堆肥反应器通气搅拌结构优化设计

　　摘要:堆肥反应器的分散性能会直接影响好氧堆肥反应的进程和结果，而堆肥反应器的通气搅拌结构是影响其分散性能的关键部件。为改善好氧堆肥反应器的分散性能，通过计算流体力学(CFD)方法对实验室用堆肥反应器的单层通气桨叶结构、单层通气桨叶双层搅拌桨叶结构和三层通气桨叶结构分别进行了气液两相流模拟，对比分析了这3种通气搅拌结构性能的优劣，并进一步研究了单层通气桨叶双层搅拌桨叶结构的安放角对其分散性能的影响。结果表明:采用单层通气桨叶双层搅拌桨叶式通气搅拌结构的分散性能更佳，堆肥反应器有较高平均气含率为0．408，不均匀性系数为0．035;不同安放角下，堆肥反应器内湍动能的分布规律基本保持一致，沿径向呈现双峰趋势，而堆肥反应器的单位体积功率随着安放角的增大而增大;综合考虑，通风搅拌结构的安放角为45°时，堆肥反应器的平均气含率最高且搅拌功率适宜，更适于气液混合搅拌。该结果可为堆肥反应器的设计提供参考。

　　关键词:堆肥反应器;CFD;通气;气含率;安放角

　　0引言

　　堆肥反应器中氧气的含量和分布是影响好氧堆肥反应进程的关键因素［1－2］，即氧气含量越高，分布均匀性越好，更有利于获得大的相间接触面积，从而加快堆肥的速度，提高堆肥质量。堆肥反应器通气搅拌结构的分散性能是影响反应器内氧气含量和分布的重要因素，随着畜禽规模化养殖、畜禽废弃物的处理压力日益加重，优化堆肥反应器的通气搅拌结构，以提高其分散性能，对改善堆肥反应器的堆肥性能具有重要意义。

　　1计算模型

　　1．1物理模型

　　计算模型按照实验室用堆肥反应器进行简化，结构如图1所示。其中，反应器罐体为平底圆柱形，内径D为1m，高度H为1m，设计装液高度为0．8m，搅拌轴和通气桨叶都为空心结构且连通，同时在通风桨叶后侧两壁面上等距各打有50个直径d为0．01m的通气孔;除未打孔外，搅拌桨叶和通风桨叶外形相同，两者搅拌直径T都为0．863m，桨叶安放角θ都为45°。

　　1．2工况条件

　　模拟介质为水—空气体系，物料相关参数如表1所示。模拟工况为转速24r/min，进口气体流速5m/s。

　　2数值模拟

　　2．1控制方程

　　采用Eulerian－Eulerian双流体模型模拟气液两相的混合［9－10］，模型的基本方程主要包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，在恒温体系下则不考虑能量守恒方程。质量守恒方程为ρt(αiρi)+·(αiρiui)=0(1)动量守恒方程为ρt(αiρiui)+·(αiρiuiui)=－αip+·τi+αiρig+Fi+Ｒi(2)其中，ρi、αi和ui分别为第i相的密度、相含率和相速度，p为压力，τi为雷诺应力张量，g为重力加速度，Fi为奥利力及在旋转参考坐标系下的离心作用力，Ｒi为相间作用力。

　　2．2网格划分

　　通过SolidWorks软件对堆肥反应器进行建模，取搅拌轴底端中心为坐标原点，以y轴为竖直方向，利用mesh进行网格划分，将计算域划分为运动的转子区域和静止的静子区域，通气搅拌结构和转子区域进行四面体网格划分，静止区域进行六面体网格划分。为提高精度，对通气搅拌结构和转子区域网格进行加密，网格的节点数与总单元数如表2所示。

　　3结果与讨论

　　3．1流场

　　堆肥反应器内的流型会直接影响气体的分布。对比分析达到稳态后的三种堆肥反应器xy平面内上的速度矢量场，如图3所示。由图3可以发现:这3种结构都能在局部产生循环流动结构，为典型的轴向流。不同之处在于:A的流场整体较平稳，循环结构较少，且集中在靠近搅拌轴的中部区域;B的循环流动结构具有对称性和独立性，顶层桨和中层桨将液相向下方排出，在尾端形成独立的循环区，而在近轴区域未形成循环结构，这是由于气体从通气桨叶排出时，更容易从近轴端的孔排出，使得近轴区域气体的流速很高，同时桨叶在这个区域的分散性能较弱，从而造成了这种现象的出现;C的循环结构独立性不明显，循环区有交集，为合并流型。综合进行对比可以看出:B、C相对于A的循环结构更明显，数量更多;另外，B和C的流场有明显的区别，主要是由于通气搅拌结构的不同及气体分散的差异造成的。

　　3．2局部气含率

　　局部气含率是指某一局部的气体体积分数，可以充分地表征反应器内气体的分布状况，以反应器xy平面内的气含率云图为例，如图5所示。由图5可以看出:反应器底层桨叶以下区域的气含率都很低，是由于浮力大于气泡的惯性力，使气泡上升及通气搅拌结构难以在这部分区域产生良好的流场循环结构造成的。其中，A的气含率云图分区比较明显，整体气含率相对较低，是由于单层桨叶湍动程度较弱造成的;B的气含率分布相对较均匀，在相邻桨叶之间都出现较高的气含率，且底层桨叶和中层桨叶之间的区域出现了气含率峰值。出现该现象的原因有两点:一是这些部位处于底层通气搅拌桨叶附近，气体刚排出，未来得及分散;二是这些区域都有循环结构，气泡更容易在循环区聚集。另外，由于近轴区域气体的流速很高，造成在中层桨叶以上的近轴区域的气含率要相对周围略低，这与陈雷［13］等人得到的结果相似。C在顶层桨叶以下部分几乎没有气相分布，是由于气体从搅拌轴的上端进入，更容易从顶层桨叶排出，使得气压减小，气体不能送入反应器的底部。C的压力云图如图6所示。

　　5结论

　　1)堆肥反应器的通气搅拌结构对反应器内气含率、流场和搅拌功率等都有较大影响。采用单层通气三层搅拌结构时，反应器内的分散性能较好，平均气含率最高，不均匀系数最小，同时搅拌功率适宜。

　　2)通气会明显影响堆肥反应器中流场的形态，同时使得单位体积功率减小。

　　3)对单层通气三层搅拌结构的安放角进一步研究发现:安放角对反应器内气含率、流场、湍动能和单位体积功率等都有影响。不同安放角情况下，堆肥反应器内湍动能的分布规律基本保持一致，沿径向呈现双峰趋势;单位体积功耗随着安放角的增大而增大，且在45°之后越来越急剧;气体分布的均匀性都较好，但在θ=45°时的平均气含率最高。综合考虑，堆肥反应器通气搅拌结构的安放角选择45°时更优。

　　参考文献

　　［1］朱荣生，李维斌，黄道见，等．搅拌器搅拌流场的三维数值模拟［J］．农机化研究，2003(4):75－77．

　　［2］倪伟佳．不同搅拌桨叶组合条件下的CFD数值模拟及头孢菌素C发酵性能比较［D］．无锡:江南大学，2012．

　　［3］陈雷，高正明．多层桨气－液搅拌反应器内局部特性的数值模拟［J］．北京化工大学学报:自然科学版，2010，37(3):14－19