黄原胶体系中气液混合过程的数值模拟与实验研究

摘要

本课题致力于研究适用于高粘假塑性流体中气液传质与混合过程的新型搅拌器(最大叶片式桨)，选用具有典型生物介质特性的黄原胶水溶液作为研究体系。黄原胶是一种经过发酵生产的微生物胞外杂多糖，广泛地应用于食品、石油开采及化学品工业等领域。在发酵中后期，随着黄原胶产物浓度不断增加，反应器内的混合、溶氧和传质等性能急剧恶化，严重制约了该产品的工业化生产。
　　 本文借助计算流体力学(CFD) 手段，研究了最大叶片式桨搅拌釜内1.0wt[％]黄原胶水溶液的气液传质与混合状况，通过与对应的冷模实验结果作对比验证，以期改善黄原胶发酵生产中遇到的问题，为高粘非牛顿流体多相混合设备的设计、优化和放大提供指导和参考。其主要研究内容及结论如下：
　　 (1)对搅拌釜内气液两相传质与混合过程进行实验研究。首先测定了1.0wt[％]黄原胶溶液的物理特性(流变特性、表面张力系数和密度等)；其次，研究了最大叶片式桨在各种工况下的功耗特性、总体气含率和氧传质系数a kL等相关数据，重点用于数值模拟方法的验证。
　　 (2)通过查阅文献，确定了本课题的数值模拟方法，并与文献实验数据做初步的对比验证。通过定性和定量比较均可发现：模拟值与实验值吻合良好，初步验证了本文数值模拟方法的可行性。
　　 (3)对黄原胶体系中气液传质与混合过程的一些参数进行数值模拟与分析，如功耗特性、总体气含率和氧传质系数。通过模拟值与实验值的比较，进一步验证了本文数值模拟方法的有效性。此外，还获得了大量实验条件下难以测量的局部信息，如宏观流动场、死区分布、剪切速率和表观粘度分布等，直观地探究了釜内的流体混合状态。
　　 更重要的是，在冷模实验中，由于黄原胶溶液的通透性较差，难以观察到釜内的气液分散状况，而利用CFD 手段恰恰可以弥补这一不足。本课题基于Euler-Euler方法的Mixture模型处理两相流问题，利用群体平衡方程(Population BalanceEquations) 描述气泡的聚并和破裂过程，使用CFX 软件对模型进行求解，得到了不同通气流量和搅拌转速下气液两相速度场、局部气含率、气泡平均尺寸和氧传质系数等参数分布的详尽信息，全面而定量地展示了搅拌釜内的流体流动和传质状况。
　　 模拟结果的直观显示表明：最大叶片式桨搅拌反应器具有宏观混合效果好、死区空间体积小以及剪切速率分布均匀等特点。
　　 由此可见，本文以CFD 数值模拟为主、结合实验验证的方法，研究黄原胶体系的气液传质与混合过程是可行的，对于工业搅拌设备的设计、优化和放大具有重要的指导意义。