ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ  ПЕРЕМЕШИВАНИЕ  ПЛАВАЮЩЕЙ  КОРКИ  И  ОСАДКА  В  МЕТАНТЕНКЕ

Караева  Юлия  Викторовна

канд.  техн.  наук,  старший  научный  сотрудник  Академэнерго,  РФ,  г.  Казань

E-mail:  

HYDRAULIC  MIXING  FLOATING  CRUST  AND  BOTTOM  SLUDGE  IN  DIGESTER

Karaeva  Yu lia

candidate  of  Technical  Sciences ,  Senior  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  гидравлического  перемешивания  в  метантенке  субстрата,  склонного  к  расслоению,  приводящему  к  увеличению  концентрации  на  дне  и  около  свободной  поверхности. 

Abstract

Numerical  investigation  of  hydraulic  mixing  process  in  digester  was  carried  out.  The  substrate  inclined  to  segregation  leading  to  increase  total  solid  on  the  bottom  and  near  free  surface  was  used  in  calculation.

Ключевые  слова:  метантенк;  биогаз;  гидравлическое  перемешивание;  расслоение;  корка;  осадок;  численное  исследование.

Keywords:  digester;  biogas;  hydraulic  mixing;  segregation;  crust;  bottom  sludge;  numerical  investigation.

Результаты  экспериментальных  исследований  промышленных  аппаратов  метанового  брожения  показали,  что  недостаточное  перемешивание  снижает  эффективный  объем  метантенка,  вследствие  расслоения  субстрата,  приводящего  к  увеличению  концентрации  на  дне  и  около  свободной  поверхности  [1].  Единственным  способом  борьбы  с  расслоением  субстрата  является  перемешивание. 

Некоторые  аспекты  формирования  корки  в  аппаратах  представлены  в  следующих  работах.  Организация  Walker  Process  Equipment  (США)  в  2013  году  провела  сравнение  двух  метантенков  со  струйным  и  механическим  перемешиванием.  Проанализированы  образцы,  взятые  по  высоте  метантенка,  и  определены  средние  концентрация  и  плотность.  Корка  была  обнаружена  в  метантенке  со  струйным  перемешиванием,  ее  толщина  достигала  3  м.  Однако  данные  результаты  являются  предварительными  и  тестовыми,  их  дальнейшее  использование  нецелесообразно,  так  как  неизвестен  состав  субстрата,  оценка  проведена  локально,  отсутствует  динамика  наблюдаемого  процесса  [2].  Smith  K.,  Cumby  T.,  Lapworth  J.,  Misselbrook  T.,  Williams  A.  (Великобритания)  в  2007  году  провели  исследование  корки  в  навозохранилище,  определили  толщину  корки,  а  также  величину  силы,  необходимой  для  ее  разрушения,  в  динамике.  Коллективом  данных  ученых  предложено  оригинальное  оборудование  для  проведения  эксперимента.  Однако  эти  исследования  не  проводились  для  метантенков  биогазовой  установки  [3].  Такими  учеными  как  Tom  H.  Misselbrook,  Siobhan  K.E.  Brookman,  Ken  A.  Smith,  Trevor  Cumby,  Adrian  G.  Williams  и  Dan  F.  McCrory  (США)  в  2005  году  экспериментально  определено  влияние  состава  субстрата  и  его  концентрации  на  формирование  корки.  В  этом  исследовании  отсутствуют  данные  по  физико-химическим  свойствам  образующейся  корки  [4]. 

Проведенный  аналитический  обзор  по  проблематике  исследований  показал,  что  на  современном  этапе  исследований  процессов  перемешивания  в  метантенке  необходимо  учитывать  склонность  различных  органических  субстратов  к  расслоению.  В  создании  расчетных  методов  здесь  преобладают  математические  модели  с  граничными  условиями,  игнорирующими  возможность  образования  корки  и  осадка.  Многие  экспериментальные  исследования  все  еще  ограничиваются  лишь  измерением  осредненных  характеристик  концентрационного  поля  на  выходе  из  метантенка,  по  которым  невозможно  получить  представление  о  пространственной  картине  процесса  перемешивания  внутри  аппарата.  Таким  образом,  в  работе  планируется  решить  актуальную  задачу  исследования  влияния  гидравлического  способа  перемешивания  на  разрушение  корки  и  осадка  в  метантенке.

Математическое  моделирование  проведено  при  следующих  допущениях:  течение  в  метантенке  турбулентное;  двухфазная  среда  (субстрат)  рассматривается  как  гомогенная  жидкость,  вязкость  и  плотность  которой  зависят  от  концентрации  твердой  фазы;  процессы  диффузии  пренебрежимо  малы  по  сравнению  с  конвективным  переносом  массы;  температура  постоянна. 

Для  численных  исследований  использовался  пакет  моделирования  COMSOL  Multiphysics,  позволяющий  решать  системы  нелинейных  дифференциальных  уравнений  в  частных  производных  методом  конечных  элементов. 

Численные  исследования  и  сравнительный  анализ  проводились  для  двух  способов  рециркуляции  органического  субстрата  в  метантенке  (рис.  1).

1  способ.  Патрубки  рециркуляции  субстрата  расположены  параллельно,  на  некотором  расстоянии  друг  от  друга  на  боковой  поверхности  (рис.  1a).  Верхний  патрубок  является  подающим,  а  нижний  служит  для  отвода  органического  субстрата.

2  способ  (рис.  1b).  Подающий  патрубок  расположен  в  центре  крышки  метантенка,  а  отводящий  патрубок  —  на  дне  аппарата,  по  центру. 

Объем  метантенков  одинаков  и  составляет  3,22  м³.  Соотношение  высоты  к  диаметру  аппарата  1:1.  Радиус  циркуляционных  патрубков  одинаков  и  равен  0,05  м.  Расход  жидкости  0,0008  м³/с.  Субстрат  представляет  собой  свиной  навоз  с  содержанием  сухого  вещества  6  %.

Рисунок  1.  Принципиальная  конструкция  метантенков

В  качестве  показателя  оценки  качества  перемешивания  предлагается  безразмерная  величина  QM : 

,                                                (1)

                        (2)

                                     (3)

где:    —  среднее  значение  интенсивности  выхода  биогаза  в  метантенке  (м³  биогаза/м³  субстрата); 

  —  максимальное  значение  интенсивности  выхода  биогаза  (м³  биогаза/м³  субстрата); 

В ₀  —  предельный  выход  биогаза  из  единицы  органического  вещества,  м³/кг; 

HRT   —  время  гидравлического  удержания  субстрата,  сут.; 

K   —  кинетический  коэффициент; 

μ _max  —  максимальная  скорость  роста  микроорганизмов,  1/сут.; 

W   —  объем  метантенка  (м³); 

—  -тый  элементарный  объем  (м³); 

—  объемная  концентрация  в  i-том  элементарном  объеме  (1/м³); 

  —  плотность  субстрата,  (кг/м³). 

Показатель  QM   стремится  к  единице,  что  соответствует  состоянию  полной  однородности  субстрата  в  реакторе. 

При  условии,  что  в  начальный  момент  времени  на  дне  метантенка  осадок,  через  6000  с  критерий  QM=0,8535  в  первом  метантенке  и  QM=0,6139  во  втором,  что  свидетельствует  о  более  высокой  производительности  по  биогазу  в  первом  аппарате  (рис.  2a).  Таким  образом,  в  первом  метантенке  качество  перемешивания  выше  на  28  %. 

Рисунок  2.  Динамика  критерия  QM

При  условии,  что  в  начальный  момент  времени  в  метантенке  на  дне  и  около  свободной  поверхности  наблюдается  увеличение  концентрации  вследствие  расслоения  субстрата,  то  через  3000  с  критерий  QM=0,9999  в  первом  метантенке,  что  соответствует  максимальной  производительности  по  биогазу,  а  также  возможности  выключения  перемешивающего  устройства  (рис.  2b).  Во  втором  аппарате  QM=0,7513,  что  свидетельствует  о  более  низком  качестве  перемешивания. 

Заключение

Результаты  численных  исследований  показывают,  что  процесс  расслоения  органического  субстрата  в  метантенке  влияет  на  время  и  качество  перемешивания  субстрата.  Необходимы  дополнительные  численные  и  экспериментальные  исследования  влияния  конструктивно-технологических  характеристик  системы  перемешивания  на  время  разрушения  плавающей  корки  и  осадка  в  метантенке.

Список  литературы:

1.Гюнтер  Л.Л.,  Гольдфарб  Л.Л.  Метантенки.  М.:  Стройиздат,  1991.  —  128  с.

2.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).

3.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.

4.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.