计算流体动力学数值模拟在发酵工业典型搅拌设备中的应用

摘要

本工作基于计算流体力学数值模拟对典型搅拌工业设备中的通气发酵罐和谷氨酸结晶罐进行研究,以期为相关的研究和生产提供数据和技术支持。
　　 论文第一部分以用于实验室聚赖氨酸发酵的5L通气搅拌生物反应器为研究对象,采用FLUENT(V6.3,Fluent Inc.,USA)作为计算平台,首先考察了单桨叶在不同转速下和不同气速下的传质、混合、溶氧特征以及功率消耗。结果表明:单桨叶发酵罐难以满足实验室聚赖氨酸微生物发酵的需要。
　　 根据上述实验结果,对该罐进行了优化,增加桨叶数目和桨叶类型。研究由3种不同桨叶构成的4种组合方式(1、上下档位均为六叶直桨;2、上档位螺旋桨,下档位六叶直桨;3、上档位三折叶桨,下档位六叶直桨;4、上档位三折叶桨,下档位螺旋桨)对流场、剪切力、气含率和功率等的影响,并进行发酵实验验证。结果发现,2号罐有着最好发酵表现。这和CFD数值模拟得出2号罐综合表现最佳的结果相一致,证实了CFD数值模拟方法指导、优化微生物发酵的适用性。
　　 论文的第二部分对50m3谷氨酸结晶罐的结构进行优化。在保证混合效果的前提下,降低剪切力和功率,并节省能耗和保证产品高质。结果表明:
　　 (1)液面的高度,是否安放导流筒和其安放的位置,桨叶的不同以及桨径的变化都对标准浓度差σ有很重要的影响。
　　 (2)满足均匀悬浮状态,且剪切力最小,功率消耗最少的方案为D=350mm,N=240r·min-1。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 研究意义及目的

1.1.1 发酵工业设备简介

1.1.2 研究意义

1.1.3 研究目的

1.2 研究手段

1.2.1 实验技术

1.2.2 CFD数值模拟

1.3 本课题的研究内容和方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 研究方法

第二章 实验材料与方法

2.1 单桨叶发酵罐的CFD数值模拟

2.1.1 单桨叶发酵罐模型参数

2.1.2 数值模拟

2.1.3 计算条件

2.2 实验室发酵罐内不同桨叶组合的CFD数值模拟

2.2.1 物理结构

2.2.2 实验方法

2.2.3 数值模拟

2.2.4 计算条件

2.3 利用CFD数值模拟优化谷氨酸结晶罐

2.3.1 物理模型

2.3.2 数值模拟

2.3.3 计算条件

2.3.4 网格划分和收敛标准

第三章 结果与讨论

3.1 实验室发酵罐单桨叶的CFD模拟

3.1.1 在气速1vvm,不同转速下单桨发酵罐CFD数值模拟

3.1.2 在400 r·min-1转速下不同气速的单桨发酵罐CFD数值模拟

3.1.3 小结

3.2 实验室发酵罐内不同桨叶组合的CFD数值模拟

3.2.1 不通气状态下不同桨叶组合产生的流场分析

3.2.2 通气状态下不同桨叶组合对流体z轴向运行速度的影响

3.2.3 不同桨叶组合对气含率和空气体积分数的影响

3.2.4 不同桨叶组合形成的剪切力场

3.2.5 不同桨叶组合对功率的影响

3.2.6 不同桨叶组合对￡.聚赖氨酸发酵过程参数的影响

3.2.7 小结

3.3 利用CFD数值模拟优化谷氨酸结晶罐

3.3.1 谷氨酸结晶罐初步选型

3.3.2 谷氨酸结晶罐进一步优化

3.3.3 小结

3.4 展望

致谢

参考文献

附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文