生物制氢反应器以其高效产氢而成为生物制氢领域的研究热点之一。但迄今为止,对其选型、设计及放大仍主要依赖实验验证和专家的经验,缺少理论指导,耗资巨大,投运周期长。而近年来发展起来的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)是一种可用于分析流体流动和混合传质的交叉学科。CFD技术在反应器的设计中越来越受到人们的重视,CFD技术与反应器的设计相结合不仅可以节省大量的人力物力,提高实验效率,而且还可以得到实验无法得到的详细信息,本文利用数值模拟方法对生物制氢反应器的流场进行模拟,并结合微生物发酵理论,分析生物制氢反应器内的流场特性,并为该反应器结构的进一步优化设计提供了依据。通过比较不同桨槽径比和不同搅拌速度下的流场,分析流场变化对生物制氢工艺的影响。结果表明,桨槽径比为0.6的搅拌桨能够产生合理的径向速度分布使微生物与底物充分接触,输入的能量大多耗散在搅拌桨附近,当桨槽比为0.6时,桨叶搅拌作用基本可覆盖整个主反应区,适合生物制氢反应器的工艺需要。通过对生物制氢反应器的运行,得到了直叶搅拌桨(PBT)转速为100rpm时,平均生物气产气量达到最大值29.2L/d,转速为120rpm时11.8L/d,继续增大转速,由于剪切力和气体分率随之增大,产气量出现下降。涡轮搅拌桨(RT)平均产气量60rpm的较低转速下达到最大值32.1L/d,产气量随转速的增加而迅速下降。结合流场模拟结果进行关联分析,可以发现,虽然搅拌桨转速的增加带来反应器内速度场的提高和速度均匀性的改善,这意味着停滞区的减少和反应器有效容积的增加,但是产气量并未随之持续增加。根据以往的研究,高剪切力会对微生物细胞和污泥絮体造成破坏,而气相体积分率的升高会对制氢发酵反应产生抑制。正因为剪切力和气相体积分率也是随着搅拌转速的升高而增大,所以平均产气量在较高转速条件下出现下降。确定为桨槽径比为0.6的RT搅拌桨,转速为60rpm的RT搅拌桨为实验室采用的CSTR生物制氢反应器的最优化运行水利条件,均匀的速度场分布、适当的剪切力和较小的气相体积分率有利于提高反应器效率。通过研究表明,对搅拌桨的改进有效地改善了反应器内的流场,控制了径向和轴向速度,合理分配了能耗,达到了优化流场的效果。