ВЛИЯНИЕ  ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ  ПЕРЕГОРОДКИ  НА  РАЗРУШЕНИЕ  КОРКИ  В  МЕТАНТЕНКЕ

Караева  Юлия  Викторовна

канд.  техн.  наук,  с.н.с.  Академэнерго,  РФ,  г.  Казань

E-mail:  

Трахунова  Ирина  Александровна

м.н.с.  Академэнерго,  РФ,  г.  Казань

E-mail:  

USING  A  BAFFLE  PLATE  FOR  CRUST  DISTRUCTION  IN  DIGESTER

Karaeva  Yu lia

candidate  of  Technical  Sciences ,  Senior  Researcher  Akademenergo ,  Russia,  Kazan

Trakhunova  Irina

junior  Researcher   Akademenergo ,  Russia,  Kazan

Работа  выполнена  при  финансовой  поддержке  стипендии  Президента  Российской  Федерации  молодым  ученым  и  аспирантам,  осуществляющим  перспективные  научные  исследования  и  разработки  по  приоритетным  направлениям  модернизации  российской  экономики  №  СП-2442.2012.1.

Аннотация

Проведено  численное  исследование  процесса  разрушения  плавающей  корки  в  метантенке.  Определено  время  разрушения  корки  в  зависимости  от  диаметра  и  расположения  отражательной  перегородки  в  метантенке.

Abstract

Numerical  investigation  of  floating  crust  destruction  in  digester  was  carried  out.  Crust  destructing  time  depending  on  size  and  displacement  in  digester  was  calculated

Ключевые  слова:  отражательная  перегородка,  корка,  метантенк,  численное  исследование.

Keywords:  baffle  plate;  crust;  digester;  numerical  investigation.

Основными  факторами,  влияющими  на  процесс  формирования  корки  на  свободной  поверхности  в  метантенке  биогазовой  установки,  являются:

·     состав  сбраживаемого  сырья;

·     концентрация  органического  вещества;

·     конструктивные  особенности  аппарата;

·     система  перемешивания.

Некоторые  аспекты  формирования  корки  в  аппаратах  представлены  в  следующих  работах  организации  Walker  Process  Equipment  (США,  2013),  Smith  K.И  др.  (Великобритания,  2007),  Tom  H.  Misselbrook  и  др.  (США,  2005)  [1—3]. 

Известно,  что  плавающие  корки  образуются,  если  волокнистый  материал  всплывает  и  вследствие  свойлачивания  образует  прочную  структуру  на  поверхности.  Если  корку  не  разрушать,  то  ее  толщина  может  нарастать  до  нескольких  метров,  в  этом  случае  ее  необходимо  удалять  вручную. 

Немаловажную  роль  играет  исследование  способов  перемешивания  при  повышенной  концентрации  на  дне  аппарата  и  около  свободной  поверхности  (образование  корки).  Например,  известно,  что  применение  конструктивных  решений  позволяет  разрушать  корку  в  метантенке  (Patent  CN  203569086)  [4].  На  практике  разрушение  корки  осуществляется  путем  перемешивания,  однако,  рассмотрение  данных  вопросов  не  нашло  должного  отражения  в  научной  литературе.

Одним  из  перспективных  приложений  гидравлического  способа  перемешивания  является  использование  его  для  выравнивания  поля  концентраций  около  свободной  поверхности  в  метантенке.  Однако,  в  теории  массопереноса  до  сих  пор  не  описаны  закономерности,  характеризующие  динамику  процесса  формирования  корки  в  метантенке  и  пригодные  для  проектирования  перемешивающих  устройств. 

Математическое  моделирование

Математическая  модель  включала  в  себя  стандартную  k–ε  модель  турбулентности  и  уравнение  массопереноса.

Начальное  распределение  объемной  концентрации  при  (корка  в  метантенке)  может  быть  записано  в  виде  следующей  функции: 

,

где:    —  некоторый  параметр,  от  величины  которого  зависит  ширина  аппроксимации  высоты  корки  ; 

  —  максимально  возможная  объемная  концентрация  дисперсной  фазы. 

Для  исследования  влияния  отражательной  перегородки  на  процесс  разрушения  корки  использовался  пакет  моделирования  COMSOL  Multiphysics. 

Метантенк  представляет  собой  цилиндр  с  коническим  дном.  Подающий  патрубок  расположен  в  центре  крышки  метантенка,  а  отводящий  патрубок  —  на  дне  аппарата,  по  центру.  Диаметр  аппарата  1,6  м,  высота  до  зеркала  жидкости  2  м.  Объем  сбраживаемого  сырья  3,5  м³,  радиус  подводящего  и  отводящего  патрубков  0,11  м.  Внутри  метантенка  горизонтальная  отражательная  перегородка  в  виде  круглой  пластины  диаметром  d.  Основной  задачей,  на  решение  которой  направлена  вставка  отражательной  перегородки,  является  разрушение  корки  на  свободной  поверхности  метантенка. 

В  данной  работе  исследован  метантенк  с  различными  отражательными  перегородками,  характеризующимися  соотношением  ,  где    —  диаметр  отражательной  перегородки,    —  диаметр  метантенка.  Расстояние  отражательной  перегородки  от  свободной  поверхности  Н_пер.

Результаты  численных  исследований

В  результате  численных  исследований  определено,  что  при  увеличении  диаметра  отражательной  перегородки  уменьшается  время  разрушения  корки  (рис.  1).  С  ростом  числа  Re  наблюдается  снижение  времени,  необходимого  для  получения  однородной  концентрации  около  свободной  поверхности.  Для  метантенка  без  отражательной  перегородки  время  разрушения  корки  составило  59  мин  при  Re=48,8,  затем  уменьшилось  в  2  раза  до  23  мин  при  Re=73,2,  при  числе    наблюдается  постепенное  уменьшение  t. 

Рисунок  1.  Время  разрушения  корки  при  различных  соотношениях  d /D  и  Re  (Н_пер=0,15  м)

Следует  отметить,  что  в  аппаратах  с  отражательными  перегородками  при  гидродинамическом  режиме,  характеризующемся  числами  ,  наблюдается  значительная  разница  во  времени  разрушения  корки  в  метантенке  по  сравнению  с  аппаратом  без  нее.

На  рис.  2  представлена  зависимость  времени  разрушения  корки  от  расположения  отражательной  перегородки  в  метантенке  и  гидродинамического  режима  для  оптимального  соотношения  d/D=0,75.  Видно,  чем  ближе  к  свободной  поверхности  расположена  отражательная  перегородка,  тем  быстрее  разрушается  корка.  На  расстоянии  Н_пер=0,45  м  наблюдается  резкое  ухудшение  качества  перемешивания  в  верхней  части  аппарата.  Не  смотря  на  то,  что  при  Re=48,8  время  разрушения  корки  в  2  раза  меньше,  чем  в  метантенке  без  перегородки.  Время  разрушения  корки  при  гидродинамическом  режиме,  характеризующемся  Re=102,5,  в  2  раза  больше  в  аппарате  с  перегородкой,  а  при  Re=200,1  —  в  3  раза  больше. 

Рисунок  2.  Время  разрушения  корки  при  различных  значениях  Н_пер  и  Re   (d/D=0,75)

Большое  расстояние  до  отражательной  перегородки  создает  дополнительные  циркуляционные  токи  и,  как  следствие,  увеличение  концентрации  около  свободной  поверхности.  Таким  образом,  необходимо  дополнительное  исследование  времени  разрушения  корки  в  интервале  . 

Заключение

Результаты  численных  исследований  показывают,  что  время  разрушения  корки  зависит  от  диаметра  и  расположения  отражательной  перегородки  в  метантенке,  а  также  выбранного  гидродинамического  режима.  При  увеличении  диаметра  отражательной  перегородки,  а  также  росте  числа  Re  уменьшается  время  разрушения  корки.  Расстояние  отражательной  перегородки  от  свободной  поверхности  в  метантенке  должно  быть  минимальным.

Список  литературы:

1.Digester  Mixing  Test  at  DeKalb  Illinois  Sanitary  District  WWTP.  Preliminary  Test  Report  October  2013.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.walker-process.com/pdf/Oct2013fieldtestsummary.pdf  (дата  обращения  02.09.2014).

2.Smith  K.  Natural  crusting  of  slurry  storage  as  an  abatement  measure  for  ammonia  emissions  on  dairy  farms/  K.  Smith,  T.  Cumby,  J.  Lapworth,  T.  Misselbrook,  A.  Williams  //  Biosystems  Engineering.  —  2007.  —  №  97(4).  —  Р.  464—471.

3.Misselbrook  T.H.  Crusting  of  Stored  Dairy  Slurry  to  Abate  Ammonia  Emissions:  Pilot-Scale  Studies  /  T.H.  Misselbrook,  S.K.E.  Brookman,  K.A.  Smith,  T.  Cumby,  A.G.  Williams,  D.F.  McCrory  //  Journal  of  Environmental  Quality.  —  2005.  —  №  34.  —  Р.  411—419.

4.Tinhai,  Tinliu.  Anti-crusting  biogas  tank  //  Patent  CN  203569086  U,  2014.