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气升式内环流反应器流体力学性能 实验研究及数值模拟 摘要 气升式环流反应器由于结构简单、剪切力小、混合效果好等优点， 现已广泛应用于生物化工、化学工程、能源、环境保护等领域。本文 在由3 0 0 ，高为4 2 0 0 m m 的实验装置中，以空气水为物系，研究了气体 分布装置及气液分离区高度对气升式内环流反应器流体力学性能的影 响，并利用计算流体力学软件f l u e n t 6 1 采用e l u e r e l u e r 模型对其进 行了二维数值模拟。 实验通过压差法、体积膨胀法测量了气液分离区高度分别为11 5 唧、2 7 5 舢和4 2 0m m 以及气体分布装置开孔率分别为0 2 6 6 、0 6 7 2 和 2 5 4 9 时反应器中升气管、降液管的气含率以及在整个反应器中的总气 含率；并采用热膜风速仪测量了降液管液体循环速度。研究了气液分 离区高度、气体分布装置对气含率以及气泡在降液管中的相态转变的 影响。 实验结果表明：升气管表观气速小于7 c m s 时，存在一使气升式 内环流反应器总气含率较高的气体分布装置开孔率；表观气速大于 7 c m s 时，气体分布装置开孔率越大总气含率越大；气液分离区越高反 应器总气含率的越低；而且气液分离区越高以及气体分布装置开孔率 越大时，降液管中的气泡开始循环时的表观气速越低。 气液两相流数值计算表明，随着表观气速的增大，气液两相运动 速度明显提高，而且气液两相的脉动也增强。模拟还得到升气管表观 气速在0 6 c m s 3 o c m s 时气升式环流反应器的压力分布以及升气 管、降液管中的速度分布。模拟计算结果与热膜风速仪测得的速度相 吻合，从而证实了计算结果的有效性。 关键词：气升式内环流反应器，计算流体力学，气含率，液体循环速 度 h y d r o d y n a m i cs t u d i e sa n d n u m e l u c a ls i m u l a t i o no fa ni n t e r n a l a i r l i f tl o o pr e a c t o r a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h eh y d r o d y n a m i c so fap i l o t s c a l ei n t e r n a la i r l i f tl o o p r e a c t o rh a db e e ns t u d i e dw i t ht h r e ed i f i e r e n td i s t r i b u t o r sa n dt h r e ed i f i e r e n t g a sl i q u i ds e p a r a t o r si na i r - w a t e rs y s t e m t h er e a c t o rw a sc o n s t r u c t e do f 3 0 0 m md i a m e t e rp l e x i g l a sc o l u m na n d4 2 0 0 m mi nh e i g h t t h eo u t s i d e d i a m e t e ro ft h ed r a f tt u b ew a s2 0 0 m ma n dt h eh e i g h tw a s3 3 0 0 m m t h e f r e ea r e ar a t e so ft h ed i s t r i b u t o rw e r eo 2 6 6 0 6 7 2a n d2 5 4 9r e s p e c t i v e l y t h eh e i g h t so ft h es e p a r a t o rw e r e1 15 m m ，2 7 5 m ma n d4 2 0 m mr e s p e c t i v e l y w i t hc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r ef l u e n t 6 1 ，t w o d i m e n s i o n sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh y d r o d y n a m i c so fa ni n t e r n a la i r l i f t l o o pr e a c t o rw a sc o n d u c t e dw i t he u l e r - e u l e rm u l t i p h a s em o d e l t h eg a sh o l d u p si nt h er i s e r , d o w n c o m e ra n dw h o l ei n t e r n a la i r l i f t l o o pr e a c t o rw e r em e a s u r e di nd i f f e r e n tc o n f i g u r a t i o n s t h el i q u i dv e l o c i t y i nt h ed o w n c o m e rw a sm e a s u r e db yc t a t h ee f f e c t so fg a sl i q u i d s e p a r a t o r sa n dg a sd i s t r i b u t o r so ng a sh o l d u pa n do nb u b b l er e c i r c u l a t i o n r e g i m e sw e r es t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew a sa na p p r o p r i a t ef r e e a r e ar a t eo fg a sd i s t r i b u t o r si no r d e rt og e th i g h e rt o t a lg a sh o l d u pw h e nt h e s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t y i nt h er i s e rw a sl e s st h a n7 c m s w h e nt h e s u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t yw a sm o r et h a n7 c m s ，g a sh o l d u pi n c r e a s e dw i t h t h ef r e ea r e ar a t eo fg a sd i s t r i b u t o r s t o t a lg a sh o l d u pi n c r e a s i n gr a t e d e c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gg a s l i q u i d s e p e r a t o rh e i g h t t h e b u b b l e r e c i r c u l a t i o nb e t w e e nd o w n c o m e ra n dr i s e ro c c u r r e da tl o w e rs u p e r f i c i a l g a sv e l o c i t yw i t hh i g h e rg a s - l i q u i ds e p a r a t o ra n dh i g h e rf r e ea r e ar a t eo f g a sd i s t r i b u t o r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev e l o c i t i e sa n dt h et u r b u l e n t k i n e t i ce n e r g yo fg a sa n dl i q u i dw e r ec l e a r l yi n c r e a s e dw i t hs u p e r f i c i a lg a s v e l o c i t yw h e ns u p e r f i c i a lg a sv e l o c i t yr a n g e df r o m0 6 c m st o3 o c m s t h e d i s t r i b u t i o n so fs t a t i cp r e s s u r ea n dg a s l i q u i dv e l o c i t yi nt h er i s e ra n d d o w n c o m e rw e r ea c h i e v e dt h r o u g hs i m u l a t i o n t h es i m u l a t e dl i q u i d v e l o c i t yw a si na g r e e m e n tw i t ht h ec t a d a t a k e yw o r d s ：i n t e m a la i r l i f tl o o pr e a c t o r , c f d ，g a sh o l d u p ，l i q u i d v e l o c i t y 浙江工业大学硕士学位论文 彳 c uc ；lc 1 e q g h 晦 乩 p s t 墨 尼 v 碗 以 g h 肌 h ， 【 符号说明 面积，m 2 k e 模型参数 表面粗糙率参数 湍流动能，m 2s 1 湍流动能，m 2s 。 距离，m ： 摩擦损失系数，无因次 液相体积传质系数，s “ 距离，m 压力，nm _ 2 斯托克斯数 源项 循环时间，s 体积，i l l 3 入口段特征尺寸，m 气泡直径，姗 重力加速度，m s 2 高度，m ； 质量，k g 气速，m s 升气管表观气速，m s 液体循环速度，m s 湍流扩散系数，m 2s 。 浙江i 业大学硕士学位论文 d 儿 乃 占 f f s | r p p r ，p l 多 盯 o k ，o t 热膨胀系数 有效粘度，p a s 。1 湍流粘度，p a s 。 湍流能耗散率，m 2 s 。 气含率，无因次 升气管气含率，无因次 分子粘度，p a 。s 1 流体密度，培珊4 气、液相密度，k g m 3 求解变量 液相表面张力，d y n c m k - e 模型参数 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：棚复面 日期：工够年岁月二口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 t h e e 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 制豁确 磊矾趣 日期：瑚缉 日期：0 2 f 年 只日 j 月巧日 浙江i 业大学硕士学位论支 第一章前言 气升式反应器( a l r ) 用于反应体系，具有结构简单、操作容易、较易控制液 相、固相停留时间短、返混低于普通机械搅拌釜、传质系数高、混合性能好、流 动剪切应力低以及节能等特点，因而具有广阔的应用前景。a l r 除用于传统的生物 化工外还用于石油化工、冶金、环境工程及加快反应速度等方面。 反应器液体循环速度、气含率是影响反应器传质性能的关键参数。它们决定 反应器的水力学性质，研究者已经提出了一些模型和关联来预测气升式反应器中 的液体循环速度和总气含率。另外，研究者也对气升式反应器内的传质性能进行 了研究。 在气升式反应器的设计和放大中，首先需要预测气含率等水力学参数，而其中 宏观水力学参数已经被广泛地研究但是由于研究手段和测试仪器等的限制对局 部水力学参数的研究较困难例如气升式反应器内的局部气含率、局部液速等。虽 然，近年来出现了大量新型测试仪器，如粒子图象测速仪( p i v ) 、多普勒激光风 速仪( l d ) 、相位多普勒激光粒子动态分析仪( p d a ) 等，但这些仪器价格昂贵、 对反应器内的气含率要求高。不能适用于高气含率的体系，很少用于气升式反应 器的研究，特别很少用于高气含率操作的气升式反应器的研究。研究气升式反应 器内局部性能参数的文献数据比较少，预测气升式反应器局部性能参数的数学模 型更少，只有将预测气升式反应器内的宏观性能模型与局部性能模型结合起来， 才能得到对气升式反应器较好的预测。而计算流体力学( c f d ) 就可以从新的角度 来解决局部性能参数问题，它是从两相n s 方程出发，通过求解湍流运动方程， 以及连续性方程等可以得到整个流场的运动细节：任一时间点的流场内的速度分 布、压力分布、体积相含率甚至湍流动能及其耗散速率等。 基于上述情况，本文采用热膜风速仪( c t a ) 测量反应器内流体的局部性能参 数，研究反应器内局部性能参数的变化规律。然后用流体力学计算软件f l u e n t 6 i 对该操作条件下的流场性能参数进行模拟并将模拟结果与实验结果进行比较，为 今后的气升式反应器的设计和应用提供参考。 本文的实验与研究工作主要集中在以下几个方面： 一、建立中试规模的内循环气升式反应器冷模装置。 1 浙江i 业大学硕士学位论文 二、分别在三种不同气液分离区高度下测定气升式反应器的气含率、液体循环速 度，分析气含率和液体循环速度之间的内在关系，研究气液分离区高度对气 含率和液体循环速度的影响。 三、研究气体分布装置对气升式反应器内气液流动状况的影响，着重研究其对反 应器内气含率变化情况的影响。 四、采用计算流体力学软件f u l e n t 6 1 对气升式反应器内的气液流动进行二维数 值模拟，得到液体循环速度的轴向分布、径向分布、液体平均循环速度、气 含率的轴向分布、径向分布、反应器内平均气含率等性能参数，并与实验结 果进行比较。 2 浙江i 业大学硕士学位论支 第二章文献综述 2 1 气升式反应器的介绍和分类 气升式环流反应器( a i r l i f tl o o pr e a c t o r ，简称a l r ) 是一种新型的环流反 应器，其基本原理是通过气体的定向流动，驱动物料在反应器内进行有序环流，强 化气液固间动量传递、热量传递和质量传递。 气升式环流反应器主要由升气管、降液管和气液分离区三部分组成。气体作 为分散相在升气管里以气泡的形式向上运动，大部分气体从反应器顶部的气液分 离区释放到气相空间，只有少量的气体被液体夹带进入降液管，并在反应器内作 循环流动。由于升气管和降液管气含率不同，在升气管和降液管间流体存在着一 定的密度差，升气管和降液管间产生了液体作循环流动的液体静力学压差，液体 在气升式环流反应器内作循环流动。按液体流动的状况主要可以分为两类：内环 流反应器和外环流反应器。 图2 1 所示的为气升式内环流反应器的结构，在塔体内装1 2 个升气管， 它依靠气体分布装置把气体鼓入升气管底部，形成气液混合物，由于升气管内气 液混合物的密度比管外液体密度小管内物料向上流动，管外物料向下流动，物 料在反应器中进行循环，循环速度最高可达2 m s ，因此可以起到良好的搅拌效果。 g 图2 一l 气升式内环流反应器图 图2 2 气升式外环流反应器 淅江工业大擘硕士学位论文 气升式外环流反应器结构如图2 2 所示。降液管设置在罐外，上端与罐身切 线相连，形成循环系统。在升气管底部装有空气气体分布装置，压缩空气从里面 喷出，形成细小气泡，与液体密切接触，进行质量传递。罐内气液混合物的密度 小，向上运动，罐外液体密度大，向下运动而形成循环。 由于环流反应器结合了气提( 或者喷射) 与环流的特点，一方面，由于高速 液体的剪切作用，使气相破碎成非常小的气泡，产生很大的气液接触比表面积， 提高了单位推动力下的传质、传热效率；另一方面，由于气提或喷射推动力的作 用，使反应器内物料形成规则的环流运动，强化了物料间的有效接触面改善了传 热性能，从而对特定的反应提高了单位反应体积的反应效率。 2 2 气升式反应器的研究现状 气升式反应器不仅具有一定的环流作用，还具有较好的传热、传质和混合特 性，因此近年来一直成为多相流反应器研究的热点。范缜。1 等给出了有关环流反 应器的详尽综述。他们指出，环流反应器是鼓泡床反应器的发展，其研究方法、 研究内容与鼓泡塔类似。众多学者对此类反应器各个方面进行了大量的实验室规 模的基础性研究。主要集中在以下几个方面。 2 2 1 流体力学性能 2 2 1 1 气含率 气含率e 。表征的是反应器气液混合相中气含量的大小。它与气液两相接触面 积密切相关，是气相平均停留时间的函数，影响气液传质和循环液速，是反应器的 基本参数之一。气含率的测定方法有多种，如体积膨胀法、压差法、激光法、电化 学法和y 一射线法。 研究者。1 得出了在空气一水体系中反应器的整体气含率随气速的变化规律。在 u 。( 即进气量) 较小的范围内，e 。随u 。升高而增大较快；而当u 。较大时e 。增幅 逐渐降低。这是由于当进气量较大时液相内气泡之间的聚并趋势加强，气泡变大， 浮力相应增加，气泡上升速度加快，在反应器内的停留时间变短。减缓了e 。的增幅。 李永祥“1 等研究鼓泡塔发现，在u 。 o 0 8 m s 范围内，e 。受u 。影响显著，以后便趋 浙江工业大学硕士擘位论文 于平缓。 还有学者研究了局部气含率“+ “，杨海光提出了在聚并体系( 空气一水) 和非 聚并体系 空气一0 1 乙醇水溶液) 中，导流筒内、外气含率都呈现出随轴向高 度增加而增大的趋势。在同一高度处，导流筒内部气含率大于外部气含率，且这 一现象随气速增大而更加明显。两种体系在距离底部较近的区域内气含率均较低。 在导流筒外部，即下降区，环流液体无法将大量的气泡带到反应器底部，从而使 导流筒外部下部区域的气含率远远低于内部区域：在导流筒内部，气体从微孔分 布器喷出，在经过一段距离后才能充满整个上升区。所以在导流筒内的底部区域 内气含率也较低。 王红心”模拟了生物发酵系统在气升式反应器内流动状态，研究表明：随着 上升气体表观速度的增加、导流筒直径的增加床内平均气含率增加；在固含率 定条件下，固含物粒径越大，平均气含率越高；溶液浓度增加平均气含率增加； 床层中的固含率增加，平均气含率增加；系统温度增加平均气含率降低。 2 2 1 2 液体循环速度 液体循环速度是气升式反应器的重要流体力学参数，液体循环速度不但影响 了反应器流体混合特性，还影响颗粒悬浮、温度和浓度的均匀性，而且与传质、传 热系数密切相关8 1 。 循环液速的实验确定可以通过测得液体循环一周所需的循环时间t c 来实现： u t ：孥塑 等群 4 。 王存文“”从理论上分析得到，循坏速度取决于导流简尺寸、溶液的物性、静液高 度、导流筒底端离气体分布板之间的距离及操作气速等。 杨海光“3 对空气一水体系，空气一0 1 乙醇水溶液在空塔气速0 0 0 0 6 0 0 1 6 1 m s 范围内研究了循环液速的变化规律。平均循环液速u 。均随表观气速u 。 的增加而单调增加。开始时，u 。随u 。上升得很快，u 。上升到一定程度后液速u 。的 增幅逐渐变缓。这是因为在初期，随着的上升，气体输入能量增加，引超输入到体 系中的能量增加，从而使循环液速加快。而随着u 。增加到一定程度后，导流筒上升 区内流体湍动加剧，流体运动的阻力也随之增大。同时，气泡增多其相互间的碰 浙江工业大学硕士学位论文 撞、聚并等作用增强，从而耗散了一部分流体的能量，使得循环液速变化趋于平 缓。 王红心”。”等研究表明：随着上升气体表观速度的增加，导流简直径的增加， 床内循环液速也增加；固含率一定条件下，固含物粒径越大，循环液速也越大； 溶液浓度增加，循环液速也增加：床层中的固含率增加，而循环液速减小：系统 温度增加，循环液速增加；降液管给气时的循环液速小于中一1 1 , 导流筒给气方式的 循环液速。 目前研究反应器很多还停留在整体参数的阶段，虽然宏观水力学参数对反应 器的放大具有第位的重要性，局部参数的影响不能忽略。将宏观水力学参数和 局部参数结合起来，才能提供更可靠的反应器放大和优化的依据【】。局部液体 速度的测量已经成为许多实验研究的主题。因此如何获得可靠的局部液体速度具 有重大的现实和理论意义。 液体局部速度测试方法可以分为干扰性和非干扰性两种。它们的测量原理包 括：光学的、机械的、传热和传质作用“。上面提出的很多测量原理已经在实验 室被检测过了，少数被认为是低分散相的标准，但是到目前为止没有对同常研究 和工业应用都可靠的系统。特别是在高分散相，几乎所有的方法都行不通。 1 非干扰性方法 1 ) l d a 在光学方法中，多普勒激光测速仪( l d a ) 已经成为在多相研究中广泛接受 的标准。作为一种非干扰性的测试技术，l d a 是利用激光的多普勒效应测速“3 “ ”由于多普勒效应，光源和接收器之间的相对运动会产生频率变化。当光源相对接 收器没有运动但光路某处光源被运动目标散射时，也会产生类似的多普勒频移。 因此，只要测出随流体一起运动的微粒对激光束散射的多普勒频移，就可获得流 场该点处的流动速度。测量时只要把光传送到测量点处，不需要将任何设备伸进 流场，对流动没有任何干扰。激光可在被测速度处聚成很小的一个测量体，因此 空间分辨率很高。l d a 具有输出信号的频率和速度是线形关系的优点，并能覆盖 一个很宽的测速范围，从每秒几毫米的速度到超音速。在液体流动中多普勒信号 是连续的，本质上l d a 的响应没有滞后，能跟得上湍流的快速脉动。而且，l d a 能同时测定流速的大小和方向，测量时完全不需要流体的分布。不必插入探头就 可以在恶劣的环境( 腐蚀性液体或火焰) 下进行测量。除了有很长一段光路从热 6 浙江工业大学硕士学位论支 气体中通过以外，一般不必考虑温度的影响。 l d a 严重的不足是当在不透明的介质或者液体中有微粒或有很小的气含量时 就不能测量。b w c k e r “”已经在一个光滑的o 0 4 米厚的两相鼓泡实验塔中用l d a 测量很低气速下( 相关的表观气速为o 0 0 1 6 m s ) 因而气含率也很低时的液体流动 情况。由于l d a 的高速数据记录，他们可以清楚通过鼓泡塔里低频墨翌煎振荡解决 高频湍动。同时这些结果也使我们对湍流现象有些了解。当表观气速和气含率至 少增加一个数量级，它们也不能容易的转换成工业规模。即使v i a l 等”7 1 对体积含 量达到2 0 的鼓泡塔进行测量，但他的塔径只有o 1 m 。p f l e g e r 8 】报道了两相鼓泡 流动表观气速低于0 0 2 m s 相应的数据记录频率为i h z 、而且时间长达一个小时， l d a 的最大透深为0 1 5 米。 l d a 测量是在某一点处一段时间内进行的，因此所测速度是时均定量值，通 过对流场中每一点的测量可以得到整个流场。由于这些测量不能同时进行，因此 l d v 不能用于研究非稳态流动，高频湍流完全在测量范围之外【1 8 t1 9 】。 2 ) p d a 相位多普勒激光粒子动态分析仪( p a r t i c l ed o p p l e ra n a l y s i s ) 简称p d a ，或 p d p a 。p d a 的基本原理是散射光干涉原理，与l d a 最大的不同在于接收光学单 元有3 个探测器及其位置不能与发射光束的对称轴共线，它可以同时测量示踪粒 子直径和运动速度，其中测量多维速度分量方法与l d a 相同【2 0 】。 相位多普勒激光粒子动态分析仪( p d a ) 是同时测量液体和气泡速度还有局 部气泡大小分布的仪器。测量的模型系统必须仔细的选择因为必须对气泡和示踪 粒子的折射和反射有正确的估计和适当的描述。p d a 技术的外延可以测量三相系 统，称之为改进相位多普勒激光粒子动态分析仪。这种方法使用特殊的数学运算 估计规则分辨分散气泡和固体颗粒。要使这种方法j 下确的工作，必须知道分散物 质的光学性质像折射率和消光系数：这限制了这种方法应用于使用规模的反应器 的模型系统。 3 ) p i v 另外一种光学的、非干扰性的方法，不仅可以测量液体速度而且可以测量气 泡或者粒子运动的仪器是粒子成像法( p i v ) “”。在流场中散布合适的示踪粒子， 用脉冲激光片光照射所测流场切面区域，通过高速摄影机拍摄两次或多次曝光的 粒子运动图像，形成p i v 底片：再用粒子图像相关方法逐点处理p i v 底片，获得 浙江i 业大学硕士学位论文 每一判读点小区中粒子图像的平均位移，由此确定流场切面上多点的二维速度。“ ”“1 。目前，p i v 技术可以在一个截面上测得瞬时1 0 0 0 1 5 0 0 0 个二维速度矢量， 其精度约为1 ，可与l d v 媲美。三维的流动矢量可以用三维扫描粒子图像技术 获得1 25 1 。与l d a 相比，这种方法的控制体比较大，这种技术使用不固定的薄片扫 描反应器里感兴趣的部分。从大的控制体( 或者是测量的二维平面) 里得到的高 速数据要求有很复杂的数学估算规则和强大的计算能力。通过特殊的相位分析方 法可以得到直接跟随上升的气泡的液体局部运动和瞬时的分辨率。与l d a 相比， 这种方法可以得到精密标度的气泡运动现象但是不能在高气含率时测量。”，由于 发生在相界面的反射和折射以及固相的透明度问题p i v 用于三相系统并不可靠 【2 7 4 ) 放射性粒子追踪技术 还有一种可以在高气含率和固含率时测量的非干扰性方法是x 射线粒子追踪 技术。这种方法使用铅核的有浮力的示踪粒子，可以认为这些核跟随液体足够的 近以至于可以用这些核的速度可以表示液体的速度。因此可以通过高速x 射线设 备( 标准的医用设备) 输出粒子的三维速度，而且可以得到鼓泡塔里的液体流场。 既然x 射线不像可见光一样受制于分散和反射，气泡或是固体粒子不会影响测量。 然而对大规模的应用，这个技术由于安装x 射线的费用限制和所研究的鼓泡塔的 尺寸限制有时并不可行， 一种类似的也是使用放射性粒子追踪的方法。“，由于需要高度的安全防范措 旆和测试时问特别长( 代表性的一套数据要2 0 小时) ，到目前为止从现实应用情 况来看这种方法并不可行。 2 干扰性方法 1 ) c t a 干扰性的方法在实际应用中经常更加适用于多相流动。既然这些应用经常包 含更大的反应器几何尺寸，探头造成的流动干扰可以忽略。通过多相混合物里的 探头，可以在不透明介质里独立测量；而且，数据估算过程必须考虑气泡或者粒 子对测量的影响。 在多相流测量中应用最广范的干扰性方法是恒温测速仪( c t a ) “”。实验常用 的测速仪器是热膜( 线) 风速仪( c t a ) 。”。热膜风速仪是利用测量元件在流体( 气、 液) 中的热损耗来测定流场的流体速度。用电流加热的热膜探头置于待测流场某 浙江工业戈学硕士学位论文 点处，被流体的对流热传递所冷却，不断保持探头的平衡温度不变，检测加热电 流与流速的动态对应关系，由于探头丝径为微米量级，动态响应达兆赫量级，因 此灵敏度很高，能根据不同的要求测量出二维、三维流场。这种测量方法具有惯 性小，测速范围广，采样频率宽，动态响应好的优点。其最大的缺点是接触式测 量，要将探头伸进流场，对流场有一定的干扰3 0 】。每个使用这种方法的新的系统 使用前必须仔细标定；特殊的存在固体的系统导致探头表面快速磨损没法重新标 定。使用分开的膜可以测量三维速度矢量。 2 ) e d m 还有一种改进的甚至可以测量高气含率和高固含率分散系统下的二维液体速 度的方法称之为电扩散测试技术( e m d ) 。这种技术是在德国多特蒙得大学发明的， 并在德国不来梅大学已经成功应用于鼓泡塔和气升式反应器里的三相流动。“。 h a s h i b a 和k o j i m a 已经使用了相似的方法甚至建议了三维流动测量原则的外延“ 竹 e d m 技术有点类似于上面提到过的c t a 一都是基于流动速度对银电极边界层 传递速率的影响。在参比铂电极与测量电极之间加一个恒定的电压。流体速度增 加导致边界层厚度降低引起恒定电压下传质和电流的升高。当这个系统在合适的 电压下操作并保证扩散是电流的限制因素，而且紧接着要仔细的标定时，三线的 针电极可以测量二维的达到2 m s 的液体速度。气泡撞击电极表面诱导可以被特 殊的数学规则识别和消去的特性信号，这些数学规则是后处理程序中的一部分。 采用这种方法测量时，固体颗粒对测量没有反作用：事实上，颗粒对电极表面的 轻微地磨损作用可以防止电极退化，减少电极不可避免的抛光时间。“。 三膜电极是由粘在一起的三根银线制成的。在标定时，电极顶部的最后形状 是由重复磨出来的，并且在标定槽内测量定义流动情况下的三线电流。 各种测试技术的发展促进了流体力学的研究进展，尤其是与c f d 结合起来之 后更加深刻的揭示流场微观结构和宏观特性。由于各种测试技术各有优缺点，应 结合不同的流场情况选择合适的仪器和方法。 2 2 1 3 相态转变 b e n t h u m 【3 5 】提出了内环流气升式反应器存在不同流型：1 、降液管中没有气泡 9 浙江i 业大学硕士学位论文 2 、降液管中气泡不发生再循环；3 、降液管中几乎所有气泡发生再循环“。他还 进一步提出了相态二到相态三的临界状态是升气管内气含率大约为1 0 的时候。 2 2 2 传质性能 k l 。是评价生物反应器优劣的最主要的特性参数之一，也是获得良好的气液传 质能力、菌体高密度培养的必要条件。 胡显文。”等在内循环气升式反应器中研究发现气含率通过气泡特性，如气泡 大小、停留时间等直接影响k l a o 随着表观气速和气含率的增加，液体中气泡数量 及气液表面积增加，使总体积传质系数增加。低气速下气泡直径小，比表面积大， k l 。随气速增加的幅度较快。进入高气速区后，由于气泡易聚并形成快速上升的大 气泡，使比表面积大大降低，k l 。增加幅度减慢。气体分布装置的孔径对k l 。底影 响很大，通气孔径越小，喷射出来的气体形成的气泡越小，气泡数量越多，气液 两相接触面积越大，k l a 值越高。 p o p o v i c m l 等发现气液传质系数随气速增大而增大，一般情况下，k l 。只与液 相物理化学性质有关，而与反应器结构和操作条件无关。k l a 随气速的增大而增大 是由于液相界面积q 增大。固含率增大，一是使气液两相所占据的空间减小；二 是使气液表面更新速率速率减低。以上两个因素都使k l a 随气含率增大而减小。 王焕军0 7 1 研究发现外环流反应器的气液传质系数要优于三相流化床。闻建平 。1 得到了下喷自吸环流反应器中气一液局部相际传质模型，该模型与实验值吻合 很好。汪叔雄等1 研究了操作变量和装置结构变量对环流肌苷发酵反应器中总的 氧传递影响不大，但对单独降液管和升气管的影响较大。 2 2 3 气升式反应器结构对反应器性能的影响 影响气升式反应器( a l r ) 性能的主要结构参数有：导流简直径与反应器直径 之比、升气管和降液管的面积比、气液分离区高度、空气预分布器等。汪叔雄p 川 模拟计算表明。在所进行的十二种结构中以l d = 1 1 3 ，d d = 0 7 5 结构，肌苷发酵 效果较好。较多研究结果表明气升式环流反应器的最佳高径比在1 0 1 4 左右。 欧阳平凯“o 研究认为在小型的a l r 中，塔高对k l 。没有影响，气体分布装置只 影响塔底部分区域，该部分区域只占总体积的5 ，影响k “和e 的主要参数是 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 a 。a ，。欧阳平凯“”研究发现，适当减小非牛顿流体的矩形截面气升式环流反应器 中a 。a ，可以增力k 。和e 。 莫海涛“”对多段内导流筒气升式反应器中气体分布装置对气含率和气液传质 特性的影响，发现在正常操作范围内，烧结金属管分布器的整体性能明显优于单 孔气体分布装置。 气液分离器显著地影响气体再循环强度，进而影响气升式反应器总的流体力学 与传质性能。j a r o s l a vk l e i n 等“”研究了内环流气升式反应器在不同流型下，有无气 液分离器时对降液管中气含率e 和液体的循环速度u 】、湍流强度和气体再循环的 影响。在流型1 ( 降液管中没有气泡) 下，升气管、降液管中气含率差值、降液管 中的液体循环速度与有无气液分离器无关；而在流型2 ( 降液管中气泡不发生再循 环) 、3 ( 降液管中几乎所有气泡发生再循环) 下，具有气液分离器的a l r 中降液管 气含率e 和气体再循环量减少，但液体的循环速度u i 、湍流强度增强。没有气液分 离器的a l r 总气含率、气体再循环量都比较大，但在降液管中气泡大小悬殊很大， 最小的2 3 n m ，最大的1 0 2 0m i l l ，气泡在流动时产生漩涡和不稳定振荡，使a l r 的 操作不稳定。减少气相在气体分离器内的停留时间的各因素将增加降液管内的气 含率和升气管内的气体再循环，但同时却降低了气升式反应器的操作稳定性。通过 气液分离器的正确设计，可保证完成一定的反应过程。如在三相( 气一液一固) 流化系 统应保证颗粒的流化，即需较高的循环速度，所以应设计效率较高的气液分离器或 外循环气升式反应器。而在通气发酵过程，氧传递是限制因素，则无气液分离器的气 升式反应器设计是较合适的。因此在具体设计a l r 时，应根据具体的工艺要求、反 应物系及操作流型选择是否需要气液分离器及其大小和气液分离器内的液高。 2 3 气升式反应器的流动模型 近年来，许多相关学者发表了气升式反应器中流体流动模型方面的文章。随 着电子计算机的飞速发展，特别是计算机模拟在化工领域的广泛开展，为气升式 反应器流体流动模型方面的深入研究开拓了诱人的前景。 2 3 1 气相返混模型 气相停留时间分布( r t d ) 亦即气相返混的研究。一般都是通过测定r t d 曲线 浙江i 业大学硕士学拉论文 用矩量分析或传递函数法来进行的。许多作者认为后者比前者可靠，也曾有作者 提出先对r t d 进行曲线拟合，然后用矩量分析法计算气相返混，以消除拖尾的影 响，但没有给出拟合的方法。 范缜等对气泡大小分布与气相停留时间分布之闯的关系进行了研究。他们 主要从气泡的大小分布、气泡在介质中的浮升和湍流场的影响而产生的涡流来研 究气相停留时间分布。 他们采用照相法测定了气泡的大小，用示踪法测定了气相停留时间分布，同 时，还用传递函数法计算了气相返混，并讨论了其可靠性。 他们认为，气相的返混系数由两因素引起： 1 ) 气泡本身存在着大小分布从而产生速度分布； 2 ) 湍流运动导致气泡返混，这种返混与系统内部的紊乱程度有关。 l a z a r o v a “提出： & = 1 3 7 1 6 炉3 该式需要满足：h i = 0 1 7 5 m ；h s = o 2 m ；a d a ，= 1 。 m e r c h u k 1 提出： “f g r = 1 0 3 ( u t ，+ 。0 ) + 0 3 3 该式的应用范围：0 一 u u + u g r 1 4 r r d s ；0 2 一 u g , 。g r 1 g i n s ；d r - 0 1 4 m ，a d a r = 1 6g d 2 0 ：h r - h d 2 4 0 5 m ；l c _ o 3 5 m a b e l l o 1 提出 = o 1 6 ( u f u f r ) 。”( 1 + 以4 a 该式的使用范围为：a d ，a ，= o 1 1 0 6 9 ：d r = 0 1 5 2 m ；h d = 1 7 5 m ； o 0 1 3 7 u g r o 0 8 6 m s c h o i 【4 9 l 提出： - o 2 8 8 0 4 ( 砉) - 00 9 8 ( 钞0 0 9 4 该式的使用范围为：a d a ，= o 1 1 o 5 3 ；l 。= 0 1 0 5 m ； u g ， 0 2 m s ；l c l h = 0 0 9 1 0 4 5 5 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 2 液相流动模型 环流反应器的液相流动模型是液体物料在反应器内流动与混合状况的数学描 述，是对反应器进行工程设计和过程开发放大的基本方程之一。而流体流动状况 与体系的物性参数和操作条件密切相关，因此研究物性参数及操作条件和流动模 型参数之间的定量关系对于解决该类反应器的工程设计、过程优化及开发放大具 有重要意义。 王继武等。”建立了模型参数关联式：按多釜串连模型，将4 个体系4 0 组数据 合并在一起，构成不同物性的液相，在不同气、液速下，在所用装置中表现的模 型参数，用 n = 口+ b r e + c r e g 关联，并用最小二乘法回归。结果如下 ：1 6 5 3 4 一d p t ( t 6 0 5 8 1 0 - 4 + 3 9 2 5 8 1 0 5 ) 肌 将实测数据按轴向扩散模型，由多元线性回归进行关联，关联结果为 尸p = 5 6 5 4 4 0 0 3 x 1 0 r 。l - 9 6 7 1 1 0 一r 。g a l m a s r y 哪! 等提出了一个简单的关于气升式反应器的流体力学模型。该方法 基于流体环流动量守恒方程和针对反应器升气管的漂移通量方程。模型主要用来 描述反应器主流动区，同时也提供了一种预测非粘性系统流体力学行为的直接方 法。 流体环流动量守恒方程为： 岛g 龟= 巧鱼磐 漂移通量方程为： 阜：c i ( 十) + c 2 6 9 b e l l o 等“”提出： u l r = o 6 6 蟛( 以4 ) o 7 5 该式的应用范围是牛顿流体以及低粘度系统。 浙江工业大学硕士学位论文 c h i s t i “”推导的液体循环速度公式如下： = c r 5 ( 1 一e g r ) 2 ( 1 一占“) 2 o r a v i l e s c u 。1 推导的液体循环速度公式如下： l l l r = 1 。2 04 ( 4 4 ) 该式的使用范围为：a d ，a r = o 0 4 l ；u g r o 0 4 m s 。 总而言之，从不同角度可以建立不同的环流反应器数学模型。但是，现有的 数学模型只是就事论事，缺乏通用性。从反应工程角度出发，我们认为有必要进 行更深入的研究，提出针对气升式反应器较为完善的液相流动模型。 2 4 气升式反应器的工业应用 气升式反应器己广泛应用于生化过程( 发酵、酶反应) 、化学工业、环境工程、 冶金及煤的液化和加工。 2 0 世纪6 0 年代，环流反应器便在生物发酵工业中应用，前苏联和东欧一些国 家应用外循环反应器进行单细胞蛋白发酵( s c p ) ，规模很大。7 0 年代以来， 环流反应器开始在废水生物处理中得到应用，1 9 8 1 年，日本t a k a s s a k i 造纸公司 大阪工厂的工业化气升环流生物反应器处理造纸废水每天处理量达至u 2 0 0 0 m 3 。英 国i c i 公司开发出日处理废水2 0 0 0 吨，高达1 3 0 m 的深井曝气反应器，并己在西方各 国推广使用 5 3 1 。中国2 0 世纪8 0 年代方风山等成功研制t o 0 5 5 6 m 3 的内循环式空 气提升式发酵罐。国际上单细胞蛋白生产己广泛使用气升式发酵罐，单罐容积大到 5 0 0 1 2 0 0m 3 。近年来，气升式反应器在各种生化过程及化学反应过程的应用越来 越多，并研究_ 丌发性能优良的a l r 代替机械搅拌罐来培养生物细胞和发酵。国内已 在发酵红曲酶素、核酸酶p 、单细胞蛋白、b 胡萝h 素、黄原胶、谷氨酸、甘油 发酵等产品的生产研究使用气升式反应器，其使用效果均令人满意。 2 5 气升式反应器中流体力学的数值模拟 计算流体力学( c f d ) 是以计算机数值计算为基础，对流体流动，传热以及相 4 浙江工业大擘硕士学位论文 关现象进行分析的一种研究方法。任何流体运动的规律都是以如下三个定律为基 础的：质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律。这些基本定律可用数学方 程组来描述，如e u l e r 方程、n s 方程。采用数值计算方法，通过计算机来求解这 些数学方程。研究流体运动特性，给出流体运动空间定常或非定常流动规律，这 一学科就是计算流体力学。 计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发， 在很大程度上替代了耗资巨大的流体力学实验设备，在科学研究和工程技术中产 生巨大的影响。国内有很多关于气升式反应器在生化方面的应用实例，并提出了 估计某些流体力学参数的关联式。但是这些关联式都是在严格的几何尺寸和操作 条件下得到的，因为反应器流体力学的复杂性外推有很大的不确定性。c f d 模拟 具有软尺寸和操作条件的优点，对于反应器流体力学性能研究及放大具有重要的 意义。国内外不少专家学者采用商业软件对环流反应器进行研究取得了很好的结 果。 常见的通用c f d 软件有：f l u e n t ，c f x ，s t a r c d ，p h o e n i c s 等。c f d 软件的结构 安排都是围绕流体流动问题的。为了能够很方便的解决问题，所有商业软件都提 供了用户