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伞形
曝气机
有限元分析
优化
设计
- 资源描述：
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倒伞型曝气机有限元分析及优化设计
摘要：研究污水处理设备强度优化问题,倒伞型曝气机是污水生物处理技术中的关键设备,具有充氧、搅拌和推流等作用。搅拌叶轮的设计和优化对其最主要的性能指标充氧动力效率至为关键。在研究曝气机充氧机理的基础上,对曝气机的叶片进行了实体建模、有限元分析和优化设计。首先利用ANSYS平台对叶片工作过程进行了研究,通过实体建模、网格划分和有限元分析等过程,对曝气机搅拌叶片在工作状态的应力应变情况进行了有限元仿真分析。仿真结果明确了叶片的薄弱环节,并为进行优化和改良结构,为产品的生产设计提供了研究依据。
关键词:倒伞曝气机;有限元分析;优化设计
- 内容简介：
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1 组装的多相生物反应器在实验室示范 :研究 氧气 在活性 污泥 的转化 效率 摘要 ： 一个凸显经济因素的简单的实验装置已经装配在真正 重要 的化学工程问题。研究了多相反应器是一种活性污泥反应器。目的是提升学生 对 多相反应器的理解 ,氧化废水、固体细菌群体所蕴含有机质和氮基板 ,在这种类型的反应堆 可转换为人类所需要的氧气。 气体弥散的一个因素的重要性在操作性能和本 ,盖每个多相工作在这里 ,学生确定这一因素的影响 ,在装配在考虑能源消耗 (经济成本 )的类型取决于使用都和操作条件下曝气器对于一个给定的曝气器提出了一个理 论模型 ,从而使得该解释结果基于如下假设 ,即气体吸收和生物化学反应的限制措施。适合做这试验数据的参数模型 ,并进行了比较 ,得到了允许每个类型的曝气器的行为 ,同时也提供一个理解的过程。 简介 ： 多相反应器的类型包括浆 ,滴流床、生物反应器 ,在这些系统中 ,反应气体与液体或气体的阶段发生在一个固体催化剂表面或表面的细菌组被称为生物絮状沉淀。多相反应器在两个或者更多的阶段是很有必要的 ,可以进行反应 。 活 性污泥工艺 (一个典型的例子 ,对这类系统 ,它是最主要的生物过程发生在二次废水处理方法。在这个过程中 ,微生物氧 化有机碳氮 (化需氧量 )和总氮 )基体中包含 水和用能量获得过程中形成新的微生物。同每一个多相反应器 ,在 件之间转移 (氧转移 )注入气泡 (空气 )和固相 (生物 至关重要的一个因素。因此 ,这个参数 ,极大地影响了工艺性能和运行费用 1,而且目前其最大化是一个研究领域的主要兴趣。 一个 必须 的过程中使用的多相反应器的研究 氧气 )的消耗速度是常数和数学程序 ,用于描述的过程中 ,能够简化。如前所述 ,活性污泥可以使用氧气氧化氮 有机质或 括死的微生物。这个过程叫做 “ 内源呼吸。由于微生物浓度的污泥是非常高的 ,它可以被认定在 转化率是不变的， 这个事实意味着 ,当没有 特殊的渠道， 氧速率也不变。 2 氧气供给反应堆和散布到液 体 使用的曝气设备。通常使用 三种曝气步骤 : 一 )机械表面 充气器 。这些系统使用叶片的表面 ,搅拌反应器和分散空气进入液 体阶段 、生产表层和次表层的湍流 (图 1)。 二） 曝气系统。这些增氧机使用注射系统内的空气压缩机的粗、细气泡的形式 (氧气或空气 )在液体表面。这些多孔泡沫是获得使用穿孔管及其他类似的系统 (图 2)。 三） 喷射充 气器 。这些系统结合空气扩散与液体抽送。泵站系统使混合相 (废水生物通过喷嘴总成。吸 (或 )空气压缩机介绍空气进入系统 (图 3)。 实验 该系统由一个多批曝气生物反应器的混合和不同的元素 ,这是一起使用的各种测量装置。实验的建立是显示在图 4。 这个生物反应器由一个圆柱形罐做成的 400径及高度 ),这是充满了活性污泥。这酒可以获得 (游离） 从任何污水处理厂。可进行试验研究两小时左右的时间运用一种活性污泥浓度 (以总悬浮固体物 )的距离接近 3000毫克 /升。的浓度污水处理厂活性污泥中典型 的范围很广 ,从 1000 5000毫克 /升 )的总悬浮固体物。因为这个原因 ,污泥用于组装可能需要被稀释 (与废水处理 )或浓了沉淀及清除的澄清区 )终于到达预期的浓度。此外 ,含活性污泥很快安顿 ,为了维护中微生物的悬架 ,同时减少大气中的氧转移反应器表面 ,水下的离心泵泵头 最大流量 :400 L / h)作为一种 搅拌器。 三种 表面 曝气器检验装配 一个 拟曝气器 (300到 3000股时每分钟转速 )搅拌 3 (000年 )。得到了该风口增氧机 ,是通过将一 渔 业压缩机 (最大压力 :最大流量 : /分钟在标准条件下 ),一套管和 2 (直径 )和一些扩压器的石头上。在模拟 射 流曝气器使用液下泵连接到一根管子。 图一 表面曝气器 的增氧原理 4 图二 扩压曝气器 的增氧原理 两个测量装置是用来获取实验数据进行了分析。一个氧仪表用于测量溶解氧浓度 (黄色 ),并包括一个 爆炸 这是一种电学为测量装置能耗 ,详细描述这个装置 ,随着总是 提 出了一种支持指令物质作为一个微 件。 图三 喷 流曝气器 的增氧原理 5 图四 叶 片的实验装置 理论依据 一般来说 ,反应进行多相流反应器包括几个步骤。例如 ,在泥浆反应器在多相流动反应器(反应物气体发泡通过溶液含固体催化剂颗粒 )的存在五个步骤 2: 五个步骤 2: 1。从气 体阶段 吸附进入液 体 的 泡沫表面。 2。液相扩散的从泡面大部分的液体。 3。从散装液体扩散 的外部表面固体催化剂。 4。内部扩散反应物多孔催化剂。 5。在多孔催化剂 内部 的反应。 6 每一步都可能被认为是反应整体速率一个阻力的的速度 ,所以 ,每一步都应该被人知道的为了模型反应器。多相反应器一个数学模型通常都相当复杂 ,因此要制造一个困难的一种实用的多相反应器实验室。所示的介绍中 ,一种很好的选择用于学术用途是考虑多相生物反应器。这些系统还相当类似 ,除了浆反应器固体颗粒是由微生物而不是固体催化剂颗粒。在多相生物反应 ,可能很危险认为 ,在外部物质的传输的氧 (和对固体表面工件不重要 ,因为 生物 )的浓度非常 高。 此外 ,内部物质的传输效果是可以忽略不计的 ， 因为反应主要在 液体 表面。 根据 俐。 3、控制中的关键环节活性污泥工艺是氧气吸收进入的速度液相色谱与生化反应速率。为了氧气吸收的过程模型率 (资产 ),(t) 证明用于表达 : 表一 :实验进度 实验型曝气器的操作条件 1 表面曝气器转速 :1300每分钟转速 2 表面曝气器转速 :800每分钟转速 3 曝气增氧机粗气泡。 最大空气流动速度 4 曝气 增氧机细气泡。最大空气流动速度 在这个方程式中 , 传递系数质量和 价值取决于类型的曝气器和上了过程操作条件下 , 浓度在实验的条件是氧饱和度 (这个因素取决于进行浓度的污泥 ,介质的盐 7 度、温度、压力等 )。在这个参数实验的价值是假定常数。 这 生化反应速率 可以获得 ()加 快 耗氧速率由于微生物 (内源性衰变过程 )基板的氧化率 考虑到这一事实 ,正如前文所述 ,两者都做外部和内部质是可以忽略不计 ,整体 对一批质量平衡混合生物反应器可发展为 3中显示的情商 。 在这样 的情形不是 更多 外部基质 这个词 可以假设为零。此外 ,由于内源性衰变率也可以假定固定的时间区间应用 (3至 4小时 ),它可以假定数值的 是不变的。因此 ,即可简化的 。 该方程用于描述动态的变化研究了溶氧浓度的时候肖兰的性能。当整个曝气器是不工作 ,氧气吸收速率接近于零 ,因为 是 从大气中最小量是通过混合系统 ,其效果是考虑的术语 这 术语 将氧传质。一个用一个类似的意义参数 (尽管学生更容易理解 )是标准的氧化能力 (其定义是由 8 这个参数 ,给出了最大氧转移率 ( s)为给定类型的曝气器和操作条件。系统的效率是由一种曝气器 ,在 W 是电源消耗 (在瓦 )。 操作规程 第 一 部分。测定微生物的呼吸率 。 把油箱灌满与活性污泥 (这很容易获得任何城市污水厂 )。打开压缩机和保持直到氧曝气饱和度是取得了 (7到 8毫克 /升 )。关掉压缩机混合使用和维护的液泵。氧气浓度会降低到零。 (在进行测量时间间隔 1分钟 )的溶解氧的随时间变化 ,直到要么是浓度为 1至 2毫克 /升 )达到或者最大实验时间已被用完 ,但 10分钟。这些数据将后来的研究中使用该系统。 第二部分。测定不同 充气机 的效率 。 在这一阶段的效率 ,不同 充气机 在不同的条件下 ,进行了研究。关掉任何曝气混合系统和维护使用液下泵。允许系统达到氧浓度约为 6毫克 /升。开关 充气机 (之一的操作条件其中显示于表格 1)和测量氧气在浓度随时间变化的时间间隔 (5秒 ),直到稳态条件表达式。测量功率的消耗。这些数据应该被保存以供将来使用。重复这个过程为每个曝气器系统。我们建议实验时间表表 1规定的数值被执行。 注意安全！ 活性 污泥法可以包含一些病原微生物 ;因此 ,我们建议使用乳液或其他塑料手套 ,避免卫生问题。污泥用于会众可以被处理的实验室中沉没。这些按照建议预防措施提出了建议以水环境联合会杯 4,一个著名的 作家 ,作品在国内外废水处理领域的权威 。不过 ,我们已经用了四年与这个大会超过 100名学生 ,并且在这段经历 ,我们也没有有经验的任何问题。 实验计算 9 效率确定每种类型的曝气器和操作条件的影响。计算是使用微软 件进行试算表 (如果在 。详细描述的使用这个电子表格的试验计算也是提供的证明材料 (微软 件 ) 在本质上 ,计算过程包括评估参数的质量平衡 (微分 及 5)拟合实验实测得到的装配这些方程式。利用微分方程进行了求解欧拉一阶连续属性离散化方法 (见附件 ), 表 2。实验数据得到的实验 (立即给予例子 )。第 1部分 :测定微生物的呼吸率 表 3。实验数据得到的实验 (立即给予例子 )。第二部分 :测定的 10 图 5。模拟实验与溶解氧数学拟合浓度之前。给出了实验数据 表 2。猜测值的 于仿真是 升 s。 该算法是很容易实现在一个工作表。一个最小二乘 回归方法是用于调整价值参数。在该方法中 ,误差的平方之和 (社经地位 ,)功能 (),仿真和实验进行了比较价值观的溶解氧浓度、最小量是通过改变参数 / s 调整一下。 作为一个例子 ,表 2和 3显示一些实验数据在实验室获得一个先前的实验。 图 6。实验与 解氧 出了实验数据 表 2。计算值 克 /升 )是 s。 11 在 从数据中可以计算出在表 2(哪个对应于第 1 部分的操作程序 )和均衡 5。在要实现这 一计算 ,学生必须设一个初始任意值 （一个值接近 是 )使用了优化算法来确定的正确的价值 (后 计算的值 升 )得到s)。 5和 6显示数据实验结果与模拟数据随时间变化 ,两者之前之后 ,也就是由社经地位的最小化。它可以被观察到模型是非常敏感的 ,因为大这个参数当使用差异可以观察到一个错误的值的 此外 可以看出 ,正确的使用价值 导致两组数据匹配伟大的搜索性能 ,提出了一种情况 ,表明了适用性假设所用的模型中所描述的理论基础部分。 为了确定的值 和 为每个曝气器系统中 ,数据来自于表 3(对应于那些在第二部分获得的操作程序 )、 得的价值 学生必须使用这必须值 和 系统的曝气器 (价值观的 毫克 /升 )是代表两个 ),使用的参数 ,分别优化求解算法确定正确的价值观 (后这两个参数应用该算法 ,s 值 1和 升 )获得随访 , 和 分别 )。数字第 7和第 8代表将实验结果与模拟数据随时间 ,两者分别之前和之后的 () 应用的优化步骤。它可以被观察到模型是非常敏感的参数值 ,所述以上时 ,使用正确的价值取向对每个参数提供了一个准确的数据匹配。再一次地 ,这个论证了该模型的适用 性假设中所讨论的理论基础部分。 12 图 7 出了实验数据见表 3。猜测用于仿真是 升 )的 s。猜测 用于仿真 :8毫克 /升 图 8 模拟实验和数学拟合后的溶解氧浓度。计算 的值是 s. ，计算的值是 . 13 各种类型增氧机 图 9 一旦形参的值 ,计算了该增氧机、价值 运用 以计算出第 6和第 7条。 本程序为每个曝气器必须重复直到数学处理的数据是完整的 获得的价值 必须相似为所有的实验都不管增氧机使用的类型。图 9所示为例 ,所得结果对不同曝气器系统用于我们的实验装置。 结论 在这里我们描述了一个简单的装置 ,研究了天然气的色散对影响生物反应器的性能 ,已被多相聚集在我们的机构。学生的理解来解释多相反应器 ,以前的课堂教学中 ,增加是因为这些简单的实验。学生的目标是评价哪一个是最有效的在中控室内把氧气运送到系统。为了实现这个目标 ,学生必须监督溶解氧随时间 ,合适的结果数据到一个报道的数学模型。分析的结果数据将 允许的确定价值的效率 (定义为标准的氧化能力每瓦特的功率消耗 )的每一曝气器系统。 术语 溶解氧浓度在时间 t。 14 氧饱和浓度 质量传递系数 氧气吸收速度 净生化反应速率 由于微生物耗氧速率的死亡 由于耗氧速率的氧化作用的 基体上 。 总和平方误差 。 氧化能力标准 V 反应器容量 W 能量功耗 曝气器系统的效率 附录 行了分析计算的目的 ,3号和 4号必须由欧拉方程离散一阶的方法
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