Активне перемішування та інтенсифікацію анаеробного бродіння біомаси теплообміну можна досягти, використовуючи вібраційні процеси прискорення теплообміну. Авторами пропонуються конструкції біореакторів, які отримані  внесенням додаткових секцій та віброактиватора у стандартні конструкції (рис. 3.15) [50].  Ці конструктивні рішення дозволяють позбавитись таких недоліків в існуючих біореакторах: застійних зон, значних площ теплообміну, недостатнього використання потенціалу сировини. Крім того, це дозволяє підвищити продуктивність біореактора за рахунок більш глибокого бродіння та активації з перемішуванням сировини.

Біореактор містить  резервуар 1 (рис. 3.15), який зверху закривається теплицею на каркасі 8, ковпак 3, який рухається по напрямних ковпака 2, і в якому розміщені  труба споживача 4,  манометр 5 та гідрогерметизатор 6. Всередині реактора розміщений підігрівач біомаси 7 та біомаса 9,  яку приводить у рух пластина-активатор 10. Пластина-активатор кінематично зв’язана з штоком 11 підпружиненого гідроциліндра  12, робоча камера якого гідравлічно сполучена із напірною магістраллю 13 гідронасоса 16, до якої приєднаний імпульсний клапан - пульсатор 15.

Біореактор працює таким чином. При завантаженні біомаси  в резервуар  останній закривають ковпаком, що рухається по напрямних ковпака 2 та герметизують гідрогерметизатором 6. В ковпаці 3 розташований манометр 5 для спостереження за тиском газу та труба споживача 4 для відведення газу. Гідронасос 16 з імпульсним клапаном-пульсатором 15 змушують здійснювати коливальні рухи шток підпружиненого гідроциліндра 12,  що в свою чергу приводить у рух пластину-активатор 10. Імпульсні коливання суміші дозволяють активніше перемішуватись субстрату. Також за рахунок омивання поверхні підігрівача 7 біомаси інтенсифікується тепловіддача від стінки нагрівального елемента до середовища. Причому прогрів в біореакторі буде рівномірним завдяки активному перемішуванню біомаси. Також пульсація рідини дозволить біогазу легше прориватися крізь суміш та відбиратися через трубу споживача 4.

Дана конструкція сприяє процесам термостабілізації та інтенсифікації анаеробного бродіння, а також збільшенню виходу кінцевого продукту – біогазу з мінімальними енерговитратами на одиницю маси субстрату.

Для досягнення безперевності анаеробного бродіння, термостабілізації і інтенсифікації теплообміну пропонується конструкція секційного біореактора з віброактиватором [51, 71, 80].  Біореактор                 (рис. 3.16) працює таким чином. Завантажують біомасу  в резервуар 1 через шахти 12, регулюючи подачу заслінками 8. Біомаса опиняється в першій секції  резервуара,  де вона нагрівається підігрівачем 3 і проходить першу стадію анаеробного бродіння. Після завершення першої стадії  за рахунок зміни гідравлічного опору колосникових решіток 4 за допомогою регулятора 13 біомаса  опиняється в другій секції, де проходить другу стадію бродіння. В першу секцію завантажується нова порція біомаси. Отриманий біогаз відводиться за рахунок труб споживача 6. Завершальну стадію бродіння біомаса проходить в третій секції  резервуара. Після завершення бродіння біомаса  потрапляє в ємність збору біодобрив 5, завантаження якої регулюється заслінкою 7. Процеси бродіння візуально оцінюють за допомогою оглядових вікон 11. При необхідності відкрити резервуар 1 ковпак 2 рухається по напрямних 10 і знімається. Регуляція гідравлічного опору провальних колосникових решіток відбувається за рахунок регулятора 13.

Рисунок 3.15 – Біореактор з віброактивацією анаеробного бродіння

Тепловіддача від стінки нагрівального елемента до суспензії з концентрацією сухої речовини С=3,5% і С=8% відповідає умовам роботи біогазового реактора. Використання коливань середовища дозволить попередити налипання часточок суспензії на нагрівальний елемент, уникнути застійних зон і активізувати теплообмін. Для експериментального визначення активуючого впливу вібраційних коливань на інтенсифікацію теплообмінних процесів між нагрівальним елементом БГУ і субстратом було проведено серію дослідів.

Як середовище в дослідах використовувалася  суспензія з концентрацією сухої речовини С=8%.

Діапазон зміни основних параметрів дослідження:

-         питомий тепловий потік q = 0,5…16 кВт/м²;

-         температура рідини вдалині від стінки t_р = 20…43 ⁰С;

-         температурний  напір Dt =1...18°С;

-         амплітуда коливань пластини-активатора коливань А = 0…100 мм;

-         частота коливань пластини-активатора f = 0…5 Гц;

-         концентрація сухої речовини С=8%.

Використовуючи отримані залежності  і середні значення параметрів питомого теплового потоку (q), швидкості газорідинної фази (w_Г), температури рідини (t_р),  побудовано залежність впливу відстані  від краю ділянки газорідинного омивання на відношення наведено на   рис 3.16.

де f – частота коливань, Гц;

   d – діаметр нагрівального елемента, м;

   А – амплітуда коливань, м;

   ν – кінематична в’язкість субстрата, м²/с.

Згідно з розрахунками, при вібрації середовища біореактора коефіцієнт тепловіддачі від нагрівника до середовища зростає у 2…4 рази.

Другу і третю стадію анаеробного бродіння субстрат буде проходити в наступних секціях реактора, що дозволяє першу заповнити новою порцією сировини. Управління процесом отримання біогазу можливо автоматизувати за рахунок використання триходового крана на обв’язці теплообмінника та заслінки на колосникових решітках з сервоприводами.

Використання додаткових секцій реактора дозволяють досягти більш глибокого ступеня очищення сировини та збільшити питому вагу отримання біогазу на одиницю маси субстрату.

Розрахунок енергетичного балансу свідчить, що збільшення виходу газу з одиниці маси субстрату за рахунок бродіння у додаткових секціях резервуара визначається таким чином:

                                                           (3.21)

де V₀ – вихід біогазу при стандартному циклі бродіння;

     V – вихід біогазу  в реакторі запропонованої конструкції,

     u – коефіцієнт виходу біогазу.  

При циклі бродіння в першій секції 10 діб, в другій і в третій відповідно по 5 діб. Загальний час бродіння субстрату складе 20 діб. Це збільшує вихід біогазу порівняно з односекційним реактором в                              u = 1,8…2,2  раза  залежно від виду субстрату.

Тобто з кожного кілограма органічної речовини за рахунок секційності буде виділятися додатково 0,35…0,4 м³ біогазу через збільшення часу бродіння у додаткових секціях бродіння. У зв’язку з тим, що з 10 по 20 добу в першій секції буде бродити нова порція субстрату, то загальна витрата біогазу з реактора складе ще додаткових 0,4…0,45 м³ з кожного кілограма органічної речовини нової порції.

Затрати енергії на вібраційне перемішування середовища субстрату для реактора об’ємом до 500 м³ складають 40…60 Вт/м³.

Рисунок 3.17 − Cекційний біогазовий реактор з віброінтенсифікацією бродіння

Модифікацією секційного біореактора з вібраційною інтенси- фікацією бродіння є  реактор, який показано на рис. 3.18.

Рисунок 3.18− Біогазовий реактор  з  віброінтенсифікацією бродіння, що секційно регулюється