣為次要相。patch液體高度為608mm，液面以上氣相體積分數為1。

用gambit6.3進行幾何模型建立和網格的劃分。當劃分網格數為21414時，隨著網格數量的增加該反應器上端出口氣相速度達到穩定，此時認為網格數滿足精度要求[12]。

文章采用非耦合求解。時間步長設置為0.001s，計算至殘差收斂且該反應器上端出口氣相速度達到穩定，計算結束。離散方法均采用二階迎風格式，壓力速度耦合方法采用SIMPLE。近壁處理方法采用標準壁面函數法[12]。

2 計算結果及分析

2.1 不同進水流量對反應器內流場的影響

在4個不同進水流量(0.0171,0.0213,0.0257,0.03m3·d-1)下，運用Fluent對15.4L的UASB反應器(三相分離器角度為50o)的流動狀況進行數值模擬。達到穩定狀態時該反應器底部液相速度矢量分布如圖2～圖5所示。其中顏色的深淺表示不同的液相速度，顏色較深表示較高液相速度，顏色較淺表示較低液相速度，液相速度單位為m·s-1。

圖2 水流量為0.0171 m3·d-1反應器底部液相速度

圖3 水流量為0.0213 m3·d-1反應器底部液相速度

圖4 水流量為0.0257 m3·d-1反應器底部液相速度

圖5 水流量為0. 03 m3·d-1反應器底部液相速度

由圖2可知，當進水流量為0.0171 m3·d-1時，該反應器底部沒有出現明顯的旋渦。這是由于液體表面上升流速較小，液體對該反應器底部擾動作用較小，此時反應器的膨脹率較低，不利于顆粒污泥和廢水之間的混合。當進水流量分別增加到0.0213，0.0257，0.03 m3·d-1時，該反應器底部水力攪拌作用加強，形成明顯的旋渦。液體表面上升流速較高，使反應器的膨脹率控制在一定范圍內，極大強化了反應器內的傳質過程[13]。

此時在不同進水流量下，達到穩定狀態時該反應器三相分離器附近液相速度矢量分布如圖6～圖9所示。

由圖可知，圖6和圖9三相分離器下部液相速度(0.0318 ～0.0787 m·s-1)較圖7和圖8大，并且形成了明顯的旋渦。說明圖6和圖9三相分離器下部水力攪拌作用較強烈，這樣非常不利于顆粒污泥沉淀到污泥床區。

圖6 水流量為0.0171 m3·d-1三相分離器附近液相速度

圖7 水流量為0.0213 m3·d-1三相分離器附近液相速度

圖8 水流量為0.0257 m3·d-1三相分離器附近液相速度

圖9 水流量為0.03 m3·d-1，三相分離器附近液相速度

綜上所述，在三相分離器的角度取50°時，進水流量為0.0213 ～ 0.0257 m3·d-1(此時對應容積負荷為5 ～ 6 kgCOD·m-3d-1)時，該反應器內水力混合效果較好且三相分離器的分離效果較好。

2.2 三相分離器角度變化對反應器內流場的影響

三相分離器是UASB反應器的重要組成部分，其結構設計的好壞決定著反應器處理效果[14]。在該反應器進水流量為0.0213 m3·d-1，筆者將通過改變三相分離器的角度(45°，50°，55°，60°)[15]考察對該UASB反應器內的流場特性的影響。

不同三相分離器角度下該反應器內湍流強度分布如圖10～圖13所示。其中顏色的深淺表示不同的湍流強度，顏色較深表示較高的湍流強度，顏色較淺表示較低的湍流強度。

由圖中可以看出，中軸線附近湍流強度較大，中軸線到器壁湍流強度有所減小。圖11反應器污泥床區的湍流強度比圖10和圖12強，反應器內顆粒污泥膨脹效果較好，反應器的有效空間得到充分利用，這樣提高了廢水的處理效率。圖12三相分離器折射板下部湍流強度較大，不利于顆粒污泥沉淀到污泥床層區。圖13由于三相分離器角度過大，中軸線有一段湍流強度大小不連續，水力混合狀況較差，不利于顆粒污泥和廢水的傳質。

綜上所述，在進水流量為0.0213 m3·d-1(此時對應容積負荷為5 kgCOD·m-3d-1)時，三相分離器角度為50°時，該反應器內水力混合效果較好且三相分離器分離效果較好。

圖10 三相分離器45°反應器內湍流強度分布

圖11 三相分離器50°反應器內湍流強度分布

圖12 三相分離器55°反應器內湍流強度分布

圖13 三相分離器60°，反應器內湍流強度分布

3 小結

文章運用Fluent軟件對UASB反應器內部流場展開數值模擬研究，考察了在不同進水流量下該反應器內流場的變化情況和三相分離器角度變化對該反應器水力混合狀況的影響。該軟件在厭氧反應器操作條件的選擇和結構優化設計中有著廣泛的應用前景。

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Simulation Analysis of Upflow Anaerobic Sludge Blanket by Fluent Method /

YU Xing-Feng, LIU Yong-hong, CAI Hui-yong, GUO Li-ping /

(College of Environmental & Chemical Enginering，Xi'an Polytechnic University，Xian 710048，China)

The process of gas-liquid two-phase flow in upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor (15.4 L) was simulated by Fluent software. The influence of different influent flow rate on flow field, and different three-phase separator folding angle on hydraulic mixing characteristics in the reactor, were investigated. The comparison and analysis of the simulation results showed that: 1. When the three-phase separator folding angle was 50°, the influent flow rate of 0.0213～0.0257 m3·d-1obtained the best hydraulic mixing in reactor; 2. When the influent flow rate was 0.0213 m3·d-1, and three-phase separator folding angle of 50°, the system had the best hydraulic mixing characteristics.

UASB reactor; gas-liquid flow; numerical simulation; three-phase separator

2015-06-13

項目來源： 國家自然科學基金項目(21176197)； 國家科技重大專項項目(2009ZX07212-002-002)； 陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2011KTZB03-03-01)； 陜西省科學技術研究發展計劃項目(2008k07-14)

于興峰(1990-)，男，安徽省阜陽市人，碩士，主要從事厭氧反應器優化設計研究工作，E-mail:yuxingfeng257@139.com

劉永紅，E-mail: liuyhxa@hotmail.com

X703.3

B

1000-1166(2016)04-0041-04