共轴反转型生物反应器内流场数值模拟与性能分析
发布时间：2021-11-05 21:25
使用生物可降解塑料是解决白色污染的有效手段,然而在生物反应器中生产可降解塑料过程中会面临气体传质能力不足和能耗过大等问题,导致生产成本居高不下。为解决这些问题,提出了一种共轴反转型机械搅拌式生物反应器,并通过数值模拟对新型反应器内两相流场进行了仿真及定量分析。通过模拟气泡羽流、鼓泡塔及搅拌器系统内流场,并与实验结果对比,在双流体模型中引入了曳力、升力及湍流扩散力以及基于TroshkoHassan模型的两相湍流模型,验证了双流体模型在该问题中的有效性。对新设计的反应器内流场模拟结果表明,两相作用力模型对模拟准确性影响较大,而共轴反转能够在流场中形成更好的剪切效应,增强气体分散能力,从而提高整体气含率及相对功率准数。
【文章来源】：化工学报. 2020,71(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
求解问题几何与轴对称近似下边界条件设置
常规实验手段进行流场分析价格昂贵，受限于实验条件，不易进行工业放大。数值模拟能够有效进行流场定量分析，且不受实际物理时空限制。因此，数值仿真已经成为生物反应器研究中降低实验成本[13-14]、优化反应器设计[13,15-19]、进行工业反应器放大[12,20-21]的重要手段。然而，由于反应器中存在气液两相和搅拌等复杂流动行为，当前对通气式搅拌器内气液两相流动模拟仍存在较大挑战，特别是两相流体的相间作用力模型，其准确性对模拟结果有较大影响。Deen[22]指出曳力模型的选择对双流体模型的模拟精度有较大影响，并在模拟中采用了Ishii和Zuber模型[23],两相湍流模型使用Sato和Sekoguchi模型[24]。Liew等[25]比较了不同曳力模型在鼓泡塔中的两相流动模拟，结果显示不同曳力模型结果相差不大，两相湍流模型采用了Simonin和Viollet模型[26]。Lou等[27]比较了五种不同曳力模型对气泡羽流模拟的影响，结果显示Kolev模型[28]明显优于其他模型，考虑湍流扩散力与否也有较大影响。可以看出，不同学者对两相相互作用模型的选取不完全相同。对两相反应器的模拟优化，文献中通常缺乏详细说明其计算所采用的模型及相关参数[17,29-31]，缺少模型及参数验证，影响了优化结果的可信性。针对以上问题，为了能可靠地对生物反应器进行模拟优化，本文首先对气液模拟数值模型进行多角度验证，然后对本文提出的双桨叶共轴反转反应器内不同运行参数下的流场进行了模拟分析，从而对反应器的工程应用提出优化建议。
图3显示了气体体积分数的云图，如图所示，大量气体集中在对称轴附近，少量气体靠近壁面区域，这与文献中的结果是一致的。图4定量比较了文献中常用的Schiller-Naumann模型[22,27,35,40]和本文采用的Kolev模型对气体体积分数和气体速度分布的影响，两者主要的差异在气体体积分数的预测上。普遍认为Schiller-Naumann模型可以描述单一气泡的曳力模型，当气体体积分数较大时或在气泡聚集的区域误差较大，因此本文采用了更为准确的Kolev模型。进一步，本文比较了气体体积分数沿径向的分布。图5对比了无量纲气体体积分数沿径向的变化，无量纲化的体积分数计算如下：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于CFD的堆肥反应器通气搅拌结构优化设计[J]. 张金强,刘仁鑫,杨卫平. 农机化研究. 2020(05)
[2]CFD在自吸反应器气液流动和传质特性研究中的应用[J]. 洪厚胜,张志强,蔡子金,颜旭,顾承真. 化工学报. 2014(12)
[3]CFD在气升式环流反应器结构优化上的应用[J]. 田小峰,张建成,刘献玲,范景福. 现代化工. 2013(07)
[4]白色污染的危害及其绿色化治理对策[J]. 李芳蓉,童丹. 江苏教育学院学报(自然科学). 2013(03)
[5]气-固环流反应器内瞬态流体力学特性的数值模拟[J]. 严超宇,卢春喜,王德武,刘艳升,曹睿. 化工学报. 2010(09)
[6]“白色污染”的污染现状及防治对策研究[J]. 韩立钊,王同林,姚燕. 中国人口·资源与环境. 2010(S1)
[7]我国地膜应用污染现状及其防治途径研究[J]. 何文清,严昌荣,赵彩霞,常蕊芹,刘勤,刘爽. 农业环境科学学报. 2009(03)
[8]浅谈通用发酵罐的搅拌和空气分布器的进展[J]. 魏洪普,周静,马文婵. 石油和化工设备. 2009(01)
[9]塑料废弃物污染的综合治理研究进展[J]. 赵胜利,黄宁生,朱照宇. 生态环境. 2008(06)
[10]鼓泡塔反应器气液两相流CFD数值模拟[J]. 李光,杨晓钢,戴干策. 化工学报. 2008(08)
博士论文
[1]多层搅拌式生物反应器内溶液流变性质对流场特性影响的研究[D]. 谢明辉.华东理工大学 2013
硕士论文
[1]基于计算流体力学和多目标遗传算法的气液搅拌反应器模拟与优化[D]. 陈苗娜.浙江大学 2017
[2]气体分布器及搅拌桨组合对搅拌槽内气液流特性影响的实验研究[D]. 周珍.华东理工大学 2014
[3]气升式环流反应器流动与传质的研究[D]. 薛胜伟.南京工业大学 2005
本文编号：3478535
【文章来源】：化工学报. 2020,71(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
求解问题几何与轴对称近似下边界条件设置
常规实验手段进行流场分析价格昂贵，受限于实验条件，不易进行工业放大。数值模拟能够有效进行流场定量分析，且不受实际物理时空限制。因此，数值仿真已经成为生物反应器研究中降低实验成本[13-14]、优化反应器设计[13,15-19]、进行工业反应器放大[12,20-21]的重要手段。然而，由于反应器中存在气液两相和搅拌等复杂流动行为，当前对通气式搅拌器内气液两相流动模拟仍存在较大挑战，特别是两相流体的相间作用力模型，其准确性对模拟结果有较大影响。Deen[22]指出曳力模型的选择对双流体模型的模拟精度有较大影响，并在模拟中采用了Ishii和Zuber模型[23],两相湍流模型使用Sato和Sekoguchi模型[24]。Liew等[25]比较了不同曳力模型在鼓泡塔中的两相流动模拟，结果显示不同曳力模型结果相差不大，两相湍流模型采用了Simonin和Viollet模型[26]。Lou等[27]比较了五种不同曳力模型对气泡羽流模拟的影响，结果显示Kolev模型[28]明显优于其他模型，考虑湍流扩散力与否也有较大影响。可以看出，不同学者对两相相互作用模型的选取不完全相同。对两相反应器的模拟优化，文献中通常缺乏详细说明其计算所采用的模型及相关参数[17,29-31]，缺少模型及参数验证，影响了优化结果的可信性。针对以上问题，为了能可靠地对生物反应器进行模拟优化，本文首先对气液模拟数值模型进行多角度验证，然后对本文提出的双桨叶共轴反转反应器内不同运行参数下的流场进行了模拟分析，从而对反应器的工程应用提出优化建议。
图3显示了气体体积分数的云图，如图所示，大量气体集中在对称轴附近，少量气体靠近壁面区域，这与文献中的结果是一致的。图4定量比较了文献中常用的Schiller-Naumann模型[22,27,35,40]和本文采用的Kolev模型对气体体积分数和气体速度分布的影响，两者主要的差异在气体体积分数的预测上。普遍认为Schiller-Naumann模型可以描述单一气泡的曳力模型，当气体体积分数较大时或在气泡聚集的区域误差较大，因此本文采用了更为准确的Kolev模型。进一步，本文比较了气体体积分数沿径向的分布。图5对比了无量纲气体体积分数沿径向的变化，无量纲化的体积分数计算如下：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于CFD的堆肥反应器通气搅拌结构优化设计[J]. 张金强,刘仁鑫,杨卫平. 农机化研究. 2020(05)
[2]CFD在自吸反应器气液流动和传质特性研究中的应用[J]. 洪厚胜,张志强,蔡子金,颜旭,顾承真. 化工学报. 2014(12)
[3]CFD在气升式环流反应器结构优化上的应用[J]. 田小峰,张建成,刘献玲,范景福. 现代化工. 2013(07)
[4]白色污染的危害及其绿色化治理对策[J]. 李芳蓉,童丹. 江苏教育学院学报(自然科学). 2013(03)
[5]气-固环流反应器内瞬态流体力学特性的数值模拟[J]. 严超宇,卢春喜,王德武,刘艳升,曹睿. 化工学报. 2010(09)
[6]“白色污染”的污染现状及防治对策研究[J]. 韩立钊,王同林,姚燕. 中国人口·资源与环境. 2010(S1)
[7]我国地膜应用污染现状及其防治途径研究[J]. 何文清,严昌荣,赵彩霞,常蕊芹,刘勤,刘爽. 农业环境科学学报. 2009(03)
[8]浅谈通用发酵罐的搅拌和空气分布器的进展[J]. 魏洪普,周静,马文婵. 石油和化工设备. 2009(01)
[9]塑料废弃物污染的综合治理研究进展[J]. 赵胜利,黄宁生,朱照宇. 生态环境. 2008(06)
[10]鼓泡塔反应器气液两相流CFD数值模拟[J]. 李光,杨晓钢,戴干策. 化工学报. 2008(08)
博士论文
[1]多层搅拌式生物反应器内溶液流变性质对流场特性影响的研究[D]. 谢明辉.华东理工大学 2013
硕士论文
[1]基于计算流体力学和多目标遗传算法的气液搅拌反应器模拟与优化[D]. 陈苗娜.浙江大学 2017
[2]气体分布器及搅拌桨组合对搅拌槽内气液流特性影响的实验研究[D]. 周珍.华东理工大学 2014
[3]气升式环流反应器流动与传质的研究[D]. 薛胜伟.南京工业大学 2005
本文编号：3478535
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