水动力行为的模拟和混合模式在管状MFC反应堆

Anantha Moorthy。你1,K。Radhika2, Sangeetha Anand3

打开学生,Dr.M.G土木工程学系。钦奈R教育研究院大学Tamilnadu India1
土木工程学系副教授Dr.M.G。钦奈R教育研究院大学Tamilnadu India2
机械和工业工程系,喀里多尼亚大学的工程,格拉斯哥喀里多尼亚大学Oman3阿曼

文摘

文摘:成本高效、经济的治疗方法的需要小时在污水处理行业。可以满足两个标准的有效治疗方法“微生物燃料电池”,能够将生物质底物转化为电能。本文努力被送往选择反应堆配置为单室膜少是至关重要的MFC有效地执行。两个反应堆的管状配置选择在这个项目中,一个与活性炭媒体和另一个没有媒体。反应器中的流型和混合行为进行分析的示踪剂测试使用氯化钠和KMnO4作为示踪剂。氯化钠测量电导率和KMnO4估计的流量采用示踪剂测试。KMnO4示踪试验进行确定的存在死区内部的核反应堆。生理盐水示踪剂测试得到的结果绘制的RTD曲线之间的导电性和时间。回归值和沛克莱数从图决定之间的模式获得再生能源(平推流反应器)或装运箱流态。

关键字

示踪剂研究中,流量优化、微生物燃料电池,管式反应器,RTD曲线,导电性。

介绍

技术被称为微生物燃料电池(mfc电池),将能量储存在有机化合物的化学键电能通过催化反应的微生物产生了相当大的兴趣在学术研究人员近年来[11]。对任何治疗过程必要的组件来决定它的效率是反应堆的配置。反应堆发挥重要作用在治疗过程的最大有效水平。反应堆应该可靠,适合一个过程在一个环境安全的和成本有效的方式。设计一个反应堆的主要原因是获得理想条件分析反应器处理废水的性能。最好的方法来评估一个反应堆的水力性能测量是利用染料和示踪剂的停留时间分布曲线。示踪剂测试反应堆可以由注入示踪剂影响蛞蝓输入或阶跃输入结束。到达时间的示踪剂在废水级别是由收集示踪剂的一系列样品经过一段时间。示踪剂的各种类型通常用于评估的水力性能用于废水处理反应器。示踪响应曲线C曲线(浓度和时间)获得和反应堆的水动力特性分析[10]。真正的不完全混合流反应器展览行为之间是平推流和完全混合政权。 The reactor flow behaviour is a function of the relative strength of the mixing process (or dispersion) compared to the advective flow. Single chambered microbial fuel cell with tubular reactor configuration can be analysed through the one dimensional problem. But the dispersion problems are three dimensional, as the dispersion coefficient varies with the direction and the degree of turbulence. Considering the equation of molecular diffusion, the transfer of mass by diffusion in stationary system can be represented as follows:

方程(1)中的负号表示,发生扩散的方向降低浓度扩散的菲克第一定律描述。同样在湍流条件下没有流量,传输质量带来的“动荡或涡流扩散”。在这种情况下,分子扩散项Dm被湍流扩散项德。在湍流条件下,示踪剂是由色散引起的纵向传播,测量扩散系数D D是一个包容性的术语包括平流引起的色散的影响(即。流体速度、运输造成的差异),动荡的漩涡和分子扩散。而分子扩散的大小取决于化学和流体性质,湍流或涡流扩散和色散主要依赖于流态。在文献回顾,发现方程2代表纵向色散的沛克莱数。它是用Pe。Pe = uL / D(2)沛克莱数代表的比例带来的质量输运平流和分散。如果沛克莱数大于1,平流的主导因素是大众交通工具。如果沛克莱数小于1,分散的主导因素是大众运输[8]。基于文献很明显,示踪剂应该易于处理和识别有效即使注射进原料流。 In this paper attempt was taken to conduct the tracer test in an optimized flow rate condition and to identify the effective concentration of the tracer at which the designed reactor might perform to higher level.

二世。材料和方法

本文尝试被理解过程负责衬底的分布没有膜单室微生物燃料并确定反应器的流体力学行为存在的媒体,没有包装。两个管状mfc电池被用于这项研究中,一个没有包装媒体活性炭和另一个媒体。示踪剂测试进行了使用生理盐水于管式反应器进行识别存在的死区和优化流量。生理盐水示踪剂进行了测试在反应堆和使用数字电导仪测量的导电性。由于反应堆管和水平剖面被认为有理想活塞流轴向色散。理想的反应堆的水动力特征可以通过考虑分散到模仿在文献[10]解释道。

三世。反应堆的设计和实验设置

单室微生物燃料电池构造成水平管式反应器丙烯材料制成的。的反应堆是15厘米的长度与直径4厘米丙烯酸管和密封2.5厘米厚丙烯酸块使用橡胶桨。根据一些文献,反应器设计为管状和水平流部分。设计规范提供的核反应堆都在表i提出了MFC管式反应器的设计由3抽样港口和包装媒体组成的玻璃棉和活性炭。由于并发症在反应堆媒体包装活性炭层就放置在反应堆大约3厘米厚。4/8的活性炭使用网格大小与碘值550,由椰子方面。充电孔提供了填补之间的活性炭多孔丙烯酸环。

唯一有房间的MFC反应堆建立示踪剂测试在一个连续的模式进行示踪研究。最初,示踪剂储罐连接到1升的自来水不断。示踪剂注入在入口管使用10毫升注射器在每次运行的开始。样品收集使用50毫升烧杯定期的时间。图1 a和1 b显示了示踪剂测试反应堆设置。

四、示踪剂的选择和操作参数

这次调查的路径选择是氯化钠(氯化钠)和KMnO4(高锰酸钾)。KMnO4用于优化流量进行示踪剂测试反应堆和反应堆内检测死区可用性。流量优化是由利用KMnO4示踪剂浓度为5%按重量(5 KMnO4通用的100毫升蒸馏水)。示踪剂的解决方案是使用10毫升注射器和注射流率变化形式10毫升/分钟,20毫升/分钟,40毫升/分钟。本文进行了示踪剂测试通过蛞蝓输入法。10毫升的示踪剂注入通过污水入口使用10毫升注射器。示踪剂测试进行了自来水和反应堆是美联储从1升存储玻璃容器连接到反应堆使用合成橡胶管。最初,之前与氯化钠进行示踪试验,优化流量进行了使用5%浓度的KMnO4在100毫升蒸馏水(5克)。流量优化做了三个不同流速与示踪剂浓度相同。流量是合理的和优化后,示踪剂测试分析MFC反应堆的水动力和混合特性进行了使用三种不同浓度的氯化钠。 NaCl concentrations were taken by 5%, 10% and 15% concentration by weight (5, 10, 15 grams in 100 ml of distilled water). The tracer NaCl is measured as Electrical conductivity measures in micro Siemens using ELICO cm 183EC-TDS Analyser and the procedure was followed from the APHA manual [2]

诉结果与讨论

分析了实验后安排了两个核反应堆,第一MFC反应堆与媒体和包装后,反应堆没有媒体。因为它是水平轴的管式反应器,反应器的进口和出口被放置在反应堆上的一面。自来水都是连续存储的容器和流量调整使用螺丝夹放在油管。一旦所有的安排,KMnO4示踪剂制备和10毫升注射器,准备拍摄的注入。一旦流是由连续的示踪剂注入反应堆10毫升/分钟作为初始流量。由于反应堆的相对体积小、示踪剂达到出口在分数秒结束。活性炭媒体反应堆的存在降低了内部混合指示剂的自来水。因为流量太缓慢,示踪剂被困在进口一段时间然后通过媒体表示流动达到另一个隔间。同样的步骤之后流量20毫升/分钟和40米/分钟。KMnO4的捕获是在示踪研究发现在反应堆与媒体流率1毫升/分钟和20毫升/分钟,而在40毫升/分钟没有发现捕获和示踪剂通过反应堆没有任何干扰。 Figure 2a and 2b shows the flow pattern of tracer inside the MFC reactor with packed media. Since there was a packed media, the tracer as it entered into the reactor was not dispersed immediately, it was observed that the tracer was stagnated in the inlet and slowly penetrated through the media. The tracer passed out of the reactor without any dead zone at all the flow rates adopted

一旦上述测试,流量确定反应堆没有媒体进行了使用相同的5%的示踪剂浓度与流速相同。但在这种情况下,因为没有了媒体在反应堆死区被认为在反应堆操作流速的10毫升/分钟和20毫升/分钟。表2显示了时间的示踪剂通过的两个核反应堆。从表中,这是明确表示,所采取的时间示踪剂通过的反应堆和增加流量减少。结果40毫升/分钟的流量乘以12分钟的示踪剂完全通过的反应堆。

同样,图3 a和b显示了死区可用性和消失的死区与流量的增加。在比较这两个反应堆的结果,40毫升/分钟被发现适当的流量是适合进行示踪剂测试分析水动力和混合模式的反应堆。因此两个反应器的优化流量被发现是基于时间40毫升/分钟的示踪剂(KMnO4)离开反应堆和死区删除在测试期间。

水动力行为和混合模式分析:

流量优化后,40毫升/分钟是合理的和示踪剂测试使用氯化钠被启动。示踪剂测试使用生理盐水是由三种不同浓度的5%,10%,15%是如上所述。示踪剂的浓度是用10毫升注射器注入在每次运行。Run1, Run2 Run3分别进行了两个核反应堆,在Run1示踪剂浓度为5%,在Run3 Run2示踪剂浓度10%和15%浓度的反应堆。每次运行前,导示踪剂浓度的测量和记录。电导率的自来水也改在测试前进行。获取样本进行的30秒间隔和EC阅读记录在微西门子。完成后的每次运行的反应堆,计算了基于活塞流的假设与轴向扩散模型和沛克莱数,标准差和平均测定。基于获得导电性阅读获得的图形绘制所有运行进行导电性与时间之间的两个核反应堆。选择的最佳运行回归值获得的图。 These plots are so called the RTD curves (Residence time distribution curves). Figure 4, shows the conductivity versus time plot for Run1 in reactor with packed media. It has the regression value of 0.704 for the tracer test with NaCl of 5% concentration conducted at the optimized flow rate of 40ml/minute.

图5显示了电导率与时间情节Run2在反应堆媒体包装。它的回归值0.6678与10%的氯化钠浓度进行了示踪剂测试40毫升/分钟的流量优化。

分析的基础上的RTD曲线绘制反应堆在相似的操作条件导致反应堆与媒体的低Run1回归值最高为0.7074,而反应堆没有包装媒体显示Run2回归0.8999最大的价值。沛克莱数相应的运行的反应堆没有媒体上面提到的是1.36,2.269和3.426,这意味着反应堆的主导因素是平流过程负责大规模运输。但在Run3反应堆与媒体,沛克莱数低于1,这意味着分散发生纵向,在反应堆运行期间被报道在麦特卡尔夫和艾迪[8]。

因此,图7和8显示了电导率与时间之间的阴谋情节Run1和Run2in反应堆没有媒体。这两个情节得到的示踪剂测试分别以5%和10%的氯化钠浓度优化40毫升/分钟的流量反应堆没有媒体。每个RTD曲线绘制在线性回归和各自的回归值进行分析,以确定有效的性能。

图9显示了电导率与时间之间的阴谋情节Run3的反应堆没有媒体。这两个情节得到的示踪剂测试分别与15%的氯化钠浓度优化40毫升/分钟的流量反应堆没有媒体。

理论获得了拘留时间τ= 5.889分钟的反应堆和反应堆的平均停留时间年代稍高,理论。基于应用塞流与轴向扩散模型,离散数字,d是获得高于0.25这意味着有一个高色散现象发生在两个反应器轴向活塞流模式。整个优化流量的测试进行了40毫升/分钟。分散得到对反应堆数字显示有高色散现象发生在反应堆基于d > 0.25。这个国家有高度的轴向色散与活塞流模式在反应堆中解释和埃迪[8]。表3显示了相应的回归值,沛克莱数Pe、平均值和标准偏差,分散数d,弥散系数确定的图形绘制在每次运行反应堆。

获得的平均停留时间为每个运行理论的拘留时间略有不同的核反应堆。但从沛克莱数Pe,很明显,平流主导因素的质量输运的反应堆没有媒体。色散和反应堆平流的影响因素与媒体在每次运行基于获得的沛克莱数。在每次运行时观察到一些导电性测量冲洗在每次运行后反应堆。它表明有一些死区或捕获的示踪剂段塞在反应堆。示踪剂准备不同的电导率测量EC值测量示踪剂注射后的反应堆。这是由于高稀释的氯化钠和水。

六。结论

管式反应器设计为单室微生物燃料电池在这个项目被发现在平推流反应器模式平流是反应堆内的主导因素负责质量输运。最准确的人们已经发现,反应堆没有包装媒体展示了最好的特点,可以适用于实现微生物燃料电池比反应堆媒体包装。2运行的反应堆的回归值与媒体显示0.899,即反应堆的示踪剂的最佳浓度为10%在40毫升/分钟的流量。类似的偏差在反应堆包装媒体,证明,反应堆提供效率更高的浓度减少的可能性。据悉,因此从这个研究反应堆没有包装媒体可以提供有效的结果单室微生物燃料电池实验室规模比反应堆媒体包装。

引用

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