Получение биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием Суслов, Денис Юрьевич

Введение к работе

Актуальность темы. Развитие народного хозяйства Российской Федерации в условиях рыночной экономики определяет необходимость дальнейшего совершенствования процессов и аппаратов химических технологий различных производств. В отечественной и зарубежной практике все большее применение находят системы энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий с использованием альтернативного источника энергии - биогаза. Биогаз образуется в результате анаэробной ферментации органических веществ, при этом происходит переработка отходов и получение высокоэффективных биоудобрений, что также решает экологичесие и агробиологические проблемы сельскохозяйственных предприятий.

Для производства биогаза широкое применение получили биореакторы с механическими системами перемешивания. Основным недостатком данных биореакторов является ограниченная зона перемешивания, вследствие чего возникают застойные зоны, в которых скапливается осадок, а также наблюдается образование на поверхности биомассы корки, препятствующей выходу биогаза.

Решение этих проблем возможно при применении биореакторов с системой перемешивания барботажного типа, однако в настоящее время процесс получения биогаза в биореакторах с барботажным перемешиванием является недостаточно изученным.

Поэтому актуальной задачей является исследование процесса получения биогаза при барботажном перемешивании биомассы и разработка конструкции биореактора.

Работа выполнена в соответствии с ГК № 17/14227 от 31.08.2011 года по программе "У.М.Н.И.К." и «Концепцией развития биоэнергетики и биотехнологий в Белгородской области на 2009-2012годы». (Постановление Правительства Белгородской области от 08.06.2009г. №183-пп).

Цель работы. Интенсификация процесса получения биогаза барботажным перемешиванием биомассы и разработка оригинальной конструкции биореактора.

Достижение этой цели осуществляется путем решения комплекса задач:

изучение физико-химических основ процесса получения биогаза при анаэробной ферментации органических отходов;

разработка математической модели процесса получения биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием биомассы;

разработка патентно-защищенной конструкции биореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа;

выполнение натурных экспериментальных исследований процесса получения биогаза на экспериментальной и промышленной установках;

разработка инженерной методики расчета биореактора получения биогаза

с системой барботажного перемешивания, реализованной в виде пакета программных комплексов;

- расчет экономической эффективности применения биогазовой установки для переработки органических отходов в биореакторе с барботажным перемешиванием .

Научная новизна

1. Разработана математическая модель процесса барботажного перемешивания биомассы, основанная на рассмотрении циркуляции двухфазного газожидкостного потока в турбулентном режиме.

2. В результате численного решения уравнений Навье-Стокса для двухфазной газожидкостного потока найдены осредненная осевая скорость и/и_ос и расход биомассы <2ц, а также время цикла барботажного перемешивания Ate„.

3. Предложена зависимость для расчета коэффициента местных сопротивлений С,ъ_т устройства барботажного перемешивания оригинальной конструкции.

4. Получена эмпирическая зависимость для определения максимальной удельной скорости роста микроорганизмов ц_т при анаэробной ферментации субстрата в мезофильном температурном режиме.

5. Найдена эмпирическая зависимость удельного выхода биогаза Q_yd от частоты перемешивания, продолжительности процесса, влажности и температуры биомассы.

Методы исследований. Основные теоретические и экспериментальные разработки, представленные в диссертации, базируются на применении методов классической гидро- и газодинамики, теории математического моделирования, планирования экспериментов и статистической обработки результатов.

Достоверность научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается: адекватностью математической модели процесса получения биогаза результатам экспериментальных данных с применением матричного планирования; удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и экспериментальных данных по удельному выходу биогаза.

Практическая ценность

Разработана конструкция биореактора, оснащенного барботажной системой перемешивания, позволяющего повысить эффективность процесса получения биогаза при переработке органических отходов. Новизна конструктивного решения защищена патентом РФ на изобретение №2430153 опубл. 27.09.2011.

Разработана инженерная методика расчета биореакторов, оснащенных системой перемешивания барботажного типа, позволяющая определить рациональные конструктивно-технологические параметры аппарата.

Разработан пакет программных комплексов расчета биореакторов с удобным пользовательским интерфейсом, приемлемым временем расчета и

визуальным представлением результатов моделирования.

Результаты исследований и экспериментальная установка используются в учебном процессе БГТУ им. В.Г. Шухова при изучении дисциплин «Системы промышленного газоснабжения», «Газоснабжение», «Основы научных исследований».

Автор защищает:

математическую модель барботажного перемешивания биомассы в виде двухфазного газожидкостного потока в турбулентном режиме движения;

аналитические зависимости, определяющие максимальную удельную скорость роста микроорганизмов и коэффициент местных сопротивлений системы барботажного перемешивания;

результаты вычислительного эксперимента, позволившего определить основные параметры процесса перемешивания и получить визуальную картину потоков биомассы в биореакторе;

результаты экспериментальных исследований в виде уравнения регрессии по определению удельного выхода биогаза в биореакторе с системой барботажного перемешивания;

инженерную методику расчета основных конструктивно-технологических параметров биореактора, реализованную в виде пакета программных комплексов с использованием численных методов решения уравнений;

разработанную патентно-защищенную конструкцию биореактора, оснащенного системой перемешивания барботажного типа, позволяющего повысить эффективность процесса получения биогаза.

Реализация работы

Теоретические положения и практические результаты научной работы внедрены на ЗАО «Корочанский плодопитомник» в г. Короча Белгородской области.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: Международных научно-практических конференциях Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова (2009-2012); Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2008); Международной научно-практической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2008); Международной научно-практической конференции «Техносферная безопасность, надежность, качество, энерго- и ресурсосбережение» (Ростов, 2012); 1st International Scientific Conference «Applied Sciences in Europe: tendencies of contemporary development» (Stuttgart, Germany, 2013).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 2 патента РФ на изобретение и на полезную модель.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений. Материал изложен на 163 страницах машинописного текста, в том числе 13 таблиц и 46 рисунков, список использованной литературы состоит из 167 наименований, из них 48 на иностранных языках.