（化工过程机械专业论文）生物搅拌反应器的数值模拟与优化设计.pdf

at h e s i ss u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g s t i r r e db i o r e a c t o r n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t e dd e s i g n m a j o r ：c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y 、 c a n d i d a t e：s h e nf e i s u p e r v i s o r ：h u j i a - s h u n w u h a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 3 0 0 7 4 ，p r c h i n a m a y , 2 0 1 0 的 7 删79舢7 舢1脚y 摘要 摘要 生物搅拌反应器是种在过程工业中广泛应用的反应器类型，并且 在生物化工领域占有主导地位，各国学者对生物搅拌反应器流场的特性 进行了许多深入的研究，近年来，计算流体力学方法用于生物搅拌反应 器的流动和混合特性的研究，为生物搅拌反应器的理论分析优化提供了 新的方法。 本文的主要研究工作如下： ( 1 ) 利用数值模拟的方法对双层生物搅拌反应器进行优化研究，通 过对三种基本搅拌桨叶组成的六种组合形式进行数值模拟，找出六种桨 叶组合中搅拌效果最佳的桨叶组合，并对最佳桨叶组合的生物搅拌反应 器搅拌桨叶的安装高度以及搅拌速度分别进行优化，并得到搅拌桨叶比 较合理的安装高度以及搅拌速度。 ( 2 ) 在双层生物搅拌反应器的优化基础上，利用数值模拟的方法对 三层生物搅拌反应器进行优化研究，发现上层和中问层桨叶为下推式 4 5 0 斜叶桨，下层桨叶为六直叶圆盘涡轮桨的流场流动更均匀，混合效 果更好，流动死角比较少。另外，搅拌桨分布要均匀，桨间距太大会影 响流动效果，搅拌速度对流型基本没有影响，只是影响其绝对速度的大 小。 ( 3 ) 在三层生物搅拌反应器的优化基础上，利用数值模拟的方法对 上层和中间层桨叶为下推式4 5 0 斜叶桨，下层桨叶为六直叶圆盘涡轮桨 的生物搅拌反应器进行气液两相流的模拟研究，得到不同通气量下气含 率的分布情况。 关键词：计算流体力学数值模拟优化设计气液两相流 生物搅拌反应器 武汉l ：稃人学硕卜学位论文 a b s t r a c t s t i r r e db i o r e a c t o ri saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si np r o c e s si n d u s t r y r e s p o n s et y p e ，a n dd o m i n a n tt h eb i o c h e m i c a lf i e l d ，n a t i o n a ls c h o l a r s s t u d y e ds t i r r e db i o r e a c t o rf l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sd e p t h l y i nr e c e n ty e a r s ， c o m p u t a t i o n a lf l u i dm e c h a n i c si su s e df o rb i o l o g i c a lm i x i n gr e a c t o rf l o w a n d m i x i n gc h a r a c t e r i s t i c s s t u d y , i tp r o v i d e s n e ww a y sf o rt h e o p t i m i z a t i o no ft h er e a c t o r t h e o r e t i c a la n a l y s i s t h em a i nr e s e a r c hw o r k a r ea sf o l l o w s - f i s to fa l l ，t h ep a p e ls t u d yt h ed o u b l e l a y e ro fb i o l o g i c a lm i x i n go ft h e r e a c t o rb yt h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h r o u g hs i m u l a t i n gt h es i x c o m b i n a t i o no fb l a d e sc o n s i s t e db yt h r e eb a s i ci m p e l l e r s ，w ec a nf i n d t h eb e s tc o m b i n a t i o no fb i o b l a d ei m p e l l e rs t i r r e dr e a c t o lt h e no p t i m i z et h e b e s tc o m b i n a t i o no fb i o - b l a d ei m p e l l e rs t i r r e dr e a c t o r t h es t i r r i n gs p e e d a n dt h eh e i g h to fi n s t a l l a t i o nr e s p e c t i v e l y , a n dw ec a ng e tt h er e a s o n a b l e i n s t a l l a t i o nh e i g h ta n dt h es t i r r i n gs p e e d s e c o n d l y , b a s e do nt h ed o u b l e s t i r r e db i o r e a c t o ro p t i m i z a t i o n ，t h e p a p e lo p t i m i z et h et h r e eb i o l o g i c a lm i x i n gr e a c t o rb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n df i n dt h a tt h et h r e eb i o l o g i c a lm i x i n gr e a c t o r ，a n di t ss t r u c t u r ei st h a tt h e u p p e ra n dm i d d l el a y e r sa r ep u s h e dd o w nt h eb l a d e4 5 up i t c hb l a d e ，t h e l o w e rb l a d ei ss i xs t r a i g h tl e a fp r o p e l l e r , t u r b i n ef l o wm o r eu n i f o r m ，b e t t e r m i x e d ，l e s sm o b i l eb l i n ds p o t i na d d i t i o n ，t h ei m p e l l e rs h o u l db ed i s t r i b u t e d r e a s o n a b l y , p r o p e l l e rp i t c hw i l l e f f e c tt h ef l o w i fi ti sn o td i s t r i b u t e d r e a s o n a b l y t h es t i r r i n gs p e e dw i l le f f e c ts i z eo fi t sa b s o l u t es p e e d l a s t l y , b a s e do nt h et h r e e - s t i r r e db i o r e a c t o ro p t i m i z a t i o n ，t h ep a p e l i i i 武汉1 ：程人学硕十学位论文 s t u d y e dt w o p h a s e f l o w b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h eb i o l o g i c a l m i x i n go ft h er e a c t o ri su s e db yt h eu p p e ra n dm i d d l el a y e ro ft h eb l a d ef o r p u s hd o w nt y p e4 5 0p i t c hb l a d e ，t h el o w e rb l a d ef o rs i xs t r a i g h tb l a d e w e o b t a i n e dt h ed i s t r i b u t i o no f g a su n d e r t h ed i f f e r e n tg a ss p e e d k e y w o r d s ： c f d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d e s i g n o p t i m i z a t i o n ， g a s - l i q u i df l o w ， s t i r r et a n k b i o r e a c t o r i v 目录。+ 目录 摘要i a b s t r a c t 1i l 目录v 第一章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 论文研究的主要内容3 第二章文献综述5 2 1 搅拌桨的种类及其特性5 2 2 生物搅拌反应器流场的特点7 2 2 1 径向流8 2 2 2 轴向流9 2 2 3 切向流。1 0 2 3 生物搅拌反应器发酵的溶氧速率1 0 2 4 影响生物搅拌反应器发酵的重要因素1 2 2 4 1 氧气的溶解1 2 2 4 2 流场的混合。1 3 2 4 3 流动剪切力1 4 第三章双层生物搅拌反应器单相流的数值模拟与优化1 5 3 1 模拟生物搅拌反应器的c f d 模型1 5 3 4 生物搅拌反应器的结构尺寸1 6 3 5 模拟方法及边界条件18 3 5 1 模拟方法的选用1 8 v 武汉i ：程人学硕十学俯论文 ll ； 18 3 7 优化结果分析与讨论1 9 3 7 1 搅拌桨叶形状优化分析1 9 3 7 1 1 速度分布1 9 3 7 1 2 湍流能量轴向分布。2 4 3 7 2 搅拌桨安装高度优化分析2 6 3 7 2 1 速度分布2 7 3 7 2 2 湍流能量轴向分布2 9 3 7 3 搅拌速度优化分析3 0 3 7 3 1 速度分布3 0 3 7 3 2 湍流能量轴向分布3 2 3 8 本章小结3 3 第四章三层生物搅拌反应器单相流的数值模拟与优化3 5 4 1c f d 参数设置及模拟方法3 5 4 1 1生物搅拌反应器几何模型的建立3 5 4 1 2 生物搅拌反应器的模拟方法及边界条件3 6 4 1 2 1 模拟方法的选用3 6 4 1 2 2 边界条件的设定。3 6 4 2 网格划分及数值方法3 7 4 3 生物搅拌系统的模拟与研究3 7 4 3 1 搅拌桨叶形状优化分析3 7 4 3 1 1 速度分布3 8 4 3 1 2 湍流能量轴向分布。4 0 4 3 2 搅拌桨安装高度优化分析4 0 4 3 2 1 速度分布4 l 4 3 2 2 湍动能量轴向分布4 2 v i “目。录 4 3 3 搅拌速度优化分析4 3 4 3 3 1 速度分布4 4 4 3 3 2 湍动能量轴向分布4 4 4 4 本章小结4 5 第五章生物搅拌反应器气液两相流的数值模拟4 7 5 1 气一液两相流的计算流体力学模型4 7 5 2 模拟氧气传递的方法4 8 5 3 c f d 参数设置及模拟方法4 8 5 3 1 几何模型的建立及网格划分4 8 5 3 2 生物搅拌反应器的模拟方法及边界条件4 9 5 4 模拟结果与讨论5 0 5 4 1 轴向速度分布图5 0 5 4 2 搅拌桨叶处横截面速度分布图5 1 5 4 3 体积分数图5 3 5 5 本章小结5 4 第六章结论与展望5 5 6 1 结论5 5 6 2 展望5 5 参考文献5 7 攻读硕士期间发表的学术论文6 3 致谢：6 5 v i i 武汉+ i ：程人学硕十学f 证论文 v i i i 第一章绪 会 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 本课题是国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的一个子课题。是 对用于生化反应中的高效反应器即生物搅拌反应器进行优化研究。对于 生化反应来说，需要生物搅拌反应器中流体的流场均匀，溶氧率高，反 应效果最佳。然而，这些因素与生物搅拌反应器的设计参数紧密相关， 所以，要满足生化反应的要求，可以从生物搅拌反应器的设计参数进行 考虑。对生物搅拌反应器的设计参数进行优化，可以通过实验和数值模 拟的方法。 目前已有实验测量仪器，如激光多普勒测速仪( l a s e rd o p p l e r v e l o c i m e t r y ，l d v ) 、粒子图像测速仪( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ，p i v ) 等。2 0 世纪8 0 年代，国内外开始运用激光多普勒测速仪l d v 来测量搅拌反 应器内流场【1 1 。l d v 钡, j j 量是在某- - 钡j j 点处一段时间内进行的，因此，所测 速度是时均定量值，通过对生物搅拌反应器中每一点的测量可以得到整 个流场比】，如速度分量、湍动动能、相含率等参数。从而不能从本质上 认识混合与流动。再加上湍流的不稳定性，桨叶组合的复杂性、流体微 元间的相对运动以及高昂的仪器费用等多种因素使得定量测量、流动可 视化变得费时、耗资。利用比激光多普勒测速仪l d v 更先进的粒子图像测 速仪p i v 可以瞬时得到整个流场分布，但p i v 的技术开发还有待完善，目 前还处于应用初期，还不能很好的测量高速湍流下的湍流参数【3 j 。另外， 在进行实验时，设计结果难于最优化、设计周期长、资金费用高等，基 于这些原因，为生物搅拌反应器提供必要的理论设计依据是十分有必要 的。 目前国内外研究者对生物搅拌反应器的流场进行了大量的研究工 武汉i ：科人学硕十学位论文 作。 v p m is h r a l 4j ( 1 9 9 2 ) 等人利用l d v 对双层斜叶涡轮桨形成的流场 进行了测定，并指出当层间距与反应器的槽径比 0 5 时两层桨形成 两独立的循环，耗散率、混合时间、流型与桨间距都有密切关系。 i b r a h z m 【5 j ( 1 9 9 5 ) 用纹影显示方法研究了直叶涡轮( d t ) 、斜叶涡 轮以及a 3 1 0 桨在不同雷诺数下的流动场分布，实验发现宏观流动场不 仅与搅拌桨叶的几何形状有关，还与搅拌桨一槽体系几何参数及搅拌雷 诺数有关。 一一 k u b o ir u t h e r f o r d 【6 1 等人利用l d v 对双层桨流动场进行了研究，作 出脉冲分量分布与三维速度时均分量切面图。研究发现：搅拌桨层间距 对双涡轮桨形成的流型有强烈的作用。当层间距变化时，可以观测到三 种稳定的流型( 混合流、平行流、分离流) 。 侯权弟j ( 1 9 9 7 ) 利用l d v 对c b y 搅拌桨的宏观流动场进行研究分析， 结果表明，当桨径与槽径比d t = o 3 5 时，桨叶区周期分量约占总脉动 3 0 左右，随着径向距离的增大，周期分量影响将减小。当桨叶直径增 大，若d t = o 5 5 时，周期分量的影响从桨叶区扩展到了槽壁附近。 林兴华【8 】( 2 0 0 2 ) 对六组径流型和轴流型搅拌反应器的不同组合进 行了实验研究，从功率消耗、气含率以及传质系数综合考虑，提出了三 层组合式搅拌反应器的最佳桨叶组合方式。 潘红副9 j ( 2 0 0 4 ) 用数值模拟的方法对双层圆盘涡轮式平直叶桨进 行分析，主要是研究桨间距、罐桨径比等的不同从而研导致对生物搅拌 反应器流场产生的不同影响，并且得到了能让生物搅拌反应器的流场流 动更自由、更均匀的改进方向和措施。 张国娟【1 0 1 等人通过分别对单层涡轮桨和翼形c b y 桨生物搅拌反应器 以及双层涡轮桨和翼形c b y 桨搅拌反应器进行数值模拟研究，模拟结果表 2 一第一蕈绪论 明，混合过程主要由搅拌反应器内的流体流动所控制，混合时间与示踪 剂加料点及监测点位置密切相关。 王嘉骏【1 1 】用实验的方法系统地研究和比较了径流桨和径流桨组合、径 流桨和斜叶桨组合以及斜叶桨和斜叶桨组合3 类不同的双层搅拌反应器 组合，在气液分散搅拌过程中的优劣。并得出小通气量时径流桨和斜叶 桨组合( d t 2 p t d 和p t u 2 d t ) 在相同的单位体积搅拌功率下气含率最高， 而在大通气量时，双层上翻式斜桨组合( p t u 2 p t u ) 气含率最高，并发现 大通气量时，下层桨不宜采用下压式斜叶桨。 张嗣良【1 2 】( 2 0 0 8 ) 用计算流体力学( c f d ) 方法模拟t 5 0l 生物反应 器中不同的搅拌桨组合对搅拌流场、混合时间的影响，并从流体力学角度 对生物反应器搅拌桨组合进行了优化，得出上层桨为四宽折叶( 4 b p ) 、下 层桨为六直叶圆盘涡轮桨叶( 6 c b d t ) 时，既可发挥径流桨分散气体的优 点，又辅以轴流桨，促进循环，改善溶氧，增强了搅拌反应器的均匀混合效 果。 以上部分结论对搅拌反应器的设计优化研究提供了一定的参考指导 作用。但是，由于被执行操作的目的等因素不同，搅拌反应器的具体优 化参数也不相同。基于以上原因，提出本课题。 1 2 论文研究的主要内容 本课题研究的主要内容包括： ( 1 ) 双层生物搅拌反应器单相流的数值模拟与优化研究 利用数值模拟的方法对双层生物搅拌反应器进行优化研究，通过对 由圆盘涡轮桨、上推式斜叶桨以及下推式斜叶桨组成的上下两层搅拌桨 叶的六种组合形式进行数值模拟，找出六种搅拌桨叶组合中混合效果最 武汉i ：样人学硕十学位论文 佳的桨叶组合，并对最佳桨叶组合的生物搅拌反应器搅拌桨叶的安装高 度以及搅拌速度分别进行优化分析，并得到搅拌桨叶比较合理的安装高 度以及搅拌速度。 ( 2 ) 三层生物搅拌反应器单相流的数值模拟与优化研究 在双层生物搅拌反应器的优化基础上，利用数值模拟的方法对三层 生物搅拌反应器进行优化研究，发现上层和中间层桨叶为下推式4 5 0 斜叶 桨，下层桨叶为六直叶圆盘涡轮桨的流场流动更均匀，混合效果更好， 流动死角比较少。另外，搅拌桨分布要均匀，桨间距太大会影响流动效 果，搅拌速度对流型基本没有影响，只是影响其绝对速度的大小。 ( 3 ) 三层生物搅拌反应器气液两相流的数值模拟 在三层生物搅拌反应器的优化基础上，利用数值模拟的方法对上层 和中间层桨叶为下推式4 5 0 斜叶桨，下层桨叶为六直叶圆盘涡轮桨的生 物搅拌反应器进行气液两相流的模拟研究，得到不同通气量下气含率的 分布情况。 4 第二章文献综述 2 1 搅拌桨的种类及其特性 第二章文献综述 涡轮式搅拌桨一般为生化反应气一液分散的主要搅拌装置，目前， 研究出的一些轴向流搅拌桨更能使生物搅拌反应器的混合情况得到加 强，使流动更为均匀1 3 】。下面介绍几种常用的径向和轴向流搅拌桨。 ( 1 ) 涡轮式搅拌桨叶 叶片形状和安装的角度得不同将导致涡轮式搅拌桨的名称和用途 也不相同。l ：k 女h 六直叶圆盘涡轮、六弯叶圆盘涡轮、六弧叶圆盘涡轮等 属于径向流涡轮，而六斜叶圆盘涡轮、开启六斜叶涡轮等属于轴向流涡 轮。 4 1 1 , 样“一 六直叶圆盘涡轮六弯叶圆盘涡轮六弧叶圆盘涡轮 图2 1 径向流涡轮 六斜叶圆盘涡轮 图2 1 轴向流涡轮 开启六斜叶涡轮 。武汉l ：榉人学硕十学位论文 径向流涡轮旋转起来是从轴方向吸入液体并且将液体从径向排出， 如果生物搅拌反应器内装有挡板，排出流遇到生物搅拌反应器壁则向上 下分开，使生物搅拌反应器内形成上下循环的流型1 1 引。然而轴向流涡 轮能进行有效的轴向循环，在产生同样排量的情况下，轴向流涡轮所需 的功率仅占径向流涡轮的一半【1 引。另外，轴向流涡轮改善了径向流涡 轮循环弱的缺点，但是径向流涡轮分散气泡的能力比轴向流涡轮要好。 两类涡轮都是由于圆盘的存在，导致生物搅拌反应器内分成了以圆盘为 界的上下两个循环区【1 引。 ( 2 ) 推进式搅拌桨叶 + 推进式搅拌桨在旋转时使液体向前方成轴向排出，使之在搅拌反应 器内形成循环。但是，推进式搅拌桨在旋转时容易引起水平回转流。为 防止水平回转流，需在搅拌反应器内设置挡板，或把推进式搅拌桨与导 流筒配合，则能得到规整的轴向流，挡板的使用使叶轮的排出流受到限 制，增加了剪切作用。 上推式4 5 0 斜叶桨下推式4 5 0 斜叶桨 图2 3 推进式搅拌桨 推进式搅拌桨的特征是排出液体的能力强，但不适用于要求较高剪 切力的各种分散和反应操作，主要用于液一液系的混合。另外在多层气 液搅拌系统中，为增强循环作用，可以考虑选用该类搅拌桨来加强整个 6 第：章文献综述 搅拌反应器的循环。 ， ( 3 ) m i g 式和i n t e r m i g 式搅拌桨叶 m i g 的意义是多段逆流搅拌器，i n t e r m i g 是其改进型。这两种叶轮 的设计原理是相同的，当叶轮旋转时，叶轮的端部和根部分别把液体向 相反的方向推进，促进液体形成轴向循环。 酽r ：”。弼黛 。i 。峙免2 五，。赫i 靠“如口p 。? ；j ? 赫罄j “o “屹、a ? f 。缸。象 图2 叫m i g 和i n t e r m i g 式搅拌桨 由于m i g 式和i n t e r m i g 式搅拌桨常是多层地使用，因此从整个搅拌器_ 看，这两种叶轮类似于一个非连续的内外单螺带叶轮或非连续的螺带一 螺杆式叶轮。这两种叶轮适用于低、中粘度液体，特别适用于过度流域 下操作。 因此，此类叶轮不适宜在低雷诺数下操作，非常适合于低、中粘液 体的固一液悬浮、液一液分散、气一液分散等。 2 2 生物搅拌反应器流场的特点 流体在生物搅拌反应器内的三维流动是非常复杂的，但是可以利用 坐标系将生物搅拌反应器的流动形态进行三维分解，将空间流动形态分 7 文 图2 5 三种流向 由于搅拌桨叶对流体的作用主要体现在对流体的剪切和促使流体 在搅拌反应器内进行循环流动两个方面，因此要进行优化设计、开发新 型搅拌反应器，精确的流场信息十分必须的。生物搅拌反应器内的流动 形态取决于搅拌桨叶的结构、搅拌反应器和内部构件的几何特征、以及 流体的流动性质、搅拌桨叶的转速等因素引。 2 2 1 径向流 流体的流动方向垂直于搅拌轴，沿径向流动，碰到搅拌反应器壁面 分成两股流体分别向上、向下流动，再回到叶端，不穿过叶片，形成上、 下两个循环流，如图2 川所示。径向流的剪切作用大，造成的局部涡 流运动剧烈，适用于需要较高剪切作用的搅拌过程，如气一液分散、液 第一二章文献综述 一液分散和固体溶解【1 9 1 。 2 2 2 轴向流 图2 _ 6 径向流 流体的流动方向平行于搅拌轴，流体由桨叶推动，向下流动，遇到 搅拌反应器底面再上翻，形成一个整体循环流，如图2 7 所示。轴向 流的循环速度大，有利于宏观混合，适用于液体的混合、沉降速度低的 固体悬浮【1 引。 图2 _ _ 7 轴向流 9 武汉l ：程人学硕十学位论文 2 2 3 切向流 无挡板的搅拌反应器内，流体绕轴作旋转运动，流速高时流体在离 心力的作用下涌向搅拌反应器壁，中心部分液面下降，表面形成一个大 漩涡，如图2 8 所示。此时流体从桨叶周围切向卷吸至桨叶区，几乎 不产生轴向作用，混合效果很差。 图2 _ 8 切向流 上述三种流动形态通常同时存在，其中径向流和轴向流对混合起主 要作用，而切向流应加以限制，如安装挡板可消弱切向流，增强径向流 和轴向流【2 0 1 。 2 3 生物搅拌反应器发酵的溶氧速率 氧的溶解过程实质上就是气体吸收过程，因此这一过程可以用气体 吸收的基本理论即双膜理论【2 1 1 阐明，其基本前提是： ( 1 ) 在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面，在界面的气泡一 侧存在着一层气膜，在界面的液体一侧存在着一层液膜。气膜内的气体 分子和液膜中的液体分子都处于层流状态。另外，气泡内除开气膜以外 l o 第二章文献综述 的气体分子，处于对流状态，称为气体主流，在空气主流空间的任一 点，氧分子的浓度相同，液体主流中也是如此。 ( 2 ) 在双膜之间的界面上，氧气的分压强与溶于液体中的氧的浓 度处于平衡关系。 ( 3 ) 传质过程处于稳定状态，传质途径上各点的氧的浓度不随时 间而变。 根据双膜理论，推出了体积溶氧速率的计算式如下： n v = k l a ( c - c )( 2 一1 ) 式中：卜液相主流中氧的液相浓度 c 与气体主流中氧的分压强p 相平衡的氧的液相浓度，可 根据亨利定律：p = h c * 计算得 n ，体积溶氧速率 k 。a _ 一以c * - c 为推动力的体积溶氧系数 根据双膜理论导出的式( 2 1 ) 是这个领域内科学试验的基本依 据之一，过去已经发表了很多这类的研究报道，瑞查兹【2 2 1 建立的关系 式曾在2 5 升到8 5 0 0 升的试验设备上得到了证实。他根据前人的关系 式，令液体的粘度、密度p 、表面张力盯、气体溶质在液相中的扩散 度d 及气泡最终上升速度v t 为常数，又根据实验求得口= o 5 ，得到式： k l a 鲥4 刺s ( 2 吲 式中：卜搅拌器转速( r m i n ) p g 通气时搅拌器输入液体的功率 v - 瑚拌反应器内液体体积( m 3 ) v 。搅拌反应器内空载面空气线速度( c m m i n ) 武汉l ：程人学硕十学位论文 提高k , a 的方法有以下几种【2 3 l ： ( 1 ) 增加搅拌器转速n ，以提高p g ，可以有效地提高k , a 。 ( 2 ) 加大通气量q ，以提高v 。在低通气量时，提高q 可以增大 k l a 。但当通气量已经很高时，进一步提高q ，p g 也将随之剧烈降低，其 综合效果将不会使k i j a 增加，甚至可能下降。只有在增大q 的同时也相 应提高n ，使p g 不至于过分降低的情况下，才能最有效地提高k l a 。 ( 3 ) 为了提高n v ，除了提高k , a 之外，提高c 也是可行的方法之一。 在空气中通入纯氧，或在可能时提高搅拌反应器内的操作压力，均可使 c 增高，从而提高了氧传递的推动力。 2 4 影响生物搅拌反应器发酵的重要因素 2 4 1 氧气的溶解 溶氧毫无疑问是耗氧发酵中的一个关键问题，它直接影响到细胞的 初生代谢和能量代谢，与次生代谢的生成也有密切关联【2 4j 。 对耗氧发酵来说，大约有1 5 2 0 的操作费用花费在供氧体系上，因 此氧传递的改进将会产生巨大的经济效益，许多研究者对此做了大量的 研究。j u n k e r 等人瞄1 对链霉菌进行发酵研究时发现，使用a 3 1 5 型轴向 向上桨将会导致供氧不足。s m a r t 2 6 1 对初始氧传递系数为3 5 3 9 h 一1 的长春花细胞培养体系，发现当氧传递系数增加至1 4 5 h - 1 时，细胞生 物量增加了4 0 一7 0 ，但是，当氧传递系数继续增加到3 9 h 一1 时，细胞 产量却降低了3 8 。b a l l i c a 等人 2 7 1 研究发现当通气速率增加至1 0 v v m 时细胞量随之上升，但当通气量继续上升时，细胞生物量反而降低。这 些研究表明，不同的细胞对氧的消耗规律不是相同的，细胞对氧的需求 有一个最优值，并不是氧浓度越高，发酵效果越好。 1 2 第+ ：章文献综述 2 4 2 流场的混合 生物搅拌反应器的操作在很大程度上取决于气一液两相的混合状 况。因此，很多研究者花了大量的时间来研究生物搅拌器内的混合特性 2 8 , 2 9 , 3 0 , 3 1 】。k a w s e 和m o o y o u n g 3 2 1 基于k o l m o g o r o f f 湍流各向同性理论， 推导了混合时间的表达式，其表达式如下： 啊0 7 5 2 叫m y 知争 ( 2 _ 3 ) 这一公式表明对于标准形式的生物搅拌器，其无因次混合时间以在 湍流混合区内为一定值。许多研究者都热衷于选用好的搅拌桨来改善生 物搅拌反应器内部的混合状况 3 3 3 4 3 5 1 。并且发现对于特定的搅拌桨和特 定的生物搅拌器尺寸，其无因次混合时间为一定值。对于牛顿型流体， 上式可以变形为： 色= 4 2 7 专 2 4 ) 在后来的研究中，对混合时间的理论计算主要采用以下两个方法： 一是基于搅拌反应器内主流体的概念，其表达式有 3 6 , 3 7 , 3 8 】： 先= 3 9 ( d t ) - 3e 一 ( 2 5 ) 氏n = 3 ( d i s ) - 3 巧3 ( 2 - 6 ) 其中互、r 分别为流数和无因次功率数，其表达式为： f , = q n d ( 2 7 ) p o = p pn 3d 5( 2 - 8 ) 第二种方法是根据混合与湍流能量耗散梯度的关系，它的基本形式 武汉1 ：程人学硕十学位论文 为： 口g r1 1 2 ) i 乃 ( 2 9 ) 其中，为湍流尺度，对于高径比为1 的搅拌反应器，基本表达式 有： o - - 5 9 t 2 仃p 叫n ( d t ) - 3 ( 2 1 0 ) 生物搅拌反应器放大的最为关键的一个因素是搅拌反应器内流体 混合的均匀程度3 9 1 。 2 4 3 流动剪切力 为了尽量减小或避免生物搅拌反应器中的剪切力，研究者对搅拌桨 的结构形状及尺寸进行改进。另外在减小剪切的同时，新开发的搅拌桨 应具有较低的功率消耗，研究出的高效搅拌桨应具有低剪切高混合低能 耗的性能。另一方面，研究者对生物搅拌反应器的几何尺寸进行改进， 包括桨离搅拌反应器底的距离、搅拌反应器的高径比、挡板个数及宽度等。 为了对生物搅拌反应器的优化设计做更为深入细致的研究，需要寻 找对工程因素更为精确定量的方法，用以明确生物搅拌反应器内部水动 力学行为的精确结构，从而对生物搅拌反应器的设计和操作提供理论依 据，从根本上解决生物搅拌反应器进行大规模发酵中存在的问题。近年 来计算流体力学( c f d ) 在生物化工领域的应用以及其迅速发展为解决 这一难题提供了有效方法。 1 4 第_ _ ：章舣层生物搅拌反戍器单相流的数值模拟与优化 第三章双层生物搅拌反应器单相流的数值模拟与优化 3 1 模拟生物搅拌反应器的c f d 模型 f l u e n t 可以进行整个计算区域或者部分区域存在移动的流动模拟， 包括单个旋转坐标系和多旋转坐标系、平移坐标系的计算。对于生物搅 拌反应器以及其他相关设备来说，由于设备中搅拌叶片的周期性运动， 所以这些设备下的流动都是惯性条件下的非定常流动。但在没有定子的 情况下，流动相对于旋转部件来说，就变成了定常流动，这样流动的分 析就可以大大得到简化。通常模拟生物搅拌反应器流场的流体力学模型 有下列四种删： 1 多参考系( m r f ) 模型 2 混合面模型 ， 3 滑动网格模型 4 动网格模型 3 2 控制方程 c f d 刀法明基本步骤就是建豆控制万栏，并呙敢化，然后求危竿禺散力 程，判断其收敛性从而得出计算结果。其中控制方程包括连续方程、动量 方程、能量方程： a 国p + d i v 云) = o ( 3 1 ) 掣+ d i v b 矗) = d i v ( 腰a du ) 一罢+ s u ( 3 - 2 ) 掣+ d i v ) = d i v ( 腰a dv ) 一至a y + s v ( 3 - 3 ) 1 5 武汉i ：程人学硕十学位论文 掣+ d i v 伽) ：d i v ( x g r a dw ) 一考+ s - 掣+ d i v c d 劢) = d i v ( 土。g r a 别+ s t ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 式中：p 为密度，为动力粘度，t 为时间，t 为温度，p 为压力，k 为 传热系数，c ，为比热容，u 、v 、w 为速度矢量云的三个分量，s u 、s v 、s - 为 广义源项，s ，为黏性耗散项。 3 3 标准r s 湍流模型 茁一s 湍流模型用于计算边界层流动、管内流动、剪切流动以及三维 边界层流动。本文采用标准誓一占湍流模型，最简单的完整湍流模型是两 个方程的模型，要解两个变量，速度和长度尺度捌。 标准r 一模型的方程如下： 湍流动能方程k 和扩散方程： 昙慨) + 毒胁沪毒+ 丝o - , ) 1 堡a x sj l + q + g a p 一蝇 ( 3 - 6 ) 昙) + 毒( p 叫) = 考陋+ 等 誉 + q 。i ( g k + c 3 。g t , ) 一g 。p + 是c 3 7 ， 方程中g 。表示有层流速度梯度而产生的湍流动能，g 。是由浮力产生 第一章双层生物搅拌反麻器单相流的数值模拟与优化 研究中采用的生物搅拌反应器的结构如下，搅拌釜体为圆柱形，平 底，四块直立挡板相隔9 0 ”均匀排列，挡板宽度为b = l l o t = 1 9 m m 。生物搅 拌反应器直径t = 1 9 0 m m ，液位高度h = 4 4 0 m m ，下层桨叶离底高度 c = i 3 t = 6 3 3 m 。上下两层搅拌桨叶之间的距离统一为1 8 6 m m ，工作介质 为水，计算中搅拌转速为6 0 0 r p m 。搅拌桨叶是采用三种基本桨型组成六 种双层桨的组合形式，计算用桨型及基本尺寸如表3 - 1 所示。 表3 一l 计算用桨型及基本尺寸 叶片倾角 符号桨型桨径m m流型 o 、) 6 d t六直叶圆盘桨6 49 0径流 4 p b t u 四上扬式斜叶桨 1 2 01 3 5 混流 4 p b t d 四下推式斜叶桨 1 2 04 5混流 六种双层桨的组合形式如表3 - 2 所示。 表3 2 双层桨的组合形式 组合类 abcdef 型 上层桨 6 d t6 d t4 p b t u4 p b t d6 d t6 d t 6 d t6 d t6 d t6 d t4 p b t d4 p b t u 下层桨 上下桨 0 03 0 00 00 00 0 0 0 叶夹角 1 7 武汉i ：稗人学硕十学位论文 3 5 模拟方法及边界条件 3 5 1 模拟方法的选用 ， 本文六种组合都采取多重参考系法，生物搅拌反应器的整个计算域 被分成多个小的子域，每个子域可以有自己的运动方式。流场控制方程 在每个子域内进行求解，在子域的交界面上则通过将速度换算成绝对速 度的形式进行流场信息交换。 3 5 2 边界条件的设定 六种桨叶组合的计算边界条件均相同。 ( 1 ) 将计算域分为三个区域，其中有两个区域是动区域，动区域包括 上下两层旋转的桨叶，通过多重参考系法将动区域内的流体设为与搅拌 桨相同转速进行旋转，另外一个大区域是静区域，包括槽壁，将静区域内 的流体的速度设为0 。 ( 2 ) 设定搅拌轴和搅拌桨的旋转速度为6 0 0 r p m ，其他保持为默认条 件下的静止壁面边界条件。 ( 3 ) 工作介质设为2 5 0 下的水，动区域和静区域的工作介质的数据通 过交界面来传递。共设定九个交界面。 3 6 网格划分与数值模拟 采用f l u e n t 的前处理软件g a m b i t 将本文研究的生物搅拌反应器的六 种桨叶组合a 、b 、c 、d 、e 、f 分别划分为约1 2 0 6 3 7 4 、1 2 0 1 3 8 5 、1 2 6 0 3 1 8 、 1 2 6 1 5 7 1 、1 2 5 6 8 8 7 、1 2 6 2 6 8 4 个网格。 1 8 笙三童型星尘望燮堑星壁墅望塑堕丝垫篁墼塑羔垡垡 六直叶网盘桨叶( 6 d t ) 的网格图如图3 - 1 所示，四上扬式斜叶桨 ( 4 p b t u ) 的网格图如图3 2 所示，四下推式斜叶桨( p b t d ) 的网格图如图 3 3 所示。 图3 1图3 2 3 7 优化结果分析与讨论 3 7 1 搅拌桨叶形状优化分析 图3 - 3 将由三种基本桨型组成的六种桨叶组合形式的双层生物搅拌反应器 的模拟结构进行对比分析，主要分析六种组合形式所分别产生的速度分 布、湍流能量轴向分布以及流场分布。分析结果如下。 3 7 1 1 速度分布 六种桨叶组合形式( a 、b 、c 、d 、e 、f ) 的双层生物搅拌反应器的轴 向速度分布云图分别如下图3 4 、3 5 、3 - 6 、3 - 7 、3 - 8 、3 - 9 所示。 1 9 武汉i ：样人学硕十学位论文 2 5 9 e + 0 0 2 4 6 e + 0 0 2 3 3 e + 0 0 2 2 0 e + 0 0 2 0 7 e + 1 9 5 e + 0 0 1 e 2 e + 0 0 1 6 9 e + 0 0 15 6 e + 0 0 1 4 3 e + 0 0 1 e + 0 0 1 1 7 e + 0 0 1 0 4 e + 0 0 9 0 8 e - 们 7 7 8 枷1 6 4 8 e , - 0 1 5 1 9 枷1 3 8 9 枷1 2 5 9 枷1 1 3 0 帅1 0 o o e + 0 0 卜3 轴向速度分布云图图3 5b 组轴向速度分布云图 乙 3 8 3 e + 0 0 3 6 , 4 e + 0 0 3 4 5 e +