新型塔式立体微藻养殖反应器的流体力学和传质性能研究

2019年2月m i tJournal of Green Science and Technology第4期新型塔式立体微藻养殖反应器的流体力学和传质性能研究褚嘉易S史伟伟2,乔英云3(1.青岛经济技术开发区第一中学，山东青岛266000;2.青岛环海石油化工科技开发有限公司，山东青岛266000;3.中国石油大学（华东）重质油国家重点实验室，山东青岛266000)摘要：针对现有微藻养殖反应器培养密度低、设备处理能力小、占地面积大、效率低，难以适应工业C02排放的大规模连续固定和工业化生产需求的现状，研发了一种新型塔式立体微藻养殖反应器，通过流体力学和传质性能实验表明，新型塔式立体微藻养殖反应器具有板面液层高、气体通量大、液体停留时间长、传质效率高、操作弹性大、板压降低、容易解析出藻类释放的氧气等优点，可以实现微藻养殖和工业C02减排偶联，满足c o2的大规模立体连续化固定和能源化利用需求，对于实现c o2减排与资源化利用、解决能源紧缺具有双层意义。

关键词：立体微藻养殖反应器；流体力学；传质性能中图分类号：Q949 文献标识码：A文章编号：1674-9944(2019)4-0166-051引言由于全球变暖和资源短缺，c o2的减排与资源化利 用正成为21世纪最为重要的环境和能源问题之一。

自2〇〇7年中国C02排放量达460亿t,占全球排放的 21%，超过美国成为世界上与能源相关C02排放的第 一大国中国的二氧化碳减排压力巨大，任重道远。

在人类排放的c o2中，燃煤电厂是最大最集中的C02排放源，排放量约占世界的40%和我国的50%，因此，进行燃煤电厂烟气的C02捕集是大规模减排c o2的最 直接有效的手段，还能将c o2资源化利用[1]。

生物固碳是地球上最主要和最有效的固碳方式，在 碳循环中起决定作用，利用微藻固定C02并通过生物 炼制制取生物油不但可以大规模减排C02[2],而且能将 c o2资源化得到液体燃料和化工产品，极具环境、能源 和资源的综合效应[3~5]。

而目前作为微藻生物固碳的 核心技术——微藻养殖反应器的研究主要是基于开放 池（如循环跑道池)[6’7]和封闭光生物反应器（如气升式 反应器、管式、板式、光导纤维光生物反应器等）开展 的[8’9]。

由于这些反应器微藻的培养密度低、设备处理 能力小、占地面积大、气体一次通过造成效率低，难以适 应工业C02排放的大规模连续固定和工业化生产[1°]。

笔者针对现有微藻养殖反应器的不足，研发了一种 新型塔式立体微藻养殖反应器，并进行了流体力学和传 质性能实验，确定了其适宜的操作条件，为将微藻养殖 和电厂C02减排偶联，实现C02的大规模立体连续化 固定确定基础数据。

2塔式立体微藻养殖反应器的结构特性和操作原理塔式立体微藻养殖反应器是一种新型高效的光生 物反应器，其结构特点为：在塔板上开有圆形孔，圆形孔 上焊接20〜50 cm高的圆锥形升气孔，升气孔外侧固定 带有筛孔的圆锥形帽罩，帽罩上方带有分离板，帽罩与 板面留有10〜30 m m的缝隙。

塔壁周围与板面垂直布 置若干LED灯光源，为微藻生长提供光照。

塔式光生 物反应器结构如图1所示。

操作时，烟气自升气孔从下层塔板进人上层塔板，微藻液在气体抽吸和板上液层压力的作用下，进人帽罩 内，被烟气携带、提升、细化、碰顶后折回，从气液分离孔收稿日期：2019-01-03作者简介:褚嘉易（2001—），男，青岛经济技术开发区第一中学学生。

通讯作者:史伟伟（1984—），男，高级工程师，研究方向为石油与天然气加工。

褚嘉易，等：新型塔式立体微藻养殖反应器的流体力学和传质性能研究生物与化工喷出帽罩外。

在这个过程中，烟气中的被二氧化碳被微 藻液吸收的同时微藻产生的氧气析出，然后进人上层塔 板;微藻液落回到板面上，其中的大部分重新循环回帽 罩内进行传质反应，以保障液体在塔内的长停留时间，满足微藻生长的需要;小部分微藻液沿降液管进人下层 塔板继续进行传质反应。

最终被吸收固定二氧化碳后 的烟气从塔顶离开，固定二氧化碳的微藻液从塔底排 出，生长较大的微藻被分离出作为能源利用，较小的微 藻循环回塔内重新进行二氧化碳的固定反应[11]。

在塔式立体微藻养殖反应器中，气液经过充分接触 后，可以大幅度提高二氧化碳在培养液中的溶解度和光 合作用生成氧的析出度，促进藻类对二氧化碳的固定，从而促进藻类的生长，达到二氧化碳减排的目的。

气体 不断从塔板上传质后进人上层空间，把藻类释放的氧气 从体系中不断连续排出，也促进了藻类的生长。

另外采 用塔式培养，打破了传统的传质区域为平面形式的限 制，将普通两维养殖变为三维，将气液传质区域从板面 发展到罩内、罩顶的立体空间，塔内空间利用充分，气相 分布更加均勻、传质更充分，并可以通过塔板数的设计 来调节培养时间，具有塔板上液层高、通量大、液体停留 时间长、板效率高、操作弹性大、板压降低、容易解析出 藻类释放的氧气等优点[22]。

3塔式立体微藻养殖反应器的流体力学 和传质性能实验3.1实验装置及流程在直径240 m m的圆形有机玻璃装置上进行塔式 立体微藻养殖反应器的流体力学和传质性能测定实验[22]。

该装置分为三段，气体分布板、实验板和雾沫夹带 捕集板自下而上布置。

气体分布板上布置了若干圆形 升气筒，升气筒上装载伞形帽，使上升的气流分布更均 勻，同时防止泄露液进人气体通道；自试验板泄露的液 体落到气体分布板上收集起来，进行漏液量测量，因此 它还是一块泄露液收集板。

实验板进行流体力学和传 质性能测试;雾沫夹带捕集板上装有规整填料，目的是 将气体夹带上来的液滴收集起来测量雾沫夹带量。

除 此之外，还有水泵、风机、微藻池等辅助设施。

实验流程见图2。

空气或空气、二氧化碳混合气体由风机输送至玻璃 转子流量计计量后送人塔底；高位槽的水由玻璃转子流 量计计量后通过雾化喷头喷洒到试验板上，与气体在实 验板上的帽罩内外进行接触传质后流到塔釜，经过安在 塔釜的U形液封装置循环回水池；被气体夹带的少量 水在捕雾段收集后作为雾沫夹带量计量。

3.2试验方法和实验条件实验条件见表1。

塔式立体微藻养殖反应器的塔板压降、雾沫夹带和 漏液等流体力学性能采用空气一水系统进行测试，塔板 效率采用〇2—空气一水系统进行测试，以确定塔的适 宜操作范围。

并在上述基础上采用c o2_空气一水系 统，模拟烟气组成，在不养藻的情况下考察水对混合气体中c o2的吸收效率，为塔式微藻法生物养殖的中试 实验奠定基础。

1一风机；2—C02气瓶；3—气体流量计4一气体分布版与取样板;5—塔式立体微藻养殖反应器;6—雾沫夹带收集板；7— U形压差计;8—低位水池；9一潜水泵；10—高位水池；11一氧气瓶；12—溶氧塔;13—液体流量计图2试验装置流程表1实验条件介质空气一水，〇2 —空气一水，C〇2—空气一水阀型高液体停留时间立体塔板板间距Ht/mm700出口堰高Hw/mm25,47开孔率$/% 3. 76入口氧浓度X A A m g/L)18〜22二氧化碳浓度/%6〜17空塔气速W kA m/s)0.37〜4. 2液流强度L/(m3/m-h)9.09,18.2,27.3,36.4,45.5塔板压降采用U形管压差计测量，水中氧含量通 过碘量法测得，C02的吸收量采用N aO H中合法测定，风量采用文氏流量计测量，液体流量采用转子流量计 测量。

3.3实验结果与讨论3.3.1 塔板压降塔板压降包括干板压降和湿板压降[12]。

干板压 降，仅与板上升气孔结构和帽罩结构有关，反映了反应 器的结构阻力性能[13]。

湿板压降是反应器内有液体存 在时气（汽）流通过经液体润湿的开孔构件以及气流和 液体接触相互作用的压力损失之和，反映了塔板的操作 阻力性能[14]。

对于新型立体微藻养殖塔板，引起塔板 压降的主要原因有：塔板结构、气体提升液体与液体混 合、两相同时穿越气液分离孔时产生收缩、与孔壁的摩2019年2月绿色科技第4期—L -Z v O L ^h .m i )—，-丨，S <>〇Uh .m :i------L- !(>O O L /<h .rtk I图410 IS20 2i 30 3J J 'V iill-'af-' (ts.-'ill )不同操作条件下的雾沫夹带量由图4可看出，不同液流强度下，低气速操作塔内擦、离开罩筒时的扩张引起的压力损失等。

不同操作条 件下的干板压降和湿板压降如图3所示。

图3不同操作条件下的塔板压降对于微藻养殖，既要考虑溶氧脱碳，又要考虑对微 藻的破碎和破坏，微藻养殖的适宜操作范围为阀孔动能 因子为8〜16(m /s )/(kg /m 3)。

由图3可看出，液流强 度为0时的塔板压降即为干板压降，低阀孔动能因子 下，干板压降明显低于湿板压降，当阀孔动能因子超过 30后，干板压降与湿板压降几乎相当，这说明低气速下 湿板压降占决定因素，塔板结构对湿板压降的影响几乎 可以忽略，而高气速下干板压降上升为决定因素，塔板 结构决定了塔的总压降。

在液流强度相同的条件下，气 速增加，塔板压降随之增大;在阀孔动能因子相同的条 件下，液流强度增加，塔板压降也随之增加，高气速下更 加明显。

这是由于液流强度增加，板上清液层高度也随 之增加，进入帽罩的液体量增加，被气体破碎消耗的能 量也增加的缘故。

在微藻养殖阀孔动能因子为8〜16 (m /S V (kg /m 3)的适宜操作范围内，湿板压降随液流强 度和气速变化不大，比较平缓，大约在600〜800 Pa 。

3.3.2 雾沫夹带雾沫夹带决定了新型立体微藻养殖塔板的操作上 限，过多的雾沫夹带量会造成塔内液体的返混，减少传 质的推动力，降低传质效率，严重时甚至会造成淹 塔[15’161。

在塔板结构、板间距、溢流堰高度及流体物性 确定以后，气速和液流强度对雾沫夹带起决定性作用。

不同操作条件下的雾沫夹带情况见图4。

几乎无雾沫夹带；阀孔动能因子在15〜20(m /s )/(kg /m 3)范围内，雾沫夹带量平缓增加；阀孔动能因子大于 20(m /S )/(kg /m 3)后，雾沫夹带量急剧增加；较高气速 下，阀孔动能因子相同时，液流强度越大，雾沫夹带量越 多。

液流强度越大，其10%允许雾沫夹带上限对应的 阀孔动能因子则越小，液流强度200、400、800、1000 L / (h .m )对应的10%雾沫夹带上限分别为27、23、22和 21(m /s )/(kg /m 3)，这是因为液流强度增加时，板上清 液层高度也随之增加，帽罩液体提升量增加的缘故。

当 阀孔动能因子超过10%雾沫夹带上限以后，雾沫夹带 量将迅速升高，塔的操作平衡被破坏，造成淹塔。