内循环厌氧反应器Fluent数值模拟与优化

蔡会勇，刘永红，李婷，于兴峰

（西安工程大学环境与化学工程学院，陕西 西安 710048）

内循环厌氧反应器（ internal circulation anaerobic reactor，简称IC）是荷兰Paques 公司于1986年发明的第三代高效厌氧反应器，该反应器在不同行业高浓度有机废水领域得到了广泛应用，表现出极大的应用潜力[1]。目前国内与国外在IC 反应器设计与应用方面存在着很大的差距，这主要是由于：①至今关于IC 反应器的设计尚未有较为成熟、系统、完整的方法，有关设计方法的报道大多是经验或半经验关联式；②国外工业厌氧反应器应用技术对我国存在着极为严格的技术壁垒；③国内研究学者未能运用化学工程、环境学科和计算机技术等多学科交叉的优势对IC 反应器进行研究，尤其缺乏对其水力学特征的基础研究[2-4]。

内循环量是IC 反应器设计计算的核心问题之一。国内学者在Pereboom 获得的气提式内环流反应器提升管内升流速度公式的基础上对其进行了修正[5-6]，提出了利用迭代法计算升流速度，但过程十分繁琐，耗时费力且计算中易出现错误。

利用Fluent 技术进行数值模拟是解决IC 内循环量计算的重要手段之一。因此本文将采用现代Fluent技术对IC 反应器内部气液两相流场的二维分布状况展开研究，重点考察提升管直径和反应器容积负荷变化对反应器内循环量的影响，以期为该类反应器的优化、设计等研究提供帮助。

1 数值模拟

1.1 模拟对象

模拟对象是有效容积25L 圆柱形轴对称几何结构IC 反应器，模拟主体高0.691m，直径0.185m，距反应器顶端0.155m 处设有三相分离器，初始液位为0.626m。该模拟对象结构如图1 所示。

图1 模拟对象结构示意图

IC 反应器废水中所含的大部分有机物在第一反应室被分解，产生的沼气作为提升的内动力，使提升管与回流管中混合液产生一个密度差，实现反应器的内循环。内循环的结果使得第一厌氧反应室 具有很高的升流速度，该室内的颗粒污泥完全达到流化状态，传质效率大大提高。而作为精处理区的第二反应室污泥浓度较低，由于大部分有机物已在第一反应室被分解，因此沼气产生量较少，气提作用较弱[7]，故本文讨论过程中将忽略第二反应室对反应器内循环量的影响。

1.2 数值模拟过程

根据IC 反应器稳态运行条件下的特点，假设气液流动过程为不可压缩，相间没有质量传递，且不考虑温度和传热的影响。此外，参考国内外相关研究[8-9]，模拟过程中将气液固三相系统简化为气液两相系统，利用空气模拟沼气，清水模拟废水。

1.2.1 欧拉模型的应用

欧拉模型是Fluent 中最复杂的多相流模型，它建立了一套含有N 个动量方程及质量方程的方程 组对每一相进行求解。控制方程见式（1）～ 式（5）[10-11]。

动量守恒方程

式中，F 为相间作用力。Sanyal 等[12]研究了气液相间作用力，结果表明仅考虑曳力的影响，模拟结果和实验结果相一致，因此本文只考虑相间曳力FD的影响。

式中，Kpk为相间动量交换系数；曳力系数f 采用Schiller and Naumann 对称模型表示。

质量方程

1.2.2 模拟参数确定

利用Fluent6.3 前处理软件Gambit 中非结构化网格对反应器的物理模型进行了网格分割，并对网格独立性进行了考察。当网格数为28230 时发现，增加网格的数量，反应器内局部气含率和循环液速已不再随网格的细化而发生变化，认为此时网格数的大小已满足计算精度要求。

选择基于压力的二维隐式求解器进行非稳态计算。当时间步长设为0.0003s 时发现，残差达到收敛且所监测的提升管内平均液相速率不再随时间变化，认为此时流态已达到稳定，计算过程结束。压力-速度耦合采用SIMPLE 算法进行计算；动量、气含率方程、湍流动能和湍流耗散率采用一阶迎风差分格式离散方法进行计算；壁面附近采用标准壁面函数方法进行计算。

边界条件：气相进口为Velocity-inlet，反应器上部设为Pressure-outlet，反应器器壁、三相分离器及提升管壁均设为wall，采用非滑移壁面条件。

初始条件：液相初始速度设为0，气相体积分数为1，其他保持默认值。气液界面以下patch 为水，以上为空气。

2 结果与讨论

2.1 提升管直径变化对内循环量的影响

针对内循环装置中提升管直径大小的相关研究表明[13]，适宜的提升管直径值可以调整提升管内气、液混合比例，使混合液密度维持在合理范围内，从而保证内循环得以连续进行。

当反应器进水量为 0.08m3/d、COD 浓度4000mg/L、去除率90%、运行温度35℃、反应器容积负荷为11.52kgCOD/(m3·d)时，运用Fluent 对6个不同提升管直径（0.006m、0.009m、0.012m、0.015m、0.018m、0.021m）进行模拟计算，提升管直径为0.015m，反应器内部流场达到稳定时集气罩以下部分气液混合物速度矢量分布如图2 所示。

由图2 可知，由于提升管的气提作用，气体由此带动液体向上流动，并在反应器内形成漩涡，沿中心轴路径气含率较大。气液混合物在上升时进行 不断循环，反应器内出现一定程度的返混，这与王卫京等[14]的研究结果相一致。

图2 集气罩以下部分气液混合物的速度分布矢量情况

图3 不同提升管直径与反应器内径比值下提升管内平均气含率

不同提升管直径与反应器内径比值下模拟得到的提升管内平均气含率结果如图3 所示。由图3 可知，当提升管直径与反应器内径比值从0.032 增至0.114 时，提升管内平均气含率从0.046 下降至0.024。随着提升管直径的增大，反应器内环流的阻力减小，上升的液体夹带一部分气体进行循环，从而导致提升管气含率逐渐减小。

在不同提升管直径下模拟得到的反应器内循环量、提升管内升流速度结果如图4 所示。由图4 可知，随着提升管直径从0.006m 增至0.015m，提升管内升流速度从0.0204m/s 减小至0.0124m/s，内循环量从0.0021m3/h 增至0.0079m3/h，增幅明显。当提升管直径继续增大至0.021m 时，内循环量减少至0.0063m3/h，液相流通面积的增大使内循环量出现先增大后减小趋势。

由图3、图4 可知，当提升管直径设计为0.015m时，内循环量达到最大值0.0079m3/h。提升管直径的持续增大使得提升管内混合液密度逐渐增大，管内外压力差逐渐减小，提升管内升流速度逐渐减小，从而导致内循环量并没有随提升管直径的增大而一直增大，在直径值为0.015m 时内循环量达到最大。

图4 不同提升管直径下提升管内升流速度和内循环量情况

2.2 反应器容积负荷对内循环量的影响

2.2.1 容积负荷与内循环量间的关系

反应器容积负荷是反映生物反应器处理能力的重要指标，对反应器的设计运行具有重要的意义。本文运用Fluent 中欧拉模型考察容积负荷对反应器内循环量的影响。

当反应器进水量为6 个不同值（0.06m3/d、0.07m3/d、0.08m3/d、0.09m3/d、0.10m3/d、0.11m3/d）、COD 浓度4000mg/L、去除率90%、运行温度为35℃、提升管直径0.015m 时，换算为6 个不同容积负荷[8.64kgCOD/(m3·d)、10.08kgCOD/(m3·d)、11.52kgCOD/(m3·d) 、 12.96kgCOD/(m3·d) 、 14.40 kgCOD/(m3·d)、15.84kgCOD/(m3·d)]，通过模拟得到反应器内循环量和提升管内升流速度的变化，结果如图5 所示。

由图5 可知，IC 反应器内循环量增长率出现先增大后减小趋势。当容积负荷从8.64kgCOD/(m3·d)增至12.96kgCOD/(m3·d)时，提升管内升流速度和内循环量增长率均呈增大趋势；当容积负荷从12.96kgCOD/(m3·d)增至15.84kgCOD/(m3·d)时，内循环量的增长率逐渐变小。当容积负荷为12.96kgCOD/(m3·d)时，内循环量的增量达到最大 值8.9%。

图5 中循环量增量出现先增大后减小的现象与龚刚明等[15]实验研究结果相一致。这是由于在同一IC 反应器中，产气量与容积负荷成正比，随着容积负荷的增加，初期产气量与循环量也相应增大。但后期产气量继续增大将使得反应器内的湍流和涡流加剧，循环阻力增大；当提升管内气液混合物的密 度下降到某一临界值时，提升管内上升液体发生断裂，从而导致内循环量增量的降低。

图5 不同容积负荷下提升管内升流速度与内循环量增长率之间的关系

2.2.2 内循环量经验关联式的建立

不同的容积负荷下模拟得到的内循环量结果如表1 所示。

通过对表1 数据进行拟合，获得产气量与内循环量间经验关联式如式（6）。

对表1 中产气量按式（6）进行回归得到回归内循环量，结果如表2 所示。

由文献[5]可知，IC 反应器内循环装置中提升管的提升量等于内循环量，查阅文献[16]得知，每立方米沼气上升时携带1～2m3的液体至反应器顶部，即气提比为1～2。由表2 回归结果可知，此时气提比为1.8～2.3，这表明该经验关联式可较好地反映产气量（X）与内循环量（Y）之间的关系。

3 结 语

本文采用欧拉模型成功地对IC 反应器内的气液两相流动进行了二维数值模拟，所得研究结果可为IC 反应器提升管的直径优化设计以及不同容积负荷下内循环量的计算提供帮助。在以后研究中，为了更加真实获得流场内各参数的精确解，可采用三维混合结构网格对模型进行划分，同时运用并行计算的手段进行深入研究。

表1 产气量与内循环量的关系

表2 内循环量回归结果

符 号 说 明

CD—— 曳力系数

d —— 直径，m

F—— 相间作用力

f—— 曳力系数

Kpk—— 相间动量交换系数

Re —— 相对雷诺数

v —— 流体速度，m/s

μ—— 剪切黏度，kg/(m·s)

ρ—— 密度，kg/m3

τ=—— 压力应变张量

τ—— 粒子松弛时间

φ—— 体积分数 下角标

g —— 气相

k —— 第k 相

L —— 液相

p —— 第p 相

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