气液两相流生物反应器流动与降酚特性动态行为研究

论文摘要

目前,利用生物工程和反应器技术处理苯酚废水,以局部、瞬态、微观的观点,从实验、理论和模型的角度出发,对生物反应器内苯酚降解动态行为的研究已成为广大学者研究的一个热点。但是有关反应器内多相流体系局部、瞬态流动-生化反应相互耦合的CFD模型及其动态行为研究的报道甚少。本文首先以气-液-纳米粒子三相鼓泡塔生物反应器（纳米粒子为模拟生物相）和气-液两相气升式环流生物反应器为研究对象,利用激光多普勒测速仪、新型高分辨率电导探头等先进测试技术,对鼓泡塔和环流反应器内局部时均、瞬态气相含率和液相速度进行了实验研究,然后将欧拉连续介质模型应用于鼓泡塔反应器气-液-纳米粒子三相流体系和气升式环流反应器气-液两相流体系,构建了基于Eulerian-Eulerian双流体体系的连续-分散相三维瞬态模型,模型模拟结果与实验值均吻合一致,并在此基础上对上述两种反应器内气、液相流场进行了瞬态预测。其次,针对鼓泡塔生物反应器内热带假丝酵母降解苯酚的动态行为,本文以发酵液物性参数为桥梁,将苯酚生物降解行为的本征动力学与反应器内多相流动特性相耦合,构建了鼓泡塔生物反应器内流动-反应耦合的三维瞬态CFD模型。为定量验证该模型,分别对鼓泡塔生物反应器内空气-苯酚无机盐水溶液两相流体系流体力学特性和热带假丝酵母降解苯酚动态行为进行了实验研究。结果表明,初始苯酚浓度增加,底物对菌体生长的抑制作用明显增强;而菌体接种浓度增加,菌体克服底物抑制作用的能力则随之增强,苯酚降解速率相应增大。同时,流动与生化反应的模型计算值均与相应的实验结果吻合一致。在此基础上,本文分别对实验室规模和工业规模的鼓泡塔生物反应器内苯酚生物降解动态过程中不同时刻的全塔气含率分布、气相速度场、液相速度场、苯酚和菌体细胞浓度场的瞬态变化情况进行了定量预测。作为鼓泡塔反应器的改进形式,气升式环流反应器具有流型规整、相间混合均匀等优点。为此,本文在鼓泡塔生物反应器降酚行为研究基础上,对气升式环流生物反应器内热带假丝酵母降解苯酚动态行为进行了实验研究。结果表明,气升式环流反应器更有利于菌体生长和苯酚的生物降解。在实验基础上,本文构建了气升式环流生物反应器内流动-生化反应耦合的三维瞬态CFD模型,模型模拟值与实验结果吻合一致。通过对气升式环流生物反应器内瞬态流动和生化反应的定量预测表明,气泡羽流的随机摆动是引起反应器内流动瞬态变化的主要因素,流动与生化反应是双向耦合、交互影响的,且生化反应是整个过程的限速步骤。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 鼓泡塔、环流反应器研究进展
• 1.1.1 流型及流型转变
• 1.1.2 局部气含率的研究
• 1.1.3 鼓泡塔和环流反应器在生物反应过程的应用
• 1.2 鼓泡塔及环流反应器两相流数值模拟研究进展
• 1.2.1 计算流体力学及其模型基础
• 1.2.1.1 湍流粘度系数的封闭方法
• 1.2.1.2 一阶封闭模型
• 1.2.1.3 二阶封闭模型
• 1.2.1.4 湍流的大涡模拟
• 1.2.2 计算流体力学在鼓泡塔和环流反应器内的应用
• 1.3 含酚废水处理技术研究进展
• 1.3.1 含酚废水的危害及来源
• 1.3.2 含酚工业废水处理技术
• 1.3.3 鼓泡塔和气升式环流生物反应器内苯酚降解研究
• 1.4 本文的研究思路
• 第二章 鼓泡塔反应器流体力学特性实验与模型研究
• 2.1 流体力学实验研究
• 2.1.1 实验装置与流程
• 2.1.2 二氧化钛纳米粒子
• 2.1.3 气含率的测定
• 2.1.3.1 探头结构
• 2.1.3.2 工作原理
• 2.1.3.3 相识别技术
• 2.1.3.4 数据处理
• 2.1.4 液相速度的测定
• 2.1.4.1 LDA 系统的构成
• 2.1.4.2 LDA 系统的测量原理
• 2.1.4.3 多相流体系内气泡对液相速度测定的影响
• 2.1.4.4 鼓泡塔生物反应器内液相流场测定
• 2.2 三维瞬态 E-E 两相流模型
• 2.2.1 模型假设
• 2.2.2 模型控制方程
• 2.2.3 界面作用力
• 2.2.4 湍流封闭模型
• 2.2.5 物理模型
• 2.2.6 边界条件
• 2.2.6.1 入口条件
• 2.2.6.2 出口条件
• 2.2.6.3 壁面条件
• 2.2.7 数值方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 操作参数考察
• 2.3.1.1 表观气速的影响
• 2.3.1.2 纳米粒子加入量的影响
• 2.3.1.3 反应器轴向高度的影响
• 2.3.2 模型模拟与实验验证
• 2.3.2.1 稳态验证
• 2.3.2.2 动态验证
• 2.3.3 模型预测
• 2.4 本章小结
• 第三章 气升式内环流生物反应器流体力学特性实验与模型研究
• 3.1 流体力学实验
• 3.1.1 实验装置与流程
• 3.1.2 气含率的测定
• 3.1.2.1 探头结构与工作原理
• 3.1.2.2 相识别技术与数据处理
• 3.1.3 液相速度的测定
• 3.1.3.1 气-液两相流体系内气泡对液相速度测定的影响
• 3.1.3.2 气升式内环流生物反应器内液相流场测定
• 3.2 三维瞬态 E-E 两相流模型
• 3.2.1 模型假设
• 3.2.2 模型控制方程
• 3.2.3 界面作用力
• 3.2.4 SST 湍流封闭模型
• 3.2.5 物理模型
• 3.2.6 边界条件
• 3.2.6.1 入口条件
• 3.2.6.2 出口条件
• 3.2.6.3 壁面条件
• 3.2.7 数值方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 操作参数考察
• 3.3.1.1 表观气速的影响
• 3.3.1.2 反应器轴向高度的影响
• 3.3.2 模型模拟与实验验证
• 3.3.2.1 稳态验证
• 3.3.2.2 动态验证
• 3.3.3 模型预测
• 3.4 本章小结
• 第四章 鼓泡塔生物反应器降酚行为实验与模型研究
• 4.1 苯酚无机盐培养基流体力学实验研究
• 4.1.1 实验装置
• 4.1.2 气含率和液相速度的测定
• 4.2 苯酚生物降解特性实验研究
• 4.2.1 装置与流程
• 4.2.2 分析方法
• 4.2.2.1 细胞浓度的测定
• 4.2.2.2 底物浓度的测定
• 4.3 苯酚降解过程中液相物性参数研究
• 4.3.1 苯酚浓度对液相物性参数的影响
• 4.3.2 热带假丝酵母降解苯酚过程中液相物性参数测定
• 4.3.2.1 发酵液粘度的测定
• 4.3.2.2 发酵液密度的测定
• 4.3.2.3 发酵液表面张力的测定
• 4.4 流动-反应耦合两相流 CFD 模型
• 4.4.1 模型假设
• 4.4.2 模型控制方程
• 4.4.3 界面作用力
• 4.4.4 湍流封闭模型
• 4.4.5 组分输运方程
• 4.4.6 本征动力学
• 4.4.7 边界条件
• 4.4.7.1 入口条件
• 4.4.7.2 出口条件
• 4.4.7.3 壁面条件
• 4.4.8 数值方法
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 苯酚无机盐培养基流体力学实验与模型模拟比较
• 4.5.1.1 表观气速的影响
• 4.5.1.2 反应器轴向高度的影响
• 4.5.1.3 轴向速度时间序列考察
• 4.5.1.4 湍流时均轴向速度脉动分布
• 4.5.2 苯酚降解过程中液相物性参数变化规律
• 4.5.2.1 苯酚浓度对液相物性参数的影响
• 4.5.2.2 热带假丝酵母降解苯酚过程中液相物性参数变化规律
• 4.5.3 苯酚生物降解实验结果
• 4.5.3.1 表观气速的影响
• 4.5.3.2 初始苯酚浓度的影响
• 4.5.3.3 菌体接种浓度的影响
• 4.5.4 模型预测
• 4.5.4.1 实验室规模的泡塔生物反应器模型预测
• 4.5.4.2 工业规模的泡塔生物反应器模型预测
• 4.6 本章小结
• 第五章 气升式环流生物反应器降酚行为实验与模型研究
• 5.1 苯酚生物降解特性实验研究
• 5.1.1 装置与流程
• 5.1.2 分析方法
• 5.1.2.1 细胞浓度的测定
• 5.1.2.2 底物浓度的测定
• 5.2 流动-反应耦合模型
• 5.2.1 模型假设
• 5.2.2 模型控制方程
• 5.2.3 界面作用力
• 5.2.4 湍流封闭模型
• 5.2.5 组分输运方程
• 5.2.6 本征动力学
• 5.2.7 物性参数方程
• 5.2.8 边界条件
• 5.2.9 物理模型
• 5.2.10 数值方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 苯酚生物降解实验
• 5.3.1.1 初始苯酚浓度的影响
• 5.3.1.2 菌体接种浓度的影响
• 5.3.2 模型验证
• 5.3.3 模型预测
• 5.4 本章小结
• 第六章结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 建议与展望
• 符号说明
• 参考文献
• 攻读博士期间发表（含在审）的论文
• 致谢