CC BY
10Статья поступила в редакцию 19.09.2011. Ред. рег. № 1110 The article has entered in publishing office 19.09.11. Ed. reg. No. 1110
УДК 532.5.013
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
И.А. Трахунова, Г.Р. Халитова, Ю.В. Караева
Исследовательский центр проблем энергетики Учреждения РАН КазНЦ РАН 420111 Казань, ул. Лобачевского, д. 2/31, а/я 190 Тел. (843) 273-92-31, e-mail: irseen2@yahoo.com
Заключение совета рецензентов: 29.09.11 Заключение совета экспертов: 03.10.11 Принято к публикации: 08.10.11
В работе приведены результаты численных исследований на основе математической модели, описывающей гидродинамические процессы в биореакторе с гидравлическим способом перемешивания. Сравнительный анализ циркуляции органического субстрата и соответствующего распределения объемной концентрации дисперсной среды в резервуарах с различным расположением входных и выходных труб показывает, что предлагаемое в работе расположение обеспечивает лучшее перемешивание и предохраняет свободную поверхность смеси от образования корки.
Ключевые слова: гидродинамика, биогаз, интенсификация гидравлического перемешивания, численные исследования.
EFFICIENCY OF ANAEROBIC FERMENTATION UNDER VARIOUS MIXING CONDITIONS
I.A. Trakhunova, G.R. Khalitova, Yu.V. Karaeva
Research Center of Power Engineering Problems of RAS Institution of the Kazan Scientific Centre of RAS P.B. 190, 2/31 Lobachevskogo str., Kazan, 420111, Russia Tel. (843) 273-92-31, e-mail: irseen2@yahoo.com
Referred: 29.09.11 Expertise: 03.10.11 Accepted: 08.10.11
Numerical investigation results based on the mathematical model of hydrodynamic processes in a biogas digester using hydraulic mixing are presented. The comparative analysis of sludge circulation and corresponding distribution of the bulk concentration of the dispersion medium in tanks with different location of inlet and outlet tubes shows that the location suggested in the work provides best mixing and prevent the mixture open boundary of the crust formation.
Keywords: hydrodynamics, biogas, hydraulic agitation intensification, numerical investigations.
Ирина Александровна Трахунова
Сведения об авторе: Исследовательский центр проблем энергетики Учреждения РАН КазНЦ РАН, аспирант лаборатории ЭТиПИЭ (энергосберегающих технологий и перспективных источников энергии).
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии.
Публикации: 11.
Галия Рахимовна Халитова
Сведения об авторе: Исследовательский центр проблем энергетики Учреждения РАН КазНЦ РАН, снс лаборатории ЭТиПИЭ (энергосберегающих технологий и перспективных источников энергии).
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии, численные методы математической физики.
Публикации: 46.
Юлия Викторовна Караева
Сведения об авторе: Исследовательский центр проблем энергетики Учреждения РАН КазНЦ РАН, научный сотрудник лаборатории ЭТиПИЭ (энергосберегающих технологий и перспективных источников энергии).
Область научных интересов: возобновляемые источники энергии.
Публикации: 32.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (102) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Введение
Для эффективной работы биогазовой установки (БГУ) и поддерживания стабильности процесса сбраживания сырья внутри реактора необходимо перемешивание.
Перемешивание содержимого метантенка необходимо проводить с целью обеспечения эффективного использования всего объема метантенка, исключения образования мертвых зон, предотвращения расслоения осадка, образования корки, выравнивания температурного поля. Кроме того, перемешивание должно способствовать выравниванию концентраций метаболитов, образующихся в процессе брожения и являющихся промежуточными субстратами для микроорганизмов или ингибиторами их жизнедеятельности, а также концентрации токсичных веществ, содержащихся в загружаемом осадке, поддержанию тесного контакта между бактериальными ферментами и их субстратами и т.д.
Вместе с тем, как показано в [1], существует некоторый предел интенсивности перемешивания, превышение которого может привести к недопустимому физическому отрыву отдельных групп бактерий друг от друга, а также от частиц субстрата, с которыми у бактерий имеется тесное сродство. При плохом перемешивании снижается эффективный объем метантен-ка и сокращается время пребывания в нем осадка, а следовательно, распад органического вещества и выход биогаза.
Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза).
Гидравлическое перемешивание осуществляется ротационными, радиальными и тангенциальными струйными аппаратами, жестко вмонтированными в стены хранилища [1]. Жидкий навоз перемешивают также двумя кольцевыми трубопроводами, устанавливаемыми на различной высоте над основанием цилиндрического навозохранилища. При этом кольцевые трубопроводы с соплами располагают так, чтобы струя жидкого навоза под давлением 2-4 кгс/см2 направлялась как в плавающий слой, так и в осадок [2].
Гидравлический способ перемешивания является предпочтительным для реакторов крупных размеров. Известные способы гидравлического перемешивания представляют собой системы с загрузкой и выгрузкой сырья в противоположных участках реактора [2, 3]. В данной работе рассмотрено три типа загрузки сырья в системе гидравлического перемешивания:
- модифицированный тип загрузки 1, перемешивание в реакторе осуществляется рециркуляцией субстрата через два подводящих патрубка, при этом на некотором расстоянии от верхней входной трубы располагается отражающая перегородка;
- тип загрузки 2, при котором подача субстрата осуществляется через подводящий патрубок, распо-
ложенный в верхней крышке корпуса реактора, а отгрузка шлама - через отводящий патрубок на дне реактора [4];
- тип загрузки 3, при котором подводящий и отводящий патрубки расположены на противоположных боковых сторонах корпуса реактора [2].
Постановка задачи
При всем разнообразии конструкций реакторов с гидравлическим перемешиванием следует отметить основную особенность: периодически в течение некоторого времени струя жидкого субстрата вливается в резервуар и одновременно происходит выгрузка сырья через отгрузочное отверстие. Поэтому в основу исследования процессов гидродинамики и массооб-мена положена упрощенная модель реактора, представляющая собой цилиндр с входными и выходными трубами. Рассматривается только промежуток времени, когда по входным трубам закачивается, а по выходным трубам откачивается жидкий субстрат.
Математическая модель, описывающая процессы переноса массы, импульса и энергии при циркуляции органического субстрата в резервуаре биореактора, определяется гидродинамическим режимом. Процессы анаэробного брожения органического сырья, происходящие в результате жизнедеятельности бактерий, предполагают низкие скорости движения жидкости в резервуаре [1]. Согласно [5] струя остается ламинарной при числе Яе < 30, рассчитанном для скорости истечения из отверстия. Принимая во внимание геометрические характеристики реактора, диапазон изменения вязкости для различных концентраций субстрата и влияние температуры [6], гидродинамический режим циркуляции субстрата в биоректоре можно считать ламинарным. Так как число Яе характеризует отношение сил инерции к силам вязкости [7], то при малых числах Яе, что характерно для гидродинамических режимов в биореакторах, частица увлекается средой за счет вязкости и разница между скоростями частицы и окружающей ее среды стремится к нулю. В связи с этим при построении математической модели приняты следующие допущения: рассматриваемая среда (органический субстрат) предполагается гомогенной жидкостью с плотностью и коэффициентом эффективной вязкости, зависящими от концентрации дисперсной фазы; процесс перемешивания нестационарный и изотермический.
Тогда математическая модель рассматриваемой задачи, полученная на основе уравнений механики сплошных сред [5], в декартовой системе координат имеет вид
/ ч( ди ди ди ди | р(а)| — + и — + V—+ w— = ^ \дГ дх ду д2 ]
др д ( / ч ди^ д ( / ч ди | д ( , ч ди^
= -дХ+дх Га)эх >эу Ра)эу Иа)э7 )+
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (102) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
+ Эц(а)ди + дц(а)Эу + Эц(а)Э^ ; (1) дх Эх ду Эх dz Эх
/ \( dv ду ду ду Л р(а)1 — + и— + v— + w— =
{ д1 дх ду дz J
= -ЭУ+1 Hl Н Hl Н Hf J+
+ дц(а)ди + дц(а)ду + дц(а)дw ; (2) дх ду ду ду дz ду
/ \( дw дw дw дw Л
р(а)1-+ и — + v-+ w- =
{ д1 дх ду дz J
Эр д ( , ^дw Л д ( , ^дw Л д ( , ^дw Л
= -э7 +эх Иа)"дх J+ЭУ Га)э7 J+äz Иа)э7 J+
дц(а)ди Эц(а)Эу дц(а)Эw , N
+—^^— + —1—+—^--p(a)g;
Эх Эz Эу Эz Эz Эz
Эр (а) Эр (а) Эр (а)
--+ и--+ v--+
дt дх ду
Эр (а) (Эи дv дwЛ
- arctg (b (z - К))
а 0 = а max -П- '
- + arctg (bho)
где b - некоторый параметр, от величины которого зависит ширина аппроксимации высоты слоя осадка h0, amax - максимально возможная объемная концентрация дисперсной фазы;
- начальные гидродинамические условия: V0 = 0. Граничные условия для скорости: на твердых границах резервуара задаются условия прилипания жидкости V = 0; на входных отверстиях задаются профили скорости, соответствующие сформировавшемуся профилю скорости ньютоновской жидкости в круглой трубе; полагая, что выход из резервуара представляет трубу такой длины, на выходе из которой можно считать движение жидкости установившимся, принимаем в качестве граничных условий на выходе - условие стабилизации скорости. На открытой границе (pg - p) n + 2^Dn = 0 , где pg - давление
газа, n - нормаль к поверхности субстрата, D - тензор скоростей деформаций.
да да да да Л
--+ и--+ v--+ w— = 0;
дt дх ду дz
, ч (ЭТ ЭТ ЭТ ЭТ Л р(а)с — + и — + v— + w— = р {^t дх ду дz J
= дх2 +ду2 +дz2
(4)
(5)
где и, V, V - компоненты вектора скорости; ц(а) -эффективная вязкость; р(а) - плотность органического субстрата; а - объемная концентрация дисперсной среды.
При этом плотность смеси р(а) определяется плотностью фаз:
р(а) = (1 — а)р1 + ар2
(6)
а эффективная вязкость связана с объемной концентрацией дисперсной среды - формулой Эйнштейна [7]
(7)
^=^1 | 1 + -а2
где р1 - плотность несущей фазы; р2 - плотность дисперсной фазы, ц1 - вязкость несущей фазы.
Для получения решения системы дифференциальных уравнений (1)-(5) необходимо задать краевые условия:
- начальное распределение объемной концентрации при / = 0 задается для условия осаждения осадка на дно резервуара и может быть записано в виде функции
Результаты численного решения
Решение поставленной задачи невозможно получить в явном виде, поэтому использовался пакет моделирования СОМЕОЬ, позволяющий решать системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных элементов. На основе возможностей СОМ8ОЬ была создана новая пользовательская модель, адаптированная к условиям рассматриваемой задачи.
Численные исследования проводились для резервуара с двумя входными трубами, выбор расположения которых обусловлен решением двух проблем: одна труба должна располагаться таким образом, чтобы струя вливающейся смеси способствовала размешиванию осадка на дне резервуара, а струя жидкости, вытекающая из другой, не давала образовываться корке на поверхности жидкости (рис. 1). Кроме того предполагалось, что на некотором расстоянии от входной трубы располагается отражающая перегородка с целью изменить направление вектора скорости таким образом, чтобы увеличить воздействие на свободную поверхность и уменьшить возможность образования корки.
На рис. 2 представлено распределение скорости на верхней поверхности жидкости. Вытянутость линий равных значений для модуля скорости в направлении оси ОУ определяется влиянием потоков жидкости, вливающихся и выливающихся из второго входного и выходного отверстий, расположенных в противоположенных концах резервуара также вдоль оси ОУ.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (102) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Рис. 1. Установка анаэробной переработки органических отходов: 1 - емкость для приема сырья; 2 - устройство для измельчения; 3 - устройство для перемешивания и смешивания исходной биомассы со шламом; 4 - теплообменник;
5 - система подачи сырья; 6, 7 - подводящие патрубки; 8 - реактор; 9 - отражательная перегородка; 10 - система удаления биогаза с вакуум-насосом; 11 - система удаления шлама; 12 - патрубок для выгрузки шлама с фланцем и вентилем
Fig. 1. Anaerobic digestion of organic wastes: 1 - capacity for the reception of raw materials; 2 - device for grinding; 3 - device for mixing and blending of the original biomass with sludge; 4 -heat exchanger; 5 - raw material feeding system; 6, 7 - inlets; 8 - digester; 9 - reflective wall; 10 - biogas disposal system with vacuum pump; 11 - sludge system; 12 - nozzle for discharging sludge
Рис. 2. Линии равных значений модуля скорости на верхней поверхности резервуара. h = 0,04 м; r0 = 0,1 м Fig. 2. Lines of equal value of the velocity on the upper surface of the tank. h = 0.04 m; r0 = 0.1 m
Распределение скорости в сечениях АВ и СБ для различных геометрических размеров отражающей перегородки и расстояния от входной трубы представлено на рис. 3. Как видно, большие значения скорости на свободной поверхности достигаются для к = 0,9 и г0 = 0,1 и к = 0,96, г0 = 0,1; где к - расстояние от входной трубы до отражающей перегородки, г0 - радиус отражающей перегородки.
0.025
0,015
0.005
М
0,03
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 х
a
0,025
0.02
0,015
0,01
0,005
1 4 ■ 3
0,05 0,1 0,15
0.2 0,25 b
0,3 0,35 0,4 0,45
Рис. 3. Распределение модуля скорости в сечениях АВ (а) и Сй (b) для различных геометрических размеров отражающей перегородки: 1 - h = 0,96, r0 = 0,1; 2 - h = 0,9, Г0 = 0,1; 3 - h = 0,96, Г0 = 0,2; 4 - h = 0,96, r0 = 0,05; 5 - без отражающей перегородки Fig. 3. The distribution of the velocity in the sections АВ (а) and Сй (b) for different geometrical dimensions of the reflecting wall: 1 - h = 0.96, Г0 = 0.1; 2 - h = 0.9, Г0 = 0.1; 3 - h = 0.96, Г0 = 0.2; 4 - h = 0.96, Г0 = 0.05; 5 - without reflecting wall
В качестве критерия перемешивания по объему использовалось отношение К = 0 , где V, -средняя по объему реактора степень интенсивности образования биогаза, зависящая от концентрации £ в
В £
каждой точке, V, = [1 - К,/(ТцТ -1 + К11 [8].
T
Здесь В0 - предельный выход биогаза из единицы органического субстрата; £ - концентрация органического субстрата; К - кинематический коэффициент, К1 = 0,8 + 0,0016е°'06Х° [9]; цТ - максимальная
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 10 (102) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
скорость роста микроорганизмов, цТ = 0,013/ - 0,129 [1]; Т - температура; ¥£0 равно значению при £ = £0, где £0 - средняя концентрация органического субстрата.
На рис. 4 показано, как меняется К в зависимости от расхода. При увеличении расхода степень перемешивания в резервуаре и, следовательно, однородность распределения концентрации лучше (кривые 6, 1, 7). Наличие отражающей перегородки наряду с положительным эффектом - препятствие образованию корки - оказывает влияние на качество перемешивания. При этом перемешивание ухудшается с уменьшением расстояния от верхнего входа (кривые 3, 2, 4, 1, 5) и увеличением радиуса отражающей перегородки (кривые 4, 1, 5).
Рис. 4. Изменение критерия перемешивания K по времени: 1 - h = 0,96, ro = 0,1, Q = 0,0002; 2 - h = 0,9, r0 = 0,1, Q = 0,0002; 3 - h = 0,85, г, = 0,1, Q = 0,0002; 4 - h = 0,96, r0 = 0,05, Q = 0,0002; 5 - h = 0,96, r0 = 0,2, Q = 0,0002; 6 -h = 0,96, Г0 = 0.1, Q = 0,0001; 7 - h = 0,96, Г0 = 0,1, Q = 0,0003 Fig. 4. The criterion of mixing K change with time: 1 - h = 0.96, r0 = 0.1, Q = 0.0002; 2 - h = 0.9, r0 = 0.1, Q = 0.0002; 3 -
h = 0.85, r0 = 0.1, Q = 0.0002; 4 - h = 0.96, r0 = 0.05, Q = 0.0002; 5 - h = 0.96, r0 = 0.2, Q = 0.0002; 6 - h = 0.96, r0 = 0.1, Q = 0.0001; 7 - h = 0.96, r0 = 0.1, Q = 0.0003
Рис. 5. Изменение критерия перемешивания K по времени: 1 - модифицированный тип загрузки; 2 - тип загрузки 2; 3 - тип загрузки 3 Fig. 5. The criterion of mixing K change with time: 1 - the modified load type; 2 - load type 2; 3 - load type 3
Проводился сравнительный анализ качества перемешивания в БГУ с различными типами загрузки. Сравнение проводилось для расхода Q = 0,0003 м3/с при одинаковой общей площади поперечного сечения входных труб. Согласно результатам численных расчетов (рис. 5) первый тип загрузки обеспечивает лучшее перемешивание (кривая 1) и является наиболее предпочтительным из рассматриваемых вариантов.
Заключение
Проведенные численные исследования и сравнительный анализ циркуляции органического субстрата и соответствующего им распределения объемной концентрации дисперсной среды в резервуарах с различным расположением входных и выходных труб показывают, что предлагаемое в работе расположение обеспечивает лучшее перемешивание и предотвращает свободную поверхность смеси от образования корки.
Работа выполнена при 04.740.11.0518 от 01.10.2010 г.
поддержке ГК №
Список литературы
1. Баадер В., Доне Е., Бренденфер М. Биогаз: теория и практика. М.: Колос, 1982.
2. Веденеев А.Г., Веденеева Т.А. Биогазовые технологии в Кыргызской Республике. Бишкек: Евро, 2006.
3. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л. Л. Метантенки. М.: Стройиздат, 1991.
4. Пат. РФ № 2088322. В01Р5/10, С02Б11/04. Устройство для перемешивания субстрата / Гребенник Д.В. // Опубл. 27.08.1997.
5. Жермейн П. Курс механики сплошных сред. М.: Высш. шк., 1983.
6. Назмеев Ю.Г. Гидродинамика и теплообмен закрученных потоков реологически сложных жидкостей. М.: Энергоатомиздат, 1996.
7. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987. Т. 1.
8. Филиппов А.К., Голубев Л.Г. Альтернативное газотеплоснабжение малых фермерских хозяйств на базе модульного биореактора. Гидродинамика ото-пительно-вентиляционных устройств: Межвуз. сб. науч. трудов. Казань. 1995. С. 56-61.
9. Итоги науки и техники. Серия биотехнология. Т. 21. Биогаз: Проблемы и решения. М.: ВИНИТИ. 1988.
ГХПI — TATA — CXJ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 10 (102) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
