一种减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌装置及方法，罐体底部设有进料口，罐体上部设有出水口。在厌氧反应罐内设有搅拌轴，搅拌轴上设有桨叶，桨叶在高度上分层设计，层与层之间的间距相等；桨叶与搅拌轴倾斜角成45°安装，最下层的桨叶直径为厌氧反应罐内直径的3/4且高于厌氧反应罐进料口高度，其余桨叶直径相同且为最下层桨叶直径的一半，最上层桨叶低于厌氧反应罐出水口高度。本发明能够在短时间内使厌氧反应罐内的料液快速混合均匀，而且通过对桨叶的设计使得在较低的功率下能够使罐体内的混合液体混合达到几乎无死区的状态。
【专利说明】一种减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及厌氧反应罐厌氧消化处理技术，具体指一种减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌装置及方法，该技术能够在低能耗的情况下达到较好的混合效果，从而促进微生物厌氧消化，属于生物反应【技术领域】。
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【背景技术】
[0003]随着社会经济的发展，人们的物质生活水平日益提高，餐饮行业的食物浪费越来越严重，因而产生大量的厨余垃圾并需要处理。厨余垃圾的处理主要包括填埋、焚烧、回收作为堆肥或动物饲料和分解。城市中厨余垃圾一般采用厌氧消化罐进行厌氧消化处理，先将厨余垃圾过滤得到厨余污水，再将厨余污水引入厌氧消化罐，在搅拌作用下进行厌氧消化反应，清水由厌氧消化罐上部排出。但在厌氧消化罐中常常发生厌氧消化不均匀，存在死区问题，导致厌氧消化过程中死区沉淀逐渐增多，使得反应罐的处理效率逐渐变低。
[0004]对于处理反应器的死区问题已有较多研究。在生物反应器内，死角容积包括两部分:水力死区和生物死区。生物死区是微生物占据而造成的，水力死区由反应器构造设计造成。死区的存在使得反应器中污水的实际平均停留时间总是小于理论平均停留时间，容易造成反应器处理效果的下降，使出水恶化。死区的产生原因有很多。其中，水力死区主要由于进水口与出水口的位置引起的，如:上进上出、下进下出，进出水口都在同一侧罐壁上等都会引起水力死区，还有一种就是由于进水流量较小，而反应容积较大，从而导致水力停留时间增大引起的；对于生物死区而言，主要是由于微生物停留在反应器里面时间较长，因而逐渐富集引起，对于这类需要定期清洗和减少水力停留时间来解决。
[0005]现有死区应对技术大多采用定期冲洗、反冲洗，以及对流态的微调等。01dshue--J--Y总结出影响反应器中流体作用力的因素，这些因素包括挡板和搅拌桨、桨叶的几何形状、叶轮间距、进口流动、浸没深度、气体-固体的影响等。同时桨叶的安装方式也是影响因素之一，直入式和侧入式是目前较为普遍的两种桨叶安装方式。然而侧入式对于能耗的要求较高，从节能的角度，通过改善直入式搅拌设计参数，对于解决死区问题是一个新的思路。将釜式反应器和槽流式推流反应器搅拌方式相互结合，也是环境流体发展的一个突破口。
[0006]
【发明内容】
[0007]针对现有解决反应器死区技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌装置及方法，本方法可以在低能耗的情况下有效减少厌氧消化罐死区问题。
[0008]本发明的技术方案是这样实现的:
一种减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌装置，在厌氧反应罐内设有搅拌轴，搅拌轴上设有桨叶，厌氧反应罐的罐体为圆柱型，罐体底部设有进料口，罐体上部设有出水口。所述桨叶在高度上分层设计，层与层之间的间距相等；桨叶与搅拌轴倾斜角成45°安装，最下层的桨叶直径为厌氧反应罐内直径的3/4且高于厌氧反应罐进料口高度，其余桨叶直径相同且为最下层桨叶直径的一半，最上层桨叶低于厌氧反应罐出水口高度。
[0009]一种减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌方法，本方法采用上述搅拌装置，罐体采用自下而上的进料方式，使污水在重力作用下自然往下沉，由最下层的桨叶转动来增强底部扰动，促进料液的均匀混合，以防止下层的污水和沉淀在重力作用下下沉在周边带来的死区问题；
通过桨叶与搅拌轴成45度倾斜角，使底部的流体往上部进行推流，并与上部的液体达到较好的混合，最下层之上的桨叶加强这种推流作用；工作时罐体内的液体需要淹没最上层搅拌桨叶。
[0010]设计厌氧反应罐时，先采用数值模拟方法对厌氧反应罐建立数学模型，经过网格划分后，导入流体力学计算软件进行模拟分析，作为死区问题的评估依据，模拟结果采用流速流场以及湍流强度两种指标作为评估指标来进行分析判断，通过判断厌氧反应罐的流速分布以及湍流分布情况，来改善桨叶分层距离以及桨叶大小尺寸情况，并通过控制进料口流量来进一步提高混合效果。
[0011]本发明能够在短时间内使厌氧反应罐内的料液快速混合均匀，而且通过对桨叶的设计使得在较低的功率下能够使罐体内的混合液体混合达到几乎无死区的状态。
[0012]现有厌氧消化罐大多采用平直式桨叶，而平直桨叶主要特性是:在水流为低速时，以水平环流为主；在水流速度高速时为径流型，在大型厌氧消化罐对于死区的解决效果不理想。本发明通过对搅拌装置的桨叶的设计优化，桨叶为长方型的钢属性叶片，相对于平直式桨叶，将桨叶进行旋转45°，使其不仅具有平直桨叶在低速转速时的水平环流，与此同时，还具有向上推流的作用，所以能够在罐体中产生明显的旋流；同时桨叶分层构造，通过最底层的大桨叶与上层的小桨叶的协调作用，促进了水流的推流作用，强化了流体的紊流脉动，减少罐体死区的形成。
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【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1-本发明装置立体图。
[0015]图2-本发明装置正视图。
[0016]图3-本发明装置俯视图。
[0017]图4-本发明的装置在低转速下模拟的流速云图效果图(轴向和水平方向)。
[0018]图5-本发明的装置在低转速下模拟的湍流情况效果图(轴向和水平方向)。
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【具体实施方式】
[0020]本发明先对桨叶结构以及桨叶分层设计来增加流体流态变化，减少死区形成，再利用数值模拟技术对所设计的桨叶尺寸和桨叶分层效果等参数进行调整优化，以期达到理想的混合效果。
[0021]本发明减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌装置，厌氧反应罐的罐体为圆柱型，罐体底部设有进料口，罐体上部设有出水口。在厌氧反应罐内设有搅拌轴，搅拌轴上设有桨叶，所述桨叶在高度上分层设计，层与层之间的间距相等。桨叶与搅拌轴倾斜角成45°安装，最下层的桨叶直径为厌氧反应罐内直径的3/4且高于厌氧反应罐进料口高度，其余桨叶直径相同且为最下层桨叶直径的一半，最上层桨叶低于厌氧反应罐出水口高度。
[0022]作为一个具体实施例，所述罐体高为12m，内直径为8m ;桨叶由三层组成，桨叶之间的层距为3m，最下层的桨叶直径为6m，上面两层桨叶直径均为3m，宽为1.2m，桨叶与搅拌轴焊接在一起。
[0023]一种减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌方法，本方法采用上述搅拌装置，罐体采用自下而上的进料方式，使污水在重力作用下自然往下沉，由最下层的桨叶转动来增强底部扰动，促进料液的均匀混合，以防止下层的污水和沉淀在重力作用下下沉在周边带来的死区问题；
由于桨叶与搅拌轴成45度倾斜角，使底部的流体被桨叶往上部进行推流，并与上部的液体达到较好的混合，最下层之上的桨叶则加强这种推流作用；工作时罐体内的液体需要淹没最上层搅拌桨叶。污水从底部的进料口进入，厌氧消化后处理的水由上部排出。
[0024]由于最下面的桨叶直径较大，仅仅比罐体的直径较小，如此以来带来的大桨叶的桨叶面积也相当的大，在分层桨叶的设计中，如果都采用底层相同型号的大桨叶，会使由底部的进水通过第一层大桨叶得到流体的螺旋流，在上升的过程中遇到第二层大桨叶，由于大桨叶的面积较大，因此会阻挡底部上来的螺旋流，反而影响搅拌的效果，为了解决这个问题，因此本设计将原有底部大桨叶尺寸进行缩小，本模型采用最下层桨叶直径的一半，这样一来，底层上升的螺旋流在通过中层的桨叶，避免大桨叶阻挡影响混合，而且还能在中层小型搅拌桨叶的推动下，强化下面流体的螺旋流的紊流状态，还促使流体的水平环流，保证厌氧消化罐中部的搅拌效果。
[0025]然后对上述基本物理模型进行建模，采用数值模拟的方法对厌氧罐体建立数学模型，经过网格划分后，导入流体力学计算软件进行模拟分析，作为死区问题的评估依据，模拟结果采用流速流场以及湍流强度两种指标作为参考指标来进行分析判断，通过判断厌氧罐体的流速分布以及湍流分布情况，来改善桨叶分层距离以及桨叶大小尺寸情况，还可以通过(进料口)流量控制来达到较好的混合效果。
[0026]本发明可以较好的给厌氧消化反应罐内的流体混合情况提供罐体尺寸设计，为大型厌氧消化罐体的前期设计提供技术依据，进而降低设计成本，减少大型物理实验带来的经济成本和时间成本，同时能够更好地解决大型厌氧罐体的死区问题，也提高运行效率。
[0027]具体实施时，首先要对厌氧罐体型号(长、宽、高)以及进料口和出水口的位置尺寸有大致的了解，以及厌氧罐的气液比等属性的掌握，然后初步设计采用分层桨叶方式加强对整个厌氧罐体的紊流扰动，由于采用自下而上的进料方式，这样污水会因为重力的作用自然往下沉，因此最下层桨叶直径设计为罐体直径的3/4来增强底部扰动，促进料液的均匀混合，以防止下层的污染物在重力作用下下沉在周边带来的死区问题。
[0028]为了防止在重力的影响下引起混合不均匀，在中间和上层采用小桨叶起到推流作用，同时将桨叶都设置为与轴成45度倾斜角，底部的流体往上部进行推流，与上部的液体达到较好的混合。
[0029]然后对上述基本物理模型进行建模，采用数值模拟的方法对厌氧罐体建立数学模型，经过网格划分导入计算流体力学商业软件，然后在CFD软件中进行模拟分析，通过分析罐体流场的分布和湍流强度分布，来进一步调整参数设计。
[0030]以上所述只是本发明的常规的实施方法，对于该技术实施可以在模拟的结果基础上，调整桨叶大小和分层桨叶直接距离，来实现不同尺寸物理模型中的最好的模型参数，这种技术方法在不同的大型厌氧氧罐体具有较高的普遍实用价值。
[0031]本发明能够在低能耗的情况下达到较好的混合效果，从而促进微生物厌氧消化。通过计算模拟来确定分层桨叶的安装距离以及对桨叶的尺寸大小进行掌控来改善混合效果，为厌氧消化提供了一种高效节能的快速混合技术。本发明能节约罐体设计的经济成本，提高厌氧消化罐的运行效率和缩减调试周期。
[0032]最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管 申请人:参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，只要不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌装置，在厌氧反应罐内设有搅拌轴，搅拌轴上设有桨叶，厌氧反应罐的罐体为圆柱型，罐体底部设有进料口，罐体上部设有出水口，其特征在于:所述桨叶在高度上分层设计，层与层之间的间距相等；桨叶与搅拌轴倾斜角成45°安装，最下层的桨叶直径为厌氧反应罐内直径的3/4且高于厌氧反应罐进料口高度，其余桨叶直径相同且为最下层桨叶直径的一半，最上层桨叶低于厌氧反应罐出水口高度。
2.根据权利要求1所述的减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌装置，其特征在于:所述罐体高为12m，内直径为Sm ;所述桨叶由三层组成，桨叶之间层距为3m，最下层的桨叶直径为6m，上面两层桨叶直径均为3m，桨叶与搅拌轴焊接在一起。
3.一种减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌方法，其特征在于:本方法采用权利要求1或2所述的搅拌装置，罐体采用自下而上的进料方式，使污水在重力作用下自然往下沉，由最下层的桨叶转动来增强底部扰动，促进料液的均匀混合，以防止下层的污水和沉淀在重力作用下下沉在周边带来的死区问题； 通过桨叶与搅拌轴成45度倾斜角，使底部的流体往上部进行推流，并与上部的液体达到较好的混合，最下层之上的桨叶加强这种推流作用；工作时罐体内的液体需要淹没最上层搅拌桨叶。
4.根据权利要求3所述的减少厌氧反应罐死区的快速混合搅拌方法，其特征在于:设计厌氧反应罐时，先采用数值模拟方法对厌氧反应罐建立数学模型，经过网格划分后，导入流体力学计算软件进行模拟分析，作为死区问题的评估依据，模拟结果采用流速流场以及湍流强度两种指标作为评估指标来进行分析判断，通过判断厌氧反应罐的流速分布以及湍流分布情况，来改善桨叶分层距离以及桨叶大小尺寸情况，并通过控制进料口流量来进一步提1?混合效果。
【文档编号】C02F3/28GK104162377SQ201410355499
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】安强, 舒鑫, 彭绪亚, 赵彬, 於阳, 翟午琛, 王沙, 黄宁秋 申请人:重庆大学