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螺带式搅拌状态下木质纤维素预处理反应器的计算流体力学模拟与设计

张龙平  
【摘要】:预处理是木质纤维素原料的生物炼制过程中的关键环节。高固含量的干法稀酸预处理工艺极大地降低了水耗和能耗成本,是最具工业应用潜力的预处理技术之一。传统的预处理反应器往往缺乏有效的传热和传质混合,导致高固含量的预处理均一度差、抑制物的生成增加,影响了后续的酶水解和发酵过程。本文首先与在新20L螺带搅拌预处理反应器上进行了玉米秸秆原料的干法稀酸预处理实验,验证了螺带搅拌可以提高预处理效果。然后,建立了高固含量物系的表观粘度、有效剪切速率来表征流变性质的流变模型和测定方法,并测定了不同含水量和不同预处理时间的玉米秸秆物系的流变性质,结果表明物系呈现出剪切稀化的非牛顿流体特性,含水量增加和预处理时间的增加都增强了其剪切稀化性质。之后使用Solidworks、Ansys CFD和CFX等软件构建计算流体力学(CFD)模型,以搅拌功率和混合效率为指标,通过搅拌冷模实验在5L、50L和500L三个尺度搅拌反应器中验证了流变模型和CFD模型的适用性和准确性。最后将建立的CFD模型在2.5m3的螺带搅拌预处理反应器中进行了底部结构的设计与桨叶结构参数的优化,为螺带搅拌式搅拌的预处理反应器放大与设计提供了依据。


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