气升式环流反应器CFD优化研究

摘要

气升式环流反应器(air-lift loop reactor,简称ALR)是在鼓泡床基础上发展起来的一类气-液,气-液-固多相反应器。由于气升式环流反应器具有结构简单、造价低、能耗低、不易污染等优点,目前已广泛应用于工业生产,尤其是低耗氧微生物发酵,并越来越受到人们的重视。气升式环流反应器结构优化设计对于整个生物发酵生产过程的高效运行有着重要的意义。表明气升式环流反应器性能的主要参数有气含率、固含率空间分布、循环液速、相间传质系数和液相扩散系数等,他们是环流反应器设计与放大的基础。其中气含率和循环液速是体现气升式环流反应器性能的两个比较重要的参数,工业生产过程中要求反应器内保持较高的气含率和循环液速,从而达到较高的生产效率,影响气含率和循环液速的原因较多,其中导流筒直径是较为重要的因素之一。本文利用计算流体力学仿真软件Fluent6.3分别对16L中心上升内循环气升式环流反应器和70L环隙上升内循环气升式环流反应器内的流动状态进行了流体力学仿真,研究了反应器内气液两相的分布情况,速度矢量以及压力的分布情况等。并且对采用不同导流筒直径取值的反应器中的流态进行了流体力学仿真和对比,分别得到了在两种气升式环流反应器中,不同导流筒直径取值的情况下反应器内气含率和循环液速的变化趋势,并分别对两种气升式环流反应器给出了最佳的导流筒直径取值范围。在该取值范围内时,反应器内气含率和循环液速都相对较高。本文以70L环隙上升内循环气升式环流反应器为对象,监测了从反应器内通气开始时到循环基本达到稳定时的反应器内外循环液速的变化曲线图,得到了循环液速随时间变化的规律。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 气升式环流反应器简介

1.2 气升式环流反应器主要类型和结构

1.3 气升式环流反应器的特性参数

1.3.1 气含率

1.3.2 循环液速

1.3.3 气泡尺寸与分布

1.3.4 传质系数

1.3.5 扩散系数

1.4 气升式环流反应器的应用及发展前景

1.5 系统总体设计方案

1.5.1 16L 气升式环流反应器

1.5.2 70L 气升式环流反应器

1.6 本文的主要内容及组织结构

第二章 计算流体动力学及软件介绍

2.1 计算流体动力学求解过程及软件结构

2.1.1 计算流体动力学概述

2.1.2 计算流体动力学求解过程

2.1.3 计算流体动力学软件的结构

2.1.4 计算流体动力学软件的特点

2.2 FLUENT 软件介绍

2.2.1 Fluent 软件概述

2.2.2 Fluent 软件采用的有限体积法

2.2.3 Fluent 前处理软件——Gambit

2.2.4 Fluent 软件求解器

2.2.5 Fluent 软件使用步骤

2.3 FLUENT软件的优点

第三章 气升式环流反应器的 CFD 仿真采用的模型介绍

3.1 求解器

3.2 多相流模型

3.3 粘性模型

3.4 边界类型

3.4.1 速度入口

3.4.2 压力出口

3.4.3 对称边界条件

3.4.4 内部界面

第四章 16L 气升式环流反应器的CFD 仿真

4.1 16L 气升式环流反应器结构和原理

4.2 16L 气升式环流反应器的仿真平台及模型介绍

4.3 16L 气升式环流反应器的CFD 仿真过程

4.3.1 前处理

4.3.2 求解过程

4.3.3 后处理

4.4 16L 气升式环流反应器的CFD 仿真结果

4.5 采用不同导流筒直径的16L 气升式环流反应器的仿真结果

第五章 70L 气升式环流反应器的CFD 仿真

5.1 70L 气升式环流反应器结构和原理

5.2 70L 气升式环流反应器的CFD 仿真过程

5.2.1 前处理

5.2.2 求解过程

5.2.3 后处理

5.3 70L 气升式环流反应器的CFD 仿真结果

5.4 采用不同导流筒直径的70L 气升式环流反应器的 CFD 仿真结果

第六章 全文总结及展望

6.1 仿真结果分析

6.2 展望

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间发表和完成的学术论文