搅拌式反应器的模拟与优化设计.doc

搅拌式反应器的模拟与优化设计摘要在综述了计算流体力学(CFD)技术在搅拌式反应器中的研究进展的基础上，着重讨论了搅拌式反应器中流场的模拟方法, 包括“黑箱”模型法、内外迭代法、多重参考系法和滑移网格法, 并指出了CFD技术的发展方向。在此基础上, 对反应器内流场的数学模型进行了介绍与评价。最后提出应用人工神经网络技术与遗传算法, 优化生物反应的工艺操作条件, 并结合CFD技术, 实现生物反应器的结构优化, 从而达到对生物反应系统整体优化的目的, 以指导实验与工业生产。关键词计算流体力学，搅拌式反应器，数值模拟，人工神经网络，优化设计Simulation and optimization design of Stirred reactorAbstract： Base on the overview of computational fluid dynamics (CFD) technology in the stirred reactor research,we focused on the mixing reactor simulation of the flow field, including black box model of law, internal and external iteration, multiple reference frame method and the sliding mesh method, and pointed out the direction of development of CFD technology. On these basis,we described and evaluated the reactor flow mathematical model.We concludes with the application of artificial neural network and genetic algorithm to optimize the process operating conditions, biological response, and results combined CFD technology to achieve optimization of the structure of the bioreactor, so as to achieve overall optimization of the bioreactor system aims to guide experiments and industrial production.Keyword: computational fluid dynamics, stirred reactor, numerical simulation, artificial neural networks, optimization第1章 前言搅拌式反应器( Stirred Tank Reactor, STR)因其结构灵活、操作方式多样等特点, 广泛应用于生物化工、冶金、食品、医药及环境等领域。搅拌的目的一般分为液液混合、气泡分散、颗粒悬浮、强化传热以及加速化学反应等。根据不同的搅拌目的,所确定的最佳反应器几何结构和搅拌桨型式也会有所不同。工业中最常用的带挡板搅拌式反应器(Baf-fled Stirred Tank Reactor, BSTR) , 结构如图1所示。图1搅拌式反应器结构特征尺寸尽管搅拌式反应器的结构比较简单, 但反应器内的流体流动和混合过程却很复杂。由于反应器的设计和放大主要依靠经验方法, 设计周期长、偏差大等问题带来了巨大的经济损失。如何准确地描述和模拟反应器内的混合过程及流动状况, 为其优化设计和放大提供理论指导, 是生物反应器技术研究的一个重要发展方向1。20世纪70年代以来,随着计算流体力学( Computational Fluid Dynamics,CFD)技术的发展,利用数值模拟的方法来获得搅拌式反应器内流动和混合的信息已经成为现实。该数值方法是通过建立各种条件下的基本守恒方程(包括质量、动量以及能量方程等),结合初始条件、边界条件和数值计算方法,实现模拟真实过程中各种场如流场、温度场、浓度场等的分布, 以达到对过程的设计、优化、控制和放大的目的。同时, 伴随着PIV粒子成像测速技术的发展, P IV实验所获得的大量数据, 为搅拌式反应器内的数值模拟提供了真实可靠的依据和检验标准。可以说,CFD技术将对生物反应器的开发带来革命性的变化2 。第2章 模拟方法2.1 搅拌式反应器内CFD的发展趋势随着计算机计算能力的不断提高, 以及在湍流模型和计算方法等方面的不断改善, 尤其是大型通用CFD软件的日趋成熟。CFD方法用于研究搅拌式反应器内的流动显示出强大的生命力, 越来越多的研究者开始关注并涉足CFD领域。近年来, 在研究搅拌式反应器内的流动方面, CFD 的最新进展主要体现在以下几方面。2.1.1 从结构化网格到非结构化网格在CFD研究中, 对几何体进行建模与网格划分的前处理过程是很重要的。网格划分将直接影响到以后的求解计算过程, 高质量的网格容易收敛,从而减少机时, 提高计算精度。随着CFD研究的不断深入, 需要解决的问题不再局限于简单的几何构型, 需要对各种复杂的结构进行研究。然而要对复杂几何构型进行结构化网格划分非常困难, 有时甚至是不可能的。鉴于此,可以采用简化构型的方法使其可以适应结构化网格, 这显然不是令人满意的方法。结构化网格在很大程度上限制了CFD在工业中的应用。近年来人们逐渐重视研究另一类网格非结构化网格。非结构化网格的基本思想基于如下假设: 四面体是三维空间最简单的形状, 任何空间区域都可以被四面体单元所填满, 即任何空间区域都可以被以四面体为单元的网格所划分。由于非结构网格舍去了结构化网格节点的结构性限制, 易于控制网格单元的大小、形状及网格点的位置, 因此比结构化网格具有更大的灵活性, 对复杂外形的适应能力非常强。正因为如此, 非结构网格技术在20世纪80年代末、90年代初得到了迅速的发展。非结构网格在汽车、航天等领域的应用已经比较广泛, 在化工方面尤其是搅拌式反应器方面的应用还很少。1998 年Naude3利用FLUENT软件使用非结构化网格计算了一种轴流式搅拌桨(LUMPPLB)的三维流场, 并将计算结果和实验数据进行了比较。计算采用了多重参考系(MRF) 法, 由于MRF法是稳态计算, 计算中考虑了三种不同的桨叶和挡板的相对位置, 对三个计算结果取平均值后再与实验数据进行比较。2.1.2 大涡模拟和直接数值模拟对湍流问题最真实的描述是直接求解N-S方程, 即直接数值模拟(DNS) 。但是受到计算机计算能力的限制, 现在还只能计算低雷诺数和简单几何条件的问题, 到解决工程实际问题还有距离。大涡模拟方法最早是由气象学家Smagornky4在1963年提出的, 所研究的问题是全球天气预报问题。后来这种方法被应用于解决工程问题。大涡模拟的基本思想是包括脉动运动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度运动和小尺度运动两部分。大尺度量通过数值求解运动微分方程直接计算出来; 小尺度运动对大尺度运动的影响将在运动方程中表现为类似雷诺应力一样的应力项, 称之为亚格子雷诺应力。将通过建立模型来模拟, 成为亚格子尺度模型( Subgrid Scale Mode) 。从一定意义上讲, 大涡模拟是介于直接数值模拟与一般模式理论之间的折中物。2.1.3多相流动的数值模拟对搅拌式反应器内多相体系流动场的研究还很缺乏, 但在近几年的发展却非常迅速。Morud5计算了Rushton涡轮的气液两相流动场, 并将计算的气相速度与LDA测量结果进行了比较, 桨叶区径向速度结果吻合较好, 轴向速度计算结果偏高。Friberg6将Morud的计算从二维扩展到三维, 在三个方向均得到了较好的计算结果, 而且在计算中还捕捉到了位于叶轮后方的气穴。最近, Wu采用欧拉- 拉格朗日法计算了双层涡轮桨搅拌槽内的气液两相流动, 其计算结果虽然没有与实验数据进行定量比较, 但该方法却是令人鼓舞的。2.2 搅拌式反应器的模拟方法CFD技术的每一次发展都可以从模拟搅拌式反应器的应用中体现出来。搅拌式反应器内的流场是非常复杂的, 从数值模拟的观点来看, 模拟搅拌式反应器所面临的挑战是液面、槽壁、挡板、搅拌桨和搅拌轴所围成的流动域是随时间变化的, 这是与化工过程中其它反应器的一个差别。为了解决旋转的桨叶与静止的挡板之间的相互作用, 许多研究者提出了各自不同的解决方法。这个过程就是CFD技术不断发展完善的过程。这些方法主要有:“黑箱”模型法、内外迭代法、多重参考系法和滑动网格法等。2.2.1“黑箱”模型法“黑箱”模型法( Impeller Boundary Condition,IBC), 又称搅拌桨边界条件法, 作为最早的模拟搅拌式反应器的方法, 它是将叶轮扫过的区域从计算域中扣除, 而叶轮产生的搅拌流动场以实验数据作为边界条件代替。1982 年Harvery7第一次采用这种方法计算了涡轮搅拌桨的二维流动场, 并与实验数据作了对比, 取得了一定成功。可以看出, 这种基于实验的数值模拟方法, 其局限性在于: 边界条件的确定一般离不开实验数据; 一套桨叶区域边界条件只能用于与实验条件几何相似的体系。受这些条件的限制, CFD 仍然不能成为独立的设计工具。2.2.2内外迭代法图2内外迭代法1内域2外域1994 年B rucato8提出了“内外迭代法”( Inner - OuterMethod, IO)。它是将计算域分成内、外两个重叠的区域, 如图2所示。内域1包括旋转的桨叶, 外域2包括静止的挡板, 内域的计算在以搅拌桨速度旋转的参考系内进行, 外域的计算在静止坐标系下进行, 通过在两个区域间的交替迭代计算最终获得整个计算域的收敛结果。内外迭代法比起“黑箱”模型法有了很大的进步, 不再需要实验数据, 实现了搅拌反应器流动场的整体模拟。通过对某些搅拌桨流动场的计算, 证明该方法完全可以用于搅拌式反应器流动场的数值模拟。但计算时仍然需要试差迭代, 收敛速度慢, 所以未能被商业软件采用, 在一定程度上限制了该方法的普及应用。2.2.3多重参考系法1994年Luo9提出了一种稳态流动场的计算方法, 它采用两个参考系进行计算, 桨叶所在区域是以桨叶速度旋转的参考系, 其它区域使用静止参考系, 用来计算叶轮区以外的流动场。与内外迭代法的区别在于多重参考系法(Multi - Reference Frame, MRF)划分的两个区域没有重叠的部分, 不再需要内外迭代过程, 两个不同区域内速度的匹配直接通过在交界面上的转换来实现, 因而使计算变得更加简单。使用这种方法计算了直叶涡轮搅拌桨的三维流动场, 计算结果与Yianneskis10的实验数据吻合较好。1997年Weetman11利用该方法计算了A310搅拌桨的流动场。作为搅拌式反应器流动场计算的通用方法, MRF方法被添加到了FLUENT软件中, 使得该方法得到了普遍的应用。2.2.4滑移网格法1987年Yianneskis等在实验中发现, 由于桨叶和挡板的周期作用, 叶轮所产生的流场也是周期性的, 而且桨叶附近的流动场主要包含了叶片所产生的尾涡。采用稳态的计算方法显然不能完全真实反映这种流动场, 只有采用非稳态的计算方法。1993年Luo12提出了滑移网格法( Sliding Grid, SG)。这种方法与多重参考系法网格划分法相同, 将计算域分成分别包含旋转的桨叶和静止的挡板两个区域。所不同的是, 采用滑移网格法时, 在两个区域交界面处有网格之间的相对滑动他们在STAR - CD 软件中采用这种方法计算了六直叶涡轮的流动场, 并与实验结果和一种稳态计算结果进行了比较, 该方法的模拟结果较好。滑移网格法最大的不足在于计算时需要大量的CPU时间以及复杂的后处理过程。文献中报道的算例多是在大型机或中型机上进行计算的。2.3优化设计2.3.1 工艺优化为了提高生物反应生产水平, 人们首先考虑的是菌种选育或基因工程构建, 往往忽视了生物反应器中工程问题所必须加以考虑的工艺和过程的优化。在得到一个高产菌株后, 随后的逐级放大与优化基本上是以最佳工艺控制点为依据, 采用人工经验为主的静态操作, 在方法上基本以正交试验为基础。随着对细胞大规模培养技术的深入研究和对以分批培养为主要对象的发酵过程参数的时变性、多样性、耦合性和不确定性的认识, 建立了以过程动力学为基础的数学模型13,14 , 引进了一系列现代控制理论, 其中有神经元网络、遗传算法、静态和动态优化、系统识别、自适应控制、专家系统、模糊控制、直到各种混沌现象的研究, 以实现工艺过程优化。这种适应发酵过程非线性特征的研究方法对细胞大规模培养技术研究的深入开展以及提高学术研究水平起到很大的推进作用。人工神经网络(ANN)简称神经网络, 是由大量的简单处理单元广泛连接构成的复杂网络系统。由于人工神经网络具有自学习、高容错和高度非线性描述能力等特点, 因此在许多领域得到了广泛的应用。银建中15-17等应用ANN技术对超临界CO2流体萃取沙棘籽油过程进行了动力学模拟, 建立了超临界流体萃取( SCFE)过程的人工神经网络模型。原华山18等将ANN技术应用于对超临界流体密度的预测, 获得了精确的计算结果。遗传算法(GA)是借鉴生物的自然选择和遗传进化机制而开发出的一种全局优化自适应概率搜索算法。目前遗传算法已广泛应用于许多实际问题。赵启明19采用遗传算法与人工神经网络技术(GA - ANN)相结合, 建立了一种氧化铁红产品质量预报与生产工艺优化模型。尹芳华20等用ANN 的反向传播(BP)算法建立了生物柴油转化率神经网络预测模型, 结合遗传算法对模型进行优化, 得到了最佳生物柴油制备条件。2.3.2结构优化搅拌式反应器的结构包括搅拌釜结构、搅拌器型式和挡板结构。20世纪40年代, 通过对不同结构、尺寸反应器的研究, 提出了搅拌式反应器设计的标准化21,即搅拌桨叶尺寸标准D /T = 0.33、挡板宽度标准B / T = 0.0833, 并广泛采用Rushton涡流搅拌桨。但标准化搅拌反应器的结构、尺寸及搅拌器型式并不一定最优, 标准叶轮结构、标准挡板也未必能适用特定的工艺要求。因此对于不同的混合目的, 所选用的搅拌釜结构、搅拌桨型式和挡板的放置方式也都会有所不同。结合CFD技术, 研究不同物系、不同反应釜结构、不同搅拌桨型式对生物反应的影响, 已成为生物技术工艺改进的一种有效途径。蒋啸靖22等应用CFD技术模拟了50L 搅拌式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, 对搅拌桨组合进行了优化, 并将模拟优化结果用于重组大肠杆菌发酵过程, 得到了和实际发酵相一致的结果。赵卫宁23等模拟了搅拌式反应器内搅拌桨叶位置对肌苷发酵过程的影响, 从流体力学角度对反应器进行了结构优化, 提高了肌苷产率。第3章 结论通过应用CFD技术模拟搅拌式反应器内的流场已经取得了很大进展, 推动了反应器的结构优化设计, 加速了新型高性能生物反应器的开发; 结合人工神经网络技术及遗传算法, 着重研究生物反应系统的内在规律, 实现了对生物反应器内生物反应的工艺过程优化。只有将结构优化与工艺过程优化相结合, 才能真正达到对生物反应系统的整体优化, 从而指导实验与工业生产。参考文献1 马青山, 聂毅强, 包雨云, 等. 搅拌槽内三维流场的数值模拟J. 化工学报, 2003, 54 (5) : 612 - 61812 周国忠, 王英琛, 施力田. 用CFD研究搅拌槽内的混合过程 J . 化工学报, 2003, 54 (7) : 886 - 89013 Naude I, Xuereb C, Bertrand J. Direct p rediction of the flowsinduced by a p ropeller in an agitated vessel using an unstructured mesh J . Can J Chem Eng, 1998, 76: 631 - 640.4 Smagorinsky J. General circulation experiments with the p rimi2tive equations J . The Basic Experiment Month Wea Rev,1963, 91: 99 - 104.5 Morud R F, HjertagerB H. LDA measurements and CFD mod2eling of gas - liquid flow in a stirred vessel J . Chem Eng Sci, 1996, 51: 233 - 250.6 Friberg P C. Three dimensionalmodeling and simulations of gas- liquid flow p rocesses in bioreactors D . Norway: Telemark University College, 1998.7 Harvey P S, GreavesM. Turbulent flow in an agitated vessel1Part I: A Predictive Model. Part II: Numerical solution and model p redictions J . Trans Inst Chem Eng. 1982, 60: 195- 210.8 Brucato A, Ciofalo M, Grisafi F, et al. Comp lere numericalsimulation of flow fields in baffled stirred vessels: The inner -outer app roach C . 8 th Euro Conf On Mixing, 1994, 155 -162.9 Luo J V, Issa R I, Gosman A D. Predicion of Impeller Inducedflows in mixing vessels using multip le frames of reference C .IChemE Symp Ser 136, 1994,549 - 556.10 Yianneskis M, Pop iolek Z, Whitelaw J H. An experimentalstudy of the steady and unsteady flow characteristics of stirred re2 actors J . FluidMech, 1987, 75: 537 - 555.11 Weetman R J. Automated sliding mesh CFD computations forfluidfoil impellers C . 9 th Euro1 Conf1 On Mixing, 1997,195 - 202.12 Luo J V, Gosman A D, Issa R I, et al. Full flow field compu2tation ofmixin