一種減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌裝置及方法
2023-07-20 02:47:11 2
一種減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌裝置及方法，罐體底部設有進料口，罐體上部設有出水口。在厭氧反應罐內設有攪拌軸，攪拌軸上設有槳葉，槳葉在高度上分層設計，層與層之間的間距相等；槳葉與攪拌軸傾斜角成45°安裝，最下層的槳葉直徑為厭氧反應罐內直徑的3/4且高於厭氧反應罐進料口高度，其餘槳葉直徑相同且為最下層槳葉直徑的一半，最上層槳葉低於厭氧反應罐出水口高度。本發明能夠在短時間內使厭氧反應罐內的料液快速混合均勻，而且通過對槳葉的設計使得在較低的功率下能夠使罐體內的混合液體混合達到幾乎無死區的狀態。
【專利說明】一種減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及厭氧反應罐厭氧消化處理技術，具體指一種減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌裝置及方法，該技術能夠在低能耗的情況下達到較好的混合效果，從而促進微生物厭氧消化，屬於生物反應【技術領域】。
[0002]
【背景技術】
[0003]隨著社會經濟的發展，人們的物質生活水平日益提高，餐飲行業的食物浪費越來越嚴重，因而產生大量的廚餘垃圾並需要處理。廚餘垃圾的處理主要包括填埋、焚燒、回收作為堆肥或動物飼料和分解。城市中廚餘垃圾一般採用厭氧消化罐進行厭氧消化處理，先將廚餘垃圾過濾得到廚餘汙水，再將廚餘汙水引入厭氧消化罐，在攪拌作用下進行厭氧消化反應，清水由厭氧消化罐上部排出。但在厭氧消化罐中常常發生厭氧消化不均勻，存在死區問題，導致厭氧消化過程中死區沉澱逐漸增多，使得反應罐的處理效率逐漸變低。
[0004]對於處理反應器的死區問題已有較多研究。在生物反應器內，死角容積包括兩部分:水力死區和生物死區。生物死區是微生物佔據而造成的，水力死區由反應器構造設計造成。死區的存在使得反應器中汙水的實際平均停留時間總是小於理論平均停留時間，容易造成反應器處理效果的下降，使出水惡化。死區的產生原因有很多。其中，水力死區主要由於進水口與出水口的位置引起的，如:上進上出、下進下出，進出水口都在同一側罐壁上等都會引起水力死區，還有一種就是由於進水流量較小，而反應容積較大，從而導致水力停留時間增大引起的；對於生物死區而言，主要是由於微生物停留在反應器裡面時間較長，因而逐漸富集引起，對於這類需要定期清洗和減少水力停留時間來解決。
[0005]現有死區應對技術大多採用定期衝洗、反衝洗，以及對流態的微調等。01dshue--J--Y總結出影響反應器中流體作用力的因素，這些因素包括擋板和攪拌槳、槳葉的幾何形狀、葉輪間距、進口流動、浸沒深度、氣體-固體的影響等。同時槳葉的安裝方式也是影響因素之一，直入式和側入式是目前較為普遍的兩種槳葉安裝方式。然而側入式對於能耗的要求較高，從節能的角度，通過改善直入式攪拌設計參數，對於解決死區問題是一個新的思路。將釜式反應器和槽流式推流反應器攪拌方式相互結合，也是環境流體發展的一個突破口。
[0006]
【發明內容】
[0007]針對現有解決反應器死區技術存在的上述不足，本發明的目的是提供一種減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌裝置及方法，本方法可以在低能耗的情況下有效減少厭氧消化罐死區問題。
[0008]本發明的技術方案是這樣實現的:
一種減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌裝置，在厭氧反應罐內設有攪拌軸，攪拌軸上設有槳葉，厭氧反應罐的罐體為圓柱型，罐體底部設有進料口，罐體上部設有出水口。所述槳葉在高度上分層設計，層與層之間的間距相等；槳葉與攪拌軸傾斜角成45°安裝，最下層的槳葉直徑為厭氧反應罐內直徑的3/4且高於厭氧反應罐進料口高度，其餘槳葉直徑相同且為最下層槳葉直徑的一半，最上層槳葉低於厭氧反應罐出水口高度。
[0009]一種減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌方法，本方法採用上述攪拌裝置，罐體採用自下而上的進料方式，使汙水在重力作用下自然往下沉，由最下層的槳葉轉動來增強底部擾動，促進料液的均勻混合，以防止下層的汙水和沉澱在重力作用下下沉在周邊帶來的死區問題；
通過槳葉與攪拌軸成45度傾斜角，使底部的流體往上部進行推流，並與上部的液體達到較好的混合，最下層之上的槳葉加強這種推流作用；工作時罐體內的液體需要淹沒最上層攪拌槳葉。
[0010]設計厭氧反應罐時，先採用數值模擬方法對厭氧反應罐建立數學模型，經過網格劃分後，導入流體力學計算軟體進行模擬分析，作為死區問題的評估依據，模擬結果採用流速流場以及湍流強度兩種指標作為評估指標來進行分析判斷，通過判斷厭氧反應罐的流速分布以及湍流分布情況，來改善槳葉分層距離以及槳葉大小尺寸情況，並通過控制進料口流量來進一步提高混合效果。
[0011]本發明能夠在短時間內使厭氧反應罐內的料液快速混合均勻，而且通過對槳葉的設計使得在較低的功率下能夠使罐體內的混合液體混合達到幾乎無死區的狀態。
[0012]現有厭氧消化罐大多採用平直式槳葉，而平直槳葉主要特性是:在水流為低速時，以水平環流為主；在水流速度高速時為徑流型，在大型厭氧消化罐對於死區的解決效果不理想。本發明通過對攪拌裝置的槳葉的設計優化，槳葉為長方型的鋼屬性葉片，相對於平直式槳葉，將槳葉進行旋轉45°，使其不僅具有平直槳葉在低速轉速時的水平環流，與此同時，還具有向上推流的作用，所以能夠在罐體中產生明顯的旋流；同時槳葉分層構造，通過最底層的大槳葉與上層的小槳葉的協調作用，促進了水流的推流作用，強化了流體的紊流脈動，減少罐體死區的形成。
[0013]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1-本發明裝置立體圖。
[0015]圖2-本發明裝置正視圖。
[0016]圖3-本發明裝置俯視圖。
[0017]圖4-本發明的裝置在低轉速下模擬的流速雲圖效果圖(軸向和水平方向)。
[0018]圖5-本發明的裝置在低轉速下模擬的湍流情況效果圖(軸向和水平方向)。
[0019]
【具體實施方式】
[0020]本發明先對槳葉結構以及槳葉分層設計來增加流體流態變化，減少死區形成，再利用數值模擬技術對所設計的槳葉尺寸和槳葉分層效果等參數進行調整優化，以期達到理想的混合效果。
[0021]本發明減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌裝置，厭氧反應罐的罐體為圓柱型，罐體底部設有進料口，罐體上部設有出水口。在厭氧反應罐內設有攪拌軸，攪拌軸上設有槳葉，所述槳葉在高度上分層設計，層與層之間的間距相等。槳葉與攪拌軸傾斜角成45°安裝，最下層的槳葉直徑為厭氧反應罐內直徑的3/4且高於厭氧反應罐進料口高度，其餘槳葉直徑相同且為最下層槳葉直徑的一半，最上層槳葉低於厭氧反應罐出水口高度。
[0022]作為一個具體實施例，所述罐體高為12m，內直徑為8m ;槳葉由三層組成，槳葉之間的層距為3m，最下層的槳葉直徑為6m，上面兩層槳葉直徑均為3m，寬為1.2m，槳葉與攪拌軸焊接在一起。
[0023]一種減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌方法，本方法採用上述攪拌裝置，罐體採用自下而上的進料方式，使汙水在重力作用下自然往下沉，由最下層的槳葉轉動來增強底部擾動，促進料液的均勻混合，以防止下層的汙水和沉澱在重力作用下下沉在周邊帶來的死區問題；
由於槳葉與攪拌軸成45度傾斜角，使底部的流體被槳葉往上部進行推流，並與上部的液體達到較好的混合，最下層之上的槳葉則加強這種推流作用；工作時罐體內的液體需要淹沒最上層攪拌槳葉。汙水從底部的進料口進入，厭氧消化後處理的水由上部排出。
[0024]由於最下面的槳葉直徑較大，僅僅比罐體的直徑較小，如此以來帶來的大槳葉的槳葉面積也相當的大，在分層槳葉的設計中，如果都採用底層相同型號的大槳葉，會使由底部的進水通過第一層大槳葉得到流體的螺旋流，在上升的過程中遇到第二層大槳葉，由於大槳葉的面積較大，因此會阻擋底部上來的螺旋流，反而影響攪拌的效果，為了解決這個問題，因此本設計將原有底部大槳葉尺寸進行縮小，本模型採用最下層槳葉直徑的一半，這樣一來，底層上升的螺旋流在通過中層的槳葉，避免大槳葉阻擋影響混合，而且還能在中層小型攪拌槳葉的推動下，強化下面流體的螺旋流的紊流狀態，還促使流體的水平環流，保證厭氧消化罐中部的攪拌效果。
[0025]然後對上述基本物理模型進行建模，採用數值模擬的方法對厭氧罐體建立數學模型，經過網格劃分後，導入流體力學計算軟體進行模擬分析，作為死區問題的評估依據，模擬結果採用流速流場以及湍流強度兩種指標作為參考指標來進行分析判斷，通過判斷厭氧罐體的流速分布以及湍流分布情況，來改善槳葉分層距離以及槳葉大小尺寸情況，還可以通過(進料口)流量控制來達到較好的混合效果。
[0026]本發明可以較好的給厭氧消化反應罐內的流體混合情況提供罐體尺寸設計，為大型厭氧消化罐體的前期設計提供技術依據，進而降低設計成本，減少大型物理實驗帶來的經濟成本和時間成本，同時能夠更好地解決大型厭氧罐體的死區問題，也提高運行效率。
[0027]具體實施時，首先要對厭氧罐體型號(長、寬、高)以及進料口和出水口的位置尺寸有大致的了解，以及厭氧罐的氣液比等屬性的掌握，然後初步設計採用分層槳葉方式加強對整個厭氧罐體的紊流擾動，由於採用自下而上的進料方式，這樣汙水會因為重力的作用自然往下沉，因此最下層槳葉直徑設計為罐體直徑的3/4來增強底部擾動，促進料液的均勻混合，以防止下層的汙染物在重力作用下下沉在周邊帶來的死區問題。
[0028]為了防止在重力的影響下引起混合不均勻，在中間和上層採用小槳葉起到推流作用，同時將槳葉都設置為與軸成45度傾斜角，底部的流體往上部進行推流，與上部的液體達到較好的混合。
[0029]然後對上述基本物理模型進行建模，採用數值模擬的方法對厭氧罐體建立數學模型，經過網格劃分導入計算流體力學商業軟體，然後在CFD軟體中進行模擬分析，通過分析罐體流場的分布和湍流強度分布，來進一步調整參數設計。
[0030]以上所述只是本發明的常規的實施方法，對於該技術實施可以在模擬的結果基礎上，調整槳葉大小和分層槳葉直接距離，來實現不同尺寸物理模型中的最好的模型參數，這種技術方法在不同的大型厭氧氧罐體具有較高的普遍實用價值。
[0031]本發明能夠在低能耗的情況下達到較好的混合效果，從而促進微生物厭氧消化。通過計算模擬來確定分層槳葉的安裝距離以及對槳葉的尺寸大小進行掌控來改善混合效果，為厭氧消化提供了一種高效節能的快速混合技術。本發明能節約罐體設計的經濟成本，提高厭氧消化罐的運行效率和縮減調試周期。
[0032]最後需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管 申請人:參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，只要不脫離本技術方案的宗旨和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1.一種減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌裝置，在厭氧反應罐內設有攪拌軸，攪拌軸上設有槳葉，厭氧反應罐的罐體為圓柱型，罐體底部設有進料口，罐體上部設有出水口，其特徵在於:所述槳葉在高度上分層設計，層與層之間的間距相等；槳葉與攪拌軸傾斜角成45°安裝，最下層的槳葉直徑為厭氧反應罐內直徑的3/4且高於厭氧反應罐進料口高度，其餘槳葉直徑相同且為最下層槳葉直徑的一半，最上層槳葉低於厭氧反應罐出水口高度。
2.根據權利要求1所述的減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌裝置，其特徵在於:所述罐體高為12m，內直徑為Sm ;所述槳葉由三層組成，槳葉之間層距為3m，最下層的槳葉直徑為6m，上面兩層槳葉直徑均為3m，槳葉與攪拌軸焊接在一起。
3.一種減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌方法，其特徵在於:本方法採用權利要求1或2所述的攪拌裝置，罐體採用自下而上的進料方式，使汙水在重力作用下自然往下沉，由最下層的槳葉轉動來增強底部擾動，促進料液的均勻混合，以防止下層的汙水和沉澱在重力作用下下沉在周邊帶來的死區問題； 通過槳葉與攪拌軸成45度傾斜角，使底部的流體往上部進行推流，並與上部的液體達到較好的混合，最下層之上的槳葉加強這種推流作用；工作時罐體內的液體需要淹沒最上層攪拌槳葉。
4.根據權利要求3所述的減少厭氧反應罐死區的快速混合攪拌方法，其特徵在於:設計厭氧反應罐時，先採用數值模擬方法對厭氧反應罐建立數學模型，經過網格劃分後，導入流體力學計算軟體進行模擬分析，作為死區問題的評估依據，模擬結果採用流速流場以及湍流強度兩種指標作為評估指標來進行分析判斷，通過判斷厭氧反應罐的流速分布以及湍流分布情況，來改善槳葉分層距離以及槳葉大小尺寸情況，並通過控制進料口流量來進一步提1?混合效果。
【文檔編號】C02F3/28GK104162377SQ201410355499
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月24日 優先權日:2014年7月24日
【發明者】安強, 舒鑫, 彭緒亞, 趙彬, 於陽, 翟午琛, 王沙, 黃寧秋 申請人:重慶大學