（热能工程专业论文）新型旋转热管生物反应器传热性能的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 搅拌反应器广泛应用于生物工业中。随着反应器规模的扩大，放大热效应越 来越突出，因此反应器中使用性能优越的传热元件显得尤为重要。本文在现有的 i o l 旋转热管生物反应器研究的基础上，改变旋转热管搅拌结构型式，在旋转热 管蒸发段上添加两层径向三组周向热管桨叶并与热管搅拌轴相通，两者组合的旋 转热管本身就是一个等温体，当旋转热管桨叶围绕搅拌轴转动时，可以形成圆筒 形的等温层，通过布置多层桨叶，可实现整个反应床层温度的均匀性，便于反应 器的放大研究。 本文对io l 具有新型旋转热管搅拌结构的反应器进行开发研究，其主要研 究工作和结论如下： ( 1 ) 应用计算流体力学软件f l u e n t 6 3 建立了i o l 新型旋转热管反应器的三维数 值模型，将多重参考系法( m r f ) 与滑移网格法( s m ) 相结合，选用标准抽 湍流模型对旋转热管反应器内的流动与混合情况进行数值模拟计算，设计并优化 了具有桨叶结构的旋转热管搅拌轴，选定旋转热管桨叶角度仅为1 5 0 。并对新型 旋转热管生物反应器传热系统进行了热阻分析。 ( 2 ) 对旋转热管反应器内的传热进行数值模拟计算，结果表明： 反应器内温度分布情况与流型是密切相关的。在流速较高的区域温度较 低，旋转热管桨叶的转动加剧了流场的湍流强度，在反应器中形成了两 层低温同心圆，并且改善了反应器自由液面处的流动传热情况。 通过对新型旋转热管生物反应器的计算得出旋转速度、反应温度、冷源 温度这三个参数对热管的传热量、冷凝段管外传热系数及热阻的影响关 系。 ( 3 ) 改进现有的i o l 旋转热管生物反应器的实验装置，用带桨叶的旋转热管搅 拌轴替代原有的搅拌轴。在不同操作条件下对旋转热管的传热性能进行实验研 究，得到以下结论： 研究旋转速度、反应温度和热管充液量这三个参数对冷凝段管外传热系 数、热管输出功率、加热棒输入功率及热阻的影响关系。旋转热管的转 速越高，反应温度越大，传热性能就越好。旋转热管存在最佳充液量， 摘要 当0 = 2 0 时传热性能最好。 所开发的带桨叶的旋转热管搅拌轴蒸发段换热面积是无桨叶旋转热管的 1 6 倍。新型热管反应器在实验工况下能驱除的反应热在l 1 9 k w m 3 范围 内，最大驱除反应热是无桨叶旋转热管反应器在相同工况下的1 5 5 倍。 与面积的增加基本上成正比关系，旋转热管传热量增加的主要原因是传 热面积的增加。 充液量为2 0 、反应热q = 8 7 6 8 k w m 3 、反应温度t = 5 0 。c 、冷源温度 t k = 5 5 4 c 、搅拌转速n = 2 8 0 r m i n 的操作条件下，运用计算流体力学软件 f l u e n t 6 3 对1 0 l 新型旋转热管生物反应器进行温度场的模拟计算，结果 表明反应器内温度场分布均匀，变化趋势与实验所测趋势一致，平均误 差较为9 ，模拟结果与实验结果较为吻合。 研究结果表明：所改进的旋转热管反应器能够驱除更多的反应热，反应器内 温度分布更加均匀，为今后工程放大提供了可靠的理论依据。 关键词：旋转热管生物反应器桨叶传热，温度分布计算流体力学 硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t i r r e dr e a c t o r sa r ew i d e l yu s e di nt h eb i o l o g i c a li n d u s t r y m mt h e e x p a n s i o no ft h er e a c t o rs c a l e ，t h eh e a tt r a n s f e ra m p l i f i c a t i o ne f f e c tb e c o m es e r o u s ，s o t h ea p p l i c a t i o no fh i g he f f i c i e n c yh e a tt r a n s f e rc o m p o n e n ti nt h es t i r r e dr e a c t o r si s q u i t en e c e s s a r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h em i x i n gs 臼1 l c t i l r eo fr o t a t i n gh e a tp i p ew a s m o d i f i e db a s e do nt h eo r i g i n a lr o t a t i n gh e a tp i p eb i o r e a c t o ro f10 l t h r e ep a i r so f h e a tp i p ei m p e l l e r sw e r ea d d e dt ot h eh e a tp i p es h a f ta n dt h ei n t e r n a ls p a c ew e r e c o n n e c t e d , w i t he a c hp a i rc o n s i s t i n go ft w oh e a tp i p e s t h eh e a tp 啦i m p e l l e r s t o g e t h e rw i t ht h es h a f tc o n s t i t u t e da ni s o t h e r m a lb o d y , a n dw h e n t h ei m p e l l e r sr o t a t e d w i t ht h es t 础a nc y l i n d r i c a li s o t h e r m a ll a y e rw a sf o r m e d , w h i c hc o u l di m p r o v et h e t e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yi nt h eb i o r e a c t o r t h eh e a tp i p ei m p e l l e r so ft h i sk i n da r e b e n e f i c i a lf o rt h es c a l eu po fb i o r e a c t o r s o m ed e v e l o p m e n t sa n dr e s e a r c h e so nt h en e wt y p er o t a t i n gh e a tp i p eb i o r e a c t o ro f 10 lw e r ec a r r i e do u t 。t h em a j o rc o n c l u s i o n sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et h r e ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lo fn e wt y p er o t a t i n gh e a tp i p eb i o r e a c t o r w e r eb u i l tu s i n gt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r ef l u e n t6 3 t h ef l o w a n dm i x i n gp r o c e s si nt h eb i o r e a c t o rw e r ec a l c u l a t e d 、 ，i t ht h es t a n d a r dk - e t u r b u l e n tm o d e l ，m u l t i p l e - r e f e r e n c ef r a m em e t h o d ( m r f ) a n ds l i d i n gm e s h m e t h o d ( s m ) b e i n gu s e d t h es t r u c t u r eo fr o t a t i n gh e a tp i p es h a f tw i t hi m p e l l e r s w a sd e s i g n e da n do p t i m i z e d t h eo p t i m a la n g l eo ft h eh e a tp i p ei m p e l l e rw a s15 。 t h eh e a tr e s i s t a n c ea n a l y s i so ft h eh e a tt r a n s f e rs y s t e mi nt h i sb i o r e a c t o rw a sa l s o ( 2 ) t h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h er o t a t i n gh e a tp i p eb i o r e a c t o rw a ss i m u l a t e d ， a n dt h er e s u l t sa r es h o w e da sf o l l o w s ： ot h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ei nt h eb i o r e a c t o rw a sc l o s e l yr e l a t e dw i t ht h e f l o wp a t t e r n t h et e m p e r a t u r ew a sl o w e ri nt h eh i g hf l o wr e g i o na st h em t a ：t i n go f t h eh e a tp i p ei m p e l l e ra n dr u s h t o nt u r b i n em a d et h et u r b u l e n c ei n t e n s i t yh i g h e r i l e a l t h ei m p e l l e r sw h e r e f o r em o r eh e a tw a st a k e na w a y t w ol o wt e m p e r a t u r e i i i 摘要 l a y e r so fc o n c e n t r i cc i r c l et y p ew e r ef o r m e dn e a rt h eh e a tp i p ei m p e l l e r ，w h i c h i m p r o v e dt h ef l o w a n dh e a tt r a n s f e rs i t u a t i o nn e a rt h el i q u i dl e v e ro fb i o r e a c t o r t h eh e a tt r a n s f e rb e h a v i o ro ft h eb i o r e a c t o ru n d e rd i f f e r e n tr o t a t i n gs p e e d s ， r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，c o l ds o u r c et e m p e r a t u r ew e r ec a l c u l a l i e di nd e t a i l t h e i n f l u e n c eo ft h et h r e ep a r a m e t e r so nh e a tt r a n s f e rc a p a c i t yo ft h eh e a tp i p e ，h e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h ec o n d e n s i n gs e c t i o n o u t s i d et h ep i p ea n dh e a tr e s i s t a n c e w e r ea l s od i s c u s s e d ( 3 ) t h et e s ts y s t e mf o rt h em o d i f i e dr o t a t i n gh e a tp i p eb i o r e a c t o rw a s s e tu p t h eh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h er o t a t i n gh e a tp i p ea n dt h ew h o l et e m p e r a t u r ef i e l di n t h er e a c t o ru n d e rd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r es t u d i e d t h ei n f l u e n c eo fr o t a t i n gs p e e d , r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dl i q u i df i l l i n g q u a n t i t yo fh e a tp i p eo nt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h ec o n d e n s i n gs e c t i o n o u t s i d et h ep i p e ，o u t p u tp o w e ro fh e a tp i p e ，o u t p u tp o w e ro fh e a t i n gr o da n dh e a t r e s i s t a n c ew e r ea n a l y s e d t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r eb e c a m eh i g h e ra n dh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eb e c a m eb e t t e r , 、析t l lt h ei n c r e a s i n go ft h er o t a t i n gs p e e do f h e a tp i p e t h er o t a t i n gh e a tp i p eh a dao p t i m a ll i q u i df i l l i n gq u a n t i t yo f 痧= 2 0 ， a tw h i c hc o n d i t i o nt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ew a st h eb e s t t h eh e a tt r a n s f e ra r e ao ft h en e wt y p er o t a t i n gh e a tp i p es h a f tw i t hh e a tp i p e i m p e l l e r sw a s1 6t i m e sl a r g e rt h a nt h a to ft h es h a f tw i t h o u ti m p e l l e r s u n d e rt h e t e s tc o n d i t i o n s ，t h en e wt y p er o t a t i n gh e a tp i p eb i o r e a c t o rc o u l dr e m o v et h e r e a c t i o nh e a to f1 1 9 k w m 3 t h em a x i m u mr e m o v e dr e a c t i o nh e a tw a s1 5 5t i m e s l a r g e rt h a nt h a to fb i o r e a c t o rw i t h o u th e a tp i p ei m p e l l e r s ，w h i c hw a sp r o p o r t i o nt o t h eh e a tt r a n s f e ra r e a t h ei n c r e a s eo fh e a tt r a n s f e rc a p a c i t yo ft h er o t a t i n gh e a t p i p ew a sd u e t ot h ei n c r e a s eo ft h eh e a tt r a n s f e ra r e a b a s e do nt h ee x p e r i m e n t , f l u e n t6 3w a su s e dt os i m u l a t et h eh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c eo ft h er o t a t i n gh e a tp i p eb i o r e a c t o ru n d e rt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no f h e a tp i p eo f2 0 l i q u i df i n i n gr a t i o ，r e a c t i o nh e a to f8 7 6 8k w m 3 ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r eo f5 0 4 c ，s i n kt e m p e r a t u r eo f5 5 4 。ca n dr o t a t i o ns p e e do f2 8 0 r m i n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ei nt h eb i o r e a c t o rw a sq u i t e u n i f o r m ，a n dt h ev a r i a t i o nt e n d e n c yw a sc o n s i s t e n tw i t ht h a to ft h ee x p e r i m e n t i v 硕士学位论文 t h ec f dr e s u l t sa g r e e dq u i t ew e l lw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，w i t ha na v e r a g e e r r o rb e i n g9 t h er e s u l t so ft h i ss t u d yi n d i c a ：t e dt h a tt h ei m p r o v e ds t r u c t u r eo ft h er o t a t i n gh e a t p 啦s 嫩h a sab e t t e rc a p a c i t yo fr e m o v i n gr e a c t i o nh e a tt h a nt h a to ft h eo r i g i n a l s h a f t , a n dt h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ei nt h eb i o r e a c t o rb e c a m e m o r eu n i f o r m t h e s t u d yw i l ls e r v ea saf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n ds c a l eu po p e r a t i o no fh i 曲 e f f i c i e n c yb i o r e a c t o ri nt h eb i o l o g i c a li n d u s t r y k e y w o r d s ：r o t a t i n gh e a tp i p e ；b i o r e a c t o r ；i m p e l l e r ；h e a tt r a n s f e r ；t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n ；c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 目录 第1 章绪论。l 1 1 课题背景1 1 1 1搅拌反应器在生物工业生产中的应用1 1 1 2 搅拌生物反应器的传热。2 1 1 3 传统搅拌生物反应器的传热方式3 1 2 热管生物反应器的研究进展4 1 2 1 热管式生物反应器的研究进展5 1 2 2 热管式搅拌轴的研究进展6 1 3 旋转热管的相关研究现状8 1 4 本文的研究内容l0 参考文献1 0 第2 章搅拌结构的优化设计和热阻分析1 4 2 1新型旋转热管生物反应器1 4 2 1 1新型旋转热管生物反应器的结构1 4 2 1 2 新型旋转热管生物反应器的搅拌结构一1 4 2 2 新型旋转热管生物反应器搅拌结构的优化设计l5 2 2 1 搅拌结构规格的确定1 6 2 2 2 不同搅拌结构的流场分析和功率分析1 6 2 2 3不同搅拌结构的混合情况2 3 2 3 新型旋转热管生物反应器的热阻分析2 9 2 4 本章小结3 3 参考文献3 3 第3 章新型旋转热管生物反应器的模拟研究3 4 v i 硕士学位论文 3 1 新型旋转热管生物反应器的模型3 4 3 1 1控制方程3 4 3 1 2 计算模型的建立3 6 3 1 3 模拟参数及边界条件的确定3 7 3 1 4 数值求解方法3 7 3 - 2 数值模拟结果与讨论3 8 3 2 1旋转热管生物反应器内的温度场分布3 9 3 2 2 旋转速度对传热性能的影响4 2 3 2 3 反应温度对传热性能的影响4 3 3 2 4 冷源温度对传热性能的影响4 4 3 3 本章小结4 5 参考文献4 5 第4 章新型旋转热管生物反应器的试验研究4 7 4 1 试验装置4 7 4 2 试验步骤4 9 4 3 数据处理4 9 4 4 旋转热管的传热性能结果分析51 4 4 1 不同充液率下旋转速度对热管传热性能的影响5 1 4 4 2 不同反应温度下充液率对旋转热管传热性能的影响5 5 4 5 反应器内温度场分布的结果分析5 9 4 5 1 反应器内温度场分布的试验结果5 9 4 5 2 与无桨叶旋转热管生物反应器试验结果的比较6 4 4 5 3 试验结果与模拟结果的比较6 4 4 6 本章小结6 6 参考文献6 7 第5 章结论和展望6 8 5 1结论。6 8 5 2 展望6 9 符号表1 1付丐衣1 v 目录 在读期间发表论文情况7 5 致谢7 6 v m 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 机械搅拌式反应器被广泛应用于生物工程领域。它具有传热和传质效率高、 混合效果好、接触面积大等特点。在许多工业过程的开发中，常常需要对这种反 应器进行设计和放大。随着反应器体积的增大，传热问题成为反应器大型化的限 制因素。开发出高效可靠的传热系统，有利于推动生物产品的工业化生产进程。 反应器内的传热和反应过程是同时存在并相互影响的，反应过程通过放热或吸热 改变反应液温度，从而影响流动并改变反应产物的合成或分解方向，而流动状态 的变化会改变反应液的浓度场和温度场，进而影响反应过程。因此对于搅拌反应 器的研究主要集中于两个方面：一是搅拌反应器内流体混合特性的研究；二是搅 拌反应器内传热和温度分布的研究。 1 1 1 搅拌反应器在生物工业生产中的应用 搅拌可以使两种或者多种不同的物质在彼此之中互相扩散，从而达到均匀混 合。在化工工艺过程中，对于加热、冷却和液体萃取以及气体吸收等物理变化过 程，往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。据统计，三大高分子合成材料生产 中约有7 0 是采用搅拌釜式反应器完成的i i j 。 生物工业生产中，将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工 业生产的工艺过程称为生化反应过程。反应器是整个生化反应过程的关键设备。 为特定的细胞或酶提供适宜的生长环境或进行特定生化反应的设备。随着生物技 术的发展，生化反应过程的种类和规模都在不断的扩大。目前已经进行工业生产 的主要有酶催化反应过程、细胞反应过程以及废水的生物处理过程【2 j 。这些过程 对反应器的结构和功能都有特定的需要。随着各类生物培养过程的发展，人们紧 紧围绕着生物反应器如何才能为生物过程提供最优反应环境的问题，对反应器进 行了大量的改进和结构上的创新，如为生物过程提供低剪切的提升桨生物反应器 【3 】；为生物过程提供高传质的多孔筛导流筒生物反应器【4 】；为生物过程提供低剪 切高传质的脉冲混合式生物反应器【5 】；为生物过程提供高密度培养环境的高密度 细胞培养生物反应器【6 】；为特殊生物过程提供培养环境的固定化酶搅拌桨反应器 第1 章绪论 7 1 ，螺旋管光照气升式生物反应器【8 】等。这些生物反应器都不同程度地提高了反 应器的传质能力，降低了剪切力，为生物反应过程提供了良好的反应环境。机械 搅拌式生物反应器通过内置的各种型式搅拌桨的搅拌作用，来实现操作介质的混 合、分散和相问传质，最终达到细胞培养或生化反应的目的。机械搅拌式生物反 应器广泛用于抗生素、酵母、氨基酸、有机酸或酶的生产，显示出高生产效率和 高经济效益的优点，其结构较为简单，能适用于大多数的生物过程，而且存在很 多成熟的工程设计标准，成为目前应用最为普遍的一类生物反应设备。 1 1 2 搅拌生物反应器的传热 在现代工业生产过程中，多数生物反应是在有搅拌桨的反应器中进行的放热 或吸热反应，连续搅拌釜反应器( c o n t i n u o u s s t i r r i n gr e a c t o r ) 系统中最重要的 参数就是反应温度，c s t r 温度控制的品质直接影响产品质量和产量，如果产生 的反应热得不到及时排放或不能及时补充反应器所需的能量，就会出现局部过热 或过冷，进而引起反应失控【9 】。 生物反应中，绝大部分生物反应需要氧气参加，而需氧反应是强放热的，通 常发酵热的参数值在6 , 、- 1 0 k w m 3 之间，峰期可达4 0 k w i n 3 【1 0 】。以大肠杆菌的高 密度培养为例，其摄氧率可达2 4 0 3 0 0 m m o l l h 的水平，被利用时会产生的热 值为4 6 0 k j m o l ，折算成代谢热为3 8 4 k w m 3 ，加上搅拌热，发热值达4 0 4 k w m 3 1 1 】。 因此反应器内热量的去除是一个值得重视的问题【1 2 1 。此外，近年来研究还表明， 生化反应具有温度、p h 值以及培养基的阶段性特点，其中温度还具有一定振荡 性特点【l3 1 ，反应器中的温度是否均匀以及传热速率的大小等都对整个反应过程 及产品质量有决定性的影响。例如，在聚氯乙烯( p o l y v i n y l c h l o r i d e ，p v c ) 生 产过程中，要求相邻两个型号p v c 树脂的聚合温度相差仅2 3 ，这对聚合温度 的控制要求相当高。如果聚合温度超出一定的偏差，就会影响产品的质量，严重 的导致p v c 树脂转型。而釜温波动过大则会使聚合度分布不均，p v c 树脂质量下 降。如果反应釜移热不及时可能导致爆聚，引发生产事故；移热过多又可能导致 僵釜，所以聚合过程对反应温度的要求相当严格【1 3 】。这些给生物反应器的设计 提出了很高的要求。温度是影响微生物生长发育及代谢活动的重要因素，是主要 的环境控制参数。在微生物发酵过程中，菌类的生长条件受温度的影响很大，局 部温度过高或过低都将影响其生存，使得单位体积内菌类的浓度降低，影响到产 2 硕士学位论文 品的质量，甚至难以得到所需的产品，不同的温度条件下会培植出不同的菌类。 为了得到所需的产品，必须了解反应器内温度场的分布，提高反应器内传热效果， 从而准确及时地控制好反应器温度。 综上所述，工业生产中的反应器要选择适用于强传热生产过程的传热元件以 提高传热效率，并且要求反应器内的温度场尽可能均匀，以求能精准控制反应温 度，在空间尺度上和时间尺度上满足最佳工艺要求。因此研究反应器内传热元件 的结构型式，开发出具有高传热效率的新型传热元件对实际的生产和设计具有重 要的指导意义。 1 1 3 传统搅拌生物反应器的传热方式 搅拌反应器中常用的传热元件有夹套、内构件( 横向盘管和竖式盘管) 、内 附件( 导流筒和挡板) 以及搅拌器本身。夹套有环形夹套( 空心夹套) 、带绕流 喷嘴的环形夹套、螺旋导流板夹套、半管螺旋夹套、内部夹套和双壳夹套等。几 何相似的搅拌罐随容积的增大，单位体积所对应的传热面积与罐径成比例地减 少。故对于大型搅拌罐，还需在罐内装置内构件，其中盘管和直管是最常用的。 导流筒也往往被用做传热元件，有些大型反应罐还在搅拌器内通入热载体，使搅 拌叶轮的表面也参与传热。 这些传热元件的传热机理是相同的，固体的传热面把反应液和热载体分隔 开，传热面通常由三层组成，中间是金属制的罐壁，两侧分别有来自反应液的黏 罐物和来自热载体的污垢。热量从反应液侧传递到热载体侧必须通过反应液对传 热面的对流传热、多层固体的热传导、传热面对热载体的对流传热三个环节。但 这些传热方式存在着共同的缺点： ( 1 ) 反应器需很大的传热面积 生化反应所产生的反应热比较大，而其所需的反应温度又较低，特别是微生 物反应一般维持在3 0 4 0 。c 之间，反应热的驱除是生化反应器设计者必须重视的 问题。由于发酵液与常用的冷却水的传热温差较小，而传统的这些依靠传热介质 的显热改变而进行的传热方式，传热系数心啕较小，一般夹套的传热系数约为 2 5 0 w ( m 2 ) ，蛇管的传热系数约为5 0 0 附) 。根据传热方程q = 觑丁可 知，为保证足够的传热量，这些反应器就必须具有很大的传热面积，造成设备投 资大，设备费用高。传热装置的增大同时也减小了反应液的装填空间，使生产能 第1 章绪论 力降低。 ( 2 ) 反应器内温度分布不均匀 反应器特别是大型反应器内温度分布的问题无法解决。在化学反应过程中， 反应温度受搅拌影响，如果分布不均匀，就会出现局部过热或过冷，进而引起反 应失控。在生物发酵过程中，活性细胞和酶对温度较为敏感，反应器内温度传感 器所测的周围温度可能适应细胞和酶的生长和反应，但反应器内其它局部区域存 在温度偏高或偏低将导致菌体活性降低，严重的乃至死亡【1 4 1 。 ( 3 ) 反应器的放大受传热限制 生化反应产生的热量随反应器体积线性增加，而按几何放大的反应器表面积 与体积之比随之按2 3 次幂增加。由于传热量正比于表面积，因此对于夹套等以 反应器外表面进行传热的一类反应器在无冷冻条件下存在着一个能够冷却的最 大反应器体积，这使反应器的放大常受热量交换的限制。 ( 4 ) 冷却水消耗量大 由于生化反应热大、传热温差小、传热系数低，依靠水的焓差转移热量不大。 因而需要大量冷却水循环换热才能确保冷却水的温度降低到生化反应工艺要求 的温度水平。反应液和冷却水之间的传热温差又较小。同样，根据传热方程 q = k a a t 可知，为确保生物反应在适宜的温度下进行，这些反应器需要大量 的冷却水来带走热量。我国水资源比较缺乏，而冷却水的循环使用也引起材料的 腐蚀以及生产成本的增加，大量的废水也将引起严重的环境污染。 ( 5 ) 难以灵敏地控制反应温度 绝大多数的生化反应都是气液固三相反应，由于气泡冲击液固相边界层的作 用，反应介质中热端的给热系数虽然较高，但介质中冷端给热系数很低，致使总 传热系数与传热速率均较低，而难以实现按工艺要求进行灵敏动态地调节温度。 上述问题限制了传统搅拌式反应器在一些工业领域的大规模应用，也使得使 用这些反应器的很多传统生物技术产业达不到最优操作而难以发展，改进生物反 应器中热质传递的过程和设备，是生物反应器开发的趋势和未来方向。 1 2 热管生物反应器的研究进展 热管技术应用在反应器中具有反应床层温度均匀、快速移出或输入反应热 量、能够控制反应温度以及反应器的升温和停车等优点。由于生物反应的温度较 4 硕士学位论文 低，一般在3 0 4 0 之间，采用低温或常温热管即可实现热量的传递，达到生物 反应的温度条件，目前对热管生物反应器的研究主要集中在强放热生物反应的取 热问题方面。 1 2 1 热管生物反应器的研究进展 2 0 0 2 年李冰峰【1 5 】等将热管应用于生物反应器，设计加工了一种全新的集搅 拌、气升及热管传热于一体的5 l 热管生物反应器，用水和2 羧甲基纤维素模拟 反应介质、在不同工况条件下对反应器的温度分布进行试验研究，进而又用实测 的反应器温度数据拟合出有关参数，用商业软件c f x 对自然冷却、三根热管的反 应器内温度分布进行模拟计算。实验结果表明：该反应器能为复杂的生物反应 过程提供良好的反应环境；热管的传热系数高达1 0 0 9 - - 4 0 5 7 w ( i n 2 ) 。在同等 操作条件下热管的传热系数为蛇管的8 倍，为水夹套的1 0 倍；反应器内反应介 质的主体流温差极小。模拟结果表明：计算时设定转速为5 0 r m i n ，对传热功 率为7 0 2 w 时羧甲基纤维素钠溶液体系的实验结果模拟并修正，得到各物性参数 的修正系数：密度的修正系数为0 9 2 ，粘度的修正系数为1 2 2 ，比热的修正系数 为0 8 5 ，导热系数的修正系数为o 7 5 ，模拟计算结果与实验结果基本一致；针 对羧甲基纤维素钠溶液体系模拟中的两点误差：反应器的底部计算温度比实测温 度高了1 ；计算没有表现出温度在沿搅拌轴径向上的差异性。采用上述经过修 正后的模型，对水体系各传热情况进行模拟计算，所得结果与实验结果仍能保持 一致。 2 0 0 3 年南京工业大学王煜【1 6 】等人采用粒子成像测速仪( p a r t i c a li m a g e v e l o c i m e t r y ) 对5 l 热管生物反应器( h e a tp i p eb i o r e a c t o r ) 中流场进行了测定，以 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 为基础结合反应器内流场、温度 场试验数据，拟合了该反应器中动量、热量传递模型。并在反应器内发酵大肠杆 菌制备l 一苯丙氨酸，结果表明：与用传统的搅拌式生物反应器相比，用f i p b r 发酵的微生物菌体量从o 4 0 提高到o 5 4 ，其发酵液转化苯丙酮酸制备l 。苯丙氨 酸的平均得率从7 0 增加至7 5 。能达到较高的技术指标。在微生物生长各 阶段反应器重发酵液的温度很均匀，其平均温差为0 0 8 。c 、最大温差为0 4 。c 。 利用c f x 软件对5 l 热管生物反应器内均相、两相的牛顿和非牛顿流体在不同工 况下进行温度场计算，反应器内温度场的模拟误差远低于用传统经验关联式所得 第1 章绪论 的计算误差3 0 - 4 0 ，结果表明：应用经典的n a v i e r - s t o k e s 方程模拟反应器 内层流状态下所有体系的温度场，拟合误差均很小，其平均误差仅为7 8 ； 用x 咕模型模拟反应器中流体湍流时的温度分布，计算值与实验值的误差略高于 层流时的误差，为1 0 - 11 ；非牛顿流体的温度分布计算值与实验值的平均误 差较牛顿流体高，层流时为1 2 ，湍流时为1 3 ；两相流体的传递过程很复 杂，其温度分布计算值与实验值的平均误差较均相流体的误差稍高，h 2 0 a i r 为 1 6 ，2 c m c a i r 为18 。 2 0 0 4 年徐舒【1 7 】等人建立 2 0 l 热管生物反应器流体及热管管壁的温度场测 试系统，研究了牛顿流体、非牛顿流体在不同操作条件下完整的温度场。并用流 体力学软件c f x 建立了热管生物反应器数学模型，提供了可靠的动量和热量衡算 方程组。实验结果表明：热管反应器可以有效的驱除反应热，热管在所有工况下 始终保持良好的等温性。模拟计算结果表明：应用经典的n a v i e r s t o k e s 方程模 拟反应器内层流状态下的温度场，计算值与实验值较吻合，平均误差为1 0 ； 用肛模型模拟反应器中流体湍流时的温度分布计算值与试验吻合，其平均误差 为1 6 ；反应器的结构越复杂，边界条件确定及相应的网格划分也更困难，温 度分布计算值与实验值误差会越大。 2 0 0 8 年雷照【l8 】等人设计并制造了特殊形状的倒j 型铜一水热管和倒2 型铜水 热管用于搅拌釜，采用热电阻测温技术及较优的用于强放热过程的二斜叶式搅拌 桨( 4 5 0 倾角) 在最佳的搅拌条件下测试热管的换热性能，结果表明：在较低的 工作温度下特殊形状的热管均能很好的工作，单位面积的换热功率大于其它换热 元件，且其还具有均匀温度分布的作用，因此可将这两种特殊形状的热管作为换 热元件应用于强放热反应的搅拌釜。 以上的结构型式都是将热管直接插入生物反应器中，热管在反应床层中静止 不动，因此占用了一定的反应空间。而将热管作为搅拌轴应用于反应器中，占用 体积小，节省了反应器内部空间，且由于热管自身的转动强化了热管管外反应器 内介质的传热传质，提高反应器内传热效率，提高生物反应效率，热管冷凝段通 过旋转风冷带走热量，减小了冷却水的用量，实现了节能减排的目的。 1 2 2 热管搅拌轴的研究进展 19 7 7 年d rj e 】融d 【1 9 1 针对搅拌生物反应器最早提出搅拌轴就是一根热管，两 6 硕士学位论文 端装有翅片以利集散热量，如图1 1 所示。这样的结构简单而集中，比常见的夹 套式或蛇管式搅拌器远为紧凑而有效。此热管可为吸液芯式、重力式或离心式。 但在大型釜式反应器中，作为搅拌轴的单根热管难以满足传热面积的要求，此时 需要采用多级釜串联或在釜内增加热管元件等手段。 散 j - | 一 口 二 j d口 图1 - 1 热管作为轴的搅拌反应器 f i g 1 - 1t h er e a c t o rw i t hh e a tp i p ea ss h a f t 19 9 5 年张红【2 0 1 针对氧化反应釜反应条件苛刻，传热情况复杂的问题提出采 用热管式搅拌轴，以此均匀反应温度场，提高化学反应效率。在偏苯三酸、偏苯 三酸三辛脂半工业化实验装置中得到运用。实现了反应床层的均温和反应热量的 移出。 2 0 1 0 年南京工业大学印彩霞【2 l 】开发设计了1 0 l 动态旋转热管生物反应器， 如图1 2 和图1 3 所示，将热管本身作为搅拌轴，解决了静态热管生物反应器存 电机加热棒2端盖 滑环 翅片 轴承和轴承座 热管 搅拌器 图1 2 旋转热管生物反应器试验系统 f i g 1 - 2s c h e m a t i co fe x p e r i m e n t a ls y s t