生物柴油作為微藻產(chǎn)業(yè)化培養(yǎng)技術(shù)的產(chǎn)品之一,被認為是具有廣闊發(fā)展前景的清潔可再生能源。作為用于大規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化養(yǎng)殖生物柴油原料的微藻培養(yǎng)設(shè)備——光生物反應(yīng)器(PBR)其應(yīng)具備成本低、產(chǎn)量高、易于維護的商業(yè)化特點。管式光生物反應(yīng)器(T-PBR)由于其比表面積大、封閉抗污染、可操控性好的優(yōu)點從眾多類型的PBR中脫穎而出。但同樣存在著混合傳質(zhì)性能不佳,微藻易附壁沉積,放大較困難的問題。針對這些缺陷,通過改進T-PBR的內(nèi)部結(jié)構(gòu),優(yōu)化流場,來增大反應(yīng)器容積,提高流體的混合傳質(zhì)效果,改善微藻在管中的分布狀態(tài),從而整體提高T-PBR的性能。這對于提高微藻產(chǎn)量,指導(dǎo)大規(guī)模生產(chǎn)具有重要意義。本文簡要介紹了通過微藻進行生物柴油制備的研究進展以及影響微藻生長的因素。對典型PBR的結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點、應(yīng)用前景進行了詳細的描述。重點闡述了用于改善T-PBR流體混合特性的“潔能芯”組合轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用。并通過計算流體力學(xué)(CFD)模擬分析和可視化實驗驗證相結(jié)合的方法,來優(yōu)化組合轉(zhuǎn)子T-PBR的結(jié)構(gòu),促進氣液兩相流的混合。本文設(shè)計了一種具有弧形折邊結(jié)構(gòu)的翼片轉(zhuǎn)子,并與兩葉片轉(zhuǎn)子進行了比較分析,結(jié)果表明:翼片轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)能夠顯著提高T-PBR中的氣含率,提高氣液兩相間傳質(zhì)效果,相較兩葉片轉(zhuǎn)子管和光管,氣含率分別提高了 53.7%和26.5%,利于微藻對碳源的吸收。本文分析了 T-PBR在不同傾角(0°、30°、60°、90°)條件下的氣液兩相流混合特性,結(jié)果顯示:隨著傾角的增加,氣速和流體湍動能不斷增加,內(nèi)置轉(zhuǎn)子后效果更加明顯,因此,在90°傾角、內(nèi)置轉(zhuǎn)子條件下,氣液兩相流流體的混合能力更強,更有利于微藻的生長。本文對一種大管徑多轉(zhuǎn)子串T-PBR進行了模擬研究。探究轉(zhuǎn)子串數(shù)量、轉(zhuǎn)子串排布形式、轉(zhuǎn)子類型等因素對流場的影響。結(jié)果表明:通過旋轉(zhuǎn)能夠重合的不同轉(zhuǎn)子串排布形式對液相流體的混合性能影響較小,但對氣相流體影響較大;在一定范圍內(nèi),呈單圈環(huán)形排布的多組轉(zhuǎn)子串管路的混合性能優(yōu)于呈內(nèi)外圈環(huán)形排布的同樣數(shù)量轉(zhuǎn)子串管路的混合性能;在管徑不變以及不影響轉(zhuǎn)子正常旋轉(zhuǎn)的前提下,增加轉(zhuǎn)子串數(shù)量可以顯著提高T-PBR的混合性能。本文對大管徑多轉(zhuǎn)子串T-PBR進行了可視化實驗研究,直觀的驗證了模擬方法和結(jié)果的準確性,得出結(jié)論:旋轉(zhuǎn)對稱的組合轉(zhuǎn)子排布形式對連續(xù)相流場引起的差異極小;在實驗條件下,適當增加轉(zhuǎn)子串數(shù)量能夠顯著增加對液相流體的混合效果;在氣相浮于管路頂部后,最上方轉(zhuǎn)子能夠攪動氣液相分界面的轉(zhuǎn)子排布形式,混合效果更好。
【學(xué)位單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TK6
【部分圖文】：

能利用率的沿程曝氣型套管式光生物反應(yīng)器。該裝置的優(yōu)點是能夠增加單位光照面積、逡逑強化管內(nèi)的混合效果、緩解濃度梯度對管長的限制等。Ｔｒ0ＳｃｈＷ［４６］設(shè)計了一種在直管逡逑段設(shè)有凹陷結(jié)構(gòu)（圖１－４）的管式光生物反應(yīng)器，其不僅增加了反應(yīng)器的比表面積，逡逑又能夠使流體繞柱時產(chǎn)生漩渦，增加湍動程度促進混合傳質(zhì)，但其加工困難，成本較逡逑尚。逡逑（邋Ｎ邋邐逡逑0邋＆邋＆逡逑縛馬＾＿３逡逑＾＾逡逑３０邋ＶＩＥＷ邐ＬＯＮＧｆｒＵＤｌＫＡＬ邐ＰＬＡＮ邋ＶＩＥＷ逡逑ＳＥＣＴＩＯＮ逡逑圖１－４邋Ｔｒｏｓｃｈ邋Ｗ設(shè)計的管式光生物反應(yīng)器中的凹陷結(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｃｏｎｃａｖｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｉｎ邋Ｔ－ＰＢＲ邋ｄｅｓｉｇｎｅｄ邋ｂｙ邋Ｔｒｏｓｃｈ邋Ｗ逡逑８逡逑

ＨＨｌＨｒ：邋ｍｍ邋ｍｍｍｍｍ邋Ｉ逡逑Ｉ娭Ｈ逡逑圖１－３管式光生物反應(yīng)器實驗裝置逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｄｅｖｉｃｅ邋ｏｆ邋Ｔ－ＰＢＲ逡逑Ｓｒｅｅｋｕｍａｒ邋＃４３］設(shè)計了一個實驗室規(guī)模的管式光生物反應(yīng)器，它由數(shù)組有機玻璃逡逑直管和Ｕ型彎管連接組成，容積１０Ｌ，用兩個４０Ｗ的熒光燈提供光照，通過與同樣逡逑培養(yǎng)條件的實驗室規(guī)模的跑道池反應(yīng)器對比，前者培養(yǎng)的微藻脂質(zhì)含量和藻密度都遠逡逑高于后者。Ｌｅｅ［４４］設(shè)計了一種傾斜放置的復(fù)合管式光生物反應(yīng)器，其直管段與地面呈逡逑２５°夾角，上端與豎直管相連，兩組對稱交叉放置，形如字母ａ，被稱為“ａ形”管式逡逑光生物反應(yīng)器。井廣寧等［４５］設(shè)計了一種有內(nèi)置曝氣管的可增強反應(yīng)器中氣液傳質(zhì)和光逡逑能利用率的沿程曝氣型套管式光生物反應(yīng)器。該裝置的優(yōu)點是能夠增加單位光照面積、逡逑強化管內(nèi)的混合效果、緩解濃度梯度對管長的限制等。Ｔｒ0ＳｃｈＷ［４６］設(shè)計了一種在直管逡逑段設(shè)有凹陷結(jié)構(gòu)（圖１－４）的管式光生物反應(yīng)器，其不僅增加了反應(yīng)器的比表面積，逡逑又能夠使流體繞柱時產(chǎn)生漩渦，增加湍動程度促進混合傳質(zhì)，但其加工困難，成本較逡逑尚。逡逑（邋Ｎ邋邐逡逑0邋＆邋＆逡逑縛馬＾＿３逡逑＾＾逡逑３０邋ＶＩＥＷ邐ＬＯ

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【參考文獻】

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本文編號：2833322