16升氣升式環(huán)流反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計的cfd仿真研究
袁景淇1，張結(jié)1，朱欣杰2，劉伯寧1，吳洪濤2，賈茜2
（l海交通大學(xué)目動化系，上海200240；2華北制藥集團(tuán)新藥研究開發(fā)有限責(zé)任公司，河北石家莊050015）
摘 要：以16 l內(nèi)循環(huán)氣升式環(huán)流反應(yīng)器為對象，使用fluent 6 3軟件對采用不同導(dǎo)流筒直徑值的反應(yīng)器中氣液兩相流動的過程進(jìn)行計算流體力學(xué)仿真，研究導(dǎo)流筒直徑變化對氣升式環(huán)流反應(yīng)器中氣舍率和循環(huán)液速的影響。，結(jié)果表明，氣體由反應(yīng)器底部入口進(jìn)入反應(yīng)器后，氣液混合物沿導(dǎo)流筒內(nèi)部上升至反應(yīng)器頂邵，隨后沿導(dǎo)流筒外部下降，形成反應(yīng)器中的循環(huán)增大導(dǎo)流筒直徑在一定范圍內(nèi)能夠提高反應(yīng)器中的氣含率，但同時也會造成循環(huán)液速的下降，并且給出了所涉對象中導(dǎo)流筒直徑的****取值區(qū)間。
關(guān)鍵詞：氣升式環(huán)流反應(yīng)器；氣舍率；循環(huán)液速；導(dǎo)流筒直徑；cfd仿真
中圖分類號：tp 27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a
1引言
生物發(fā)酵涉及復(fù)雜的微生物代謝，生產(chǎn)中的補(bǔ)料量、補(bǔ)料方式、通氣量等都會對發(fā)酵生產(chǎn)產(chǎn)生影響。氣升式環(huán)流反應(yīng)器是生物發(fā)酵生產(chǎn)過程中的一類重要設(shè)備，它兼具結(jié)構(gòu)簡單、造價低、能耗低等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于化工、生制藥及環(huán)保行業(yè)，它尤其適用于耗氧量較低的生物應(yīng)過程（如維生素c的發(fā)酵生產(chǎn)）。由于氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)部流態(tài)和傳質(zhì)的復(fù)雜性，其優(yōu)化設(shè)計問題迄今仍未獲決。
氣含率和循環(huán)液速是體現(xiàn)氣開式環(huán)流反應(yīng)器性能的2個重要參數(shù)，而反應(yīng)器中的導(dǎo)流簡直徑這一結(jié)構(gòu)變量會對這2個參數(shù)產(chǎn)生影響。本文采用計算流體力學(xué)仿真工具，將重點研究導(dǎo)流簡直徑對于氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)的影響。
2氣升式環(huán)流反應(yīng)器工作原理
本文研究的氣升式環(huán)流反應(yīng)器基本外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。
反應(yīng)器外筒內(nèi)部有一個導(dǎo)流筒，將反應(yīng)器外筒內(nèi)部劃分為導(dǎo)流筒內(nèi)側(cè)（上升段）和導(dǎo)流筒外側(cè)（下降段）2個區(qū)域。初始狀態(tài)的反應(yīng)器充有常溫液態(tài)水。氣相（空氣）由反應(yīng)器底部氣體人口噴人反應(yīng)器，沿上升段上升，并由反應(yīng)器頂部的排氣口排出。由于反應(yīng)器上升段和下降段中混合物的氣含率不同，在反應(yīng)器的上升段和下降段之間形成了靜壓力差，反應(yīng)器中的液體在氣體的帶動下上升至導(dǎo)流筒頂部后，在靜壓力差的推動下，再由下降段回流至反應(yīng)器底部，形成了氣升式環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)流動的推動力。
3對不同導(dǎo)流簡直徑尺寸反應(yīng)器的仿真
本文研究的反應(yīng)器模型的外形尺寸為：反應(yīng)器高100 cm，外簡直徑11 cm，反應(yīng)器底部氣體入口直徑為5 cm，通人氣體線速度為0.01 m/s。本文分別對采用不同導(dǎo)流簡直徑取值(d=7.5，8.0，8.5，9.0 cm)的反應(yīng)器進(jìn)行流態(tài)仿真。
1)仿真平臺及模型介紹計算流體力學(xué)是建立在經(jīng)典流體動力學(xué)與數(shù)值計算方法基礎(chǔ)上的一門新型獨立學(xué)科，通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示的方法在時間和空間上定量描述流場的數(shù)值解。
圖2可知，混合物由導(dǎo)流筒內(nèi)側(cè)（上升段）上升至反應(yīng)器頂部，并由導(dǎo)流筒外側(cè)（下降段）下降回流至反應(yīng)器底部，形成了反應(yīng)器內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)。
由圖3可知，氣體在導(dǎo)流筒內(nèi)部分布較高，計算流體力學(xué)軟件是ansys公司的fluent 6.3軟件，選用了基于兩相均使用歐拉方程描述的歐拉模型，該模型對每個相求解一組運動方程和連續(xù)性方程，通過壓力和相間交換系數(shù)進(jìn)行耦臺，耦合結(jié)果取決于所涉及的相的類型。在gambit中分別畫出采用不同導(dǎo)流簡直徑時氣升式環(huán)流反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)圖，以同樣的規(guī)則對其劃分網(wǎng)格并設(shè)定邊界類型。將在cambit中生成的mesh文件導(dǎo)人fluent，采用瞬態(tài)計算模型，設(shè)定兩相為液態(tài)水和空氣，其中液態(tài)水為第一相，空氣為第二相。參照實際生產(chǎn)操作的條件，設(shè)置初始狀態(tài)時靜止液面高度為82 cm，人口類型為速度人口，出口類型為壓力出口，氣體以nm/s的線速度由反應(yīng)器底部氣體入口沿豎直向上方向進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)。迭代達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，即 |
