大型侧搅拌发酵罐内气液两相流的计算流体力学模拟

摘要

发酵反应在燃料乙醇生产过程中占有重要的地位,然而目前生物发酵反应器的设计仍主要依赖于经验。依赖经验的生物发酵反应器的设计方法受诸多因素的限制,往往达不到预期的设计效果。利用计算流体力学(CFD)方法来辅助工业设计能够弥补经验设计方法的不足,有助于技术创新和理论发展。生物发酵反应过程中伴随着二氧化碳气体的产生,产生的气体在发酵液中以不同尺寸气泡的形式存在,这些气泡不仅影响着发酵体系的局部组成和流场状态,还会对搅拌体系的输入功率等产生影响。这些影响在大型生物发酵反应器中更为显著,因而有必要在对大型发酵罐建立模型时考虑气体的产生和分布。
　　 本文利用CFD方法研究了大型侧搅拌发酵罐。在考虑发酵液的非牛顿粘性的基础上,通过定义相间反应的方法描述了气体的产生,并分别采用单一尺寸气泡模型和群体平衡模型描述气泡在发酵体系内的分布状态。对比模拟结果发现,群体平衡模型(Population Balance Module,PBM)因其可以描述气泡的产生、聚并与破碎并给出不同尺寸气泡在发酵体系中的分布,而能够更准确的描述气液两相流场。模拟结果表明多个侧入式搅拌桨对罐底流体的搅拌效果明显,只是在罐底中心处速度值较低,如何防止此处固体颗粒的沉积,是搅拌发酵罐设计中需要重点考虑的问题。通过对气泡尺寸分布的描述,发现由于气体的产生和逸出,改变了罐体上部的流场状态,这有利于固体颗粒在罐中上部的悬浮。这些发现对于工程设计有重要的指导意义。通过建立的模型,考察了搅拌桨设置方案对流场分布的影响,并比较不同搅拌方案下的流速和湍流状态,得到了较优的设计方案。

目录

文摘

英文文摘

前言

第一章 文献综述

1.1 课题研究背景

1.1.1 燃料乙醇的工业生产

1.1.2 发酵反应的重要作用

1.1.3 侧搅拌发酵罐式发酵反应器的研究进展

1.1.4 发酵反应器的结构与其设置方式

1.2 计算流体力学在气液两相流研究中的应用

1.2.1 计算流体力学的应用

1.2.2 气液两相流的研究进展

1.3 本课题研究的内容及意义

第二章 计算流体力学的模拟方法

2.1 流体流动的基本控制方程

2.1.1 连续性方程

2.1.2 运动方程

2.1.3 能量传递方程

2.1.4 物质输送和有限速率化学反应

2.2 多相共存体系的计算模型

2.2.1 多相流模型

2.2.2 多相流系统的控制方程

2.2.3 离散相的尺寸分布模型

2.3 计算流体力学软件的求解原理

2.3.1 CFD求解的基本方法

2.3.2 Fluent软件中的求解算法

2.3.3 有限体积法的求解原理与求解方法

2.3.4 旋转区域的处理方法

2.4 本课题模拟内容

2.5 本章小结

第三章 生物发酵反应器模型建立及流场分析

3.1 物理模型及网格划分

3.2 CFD计算

3.2.1 网格质量优化

3.2.2 边界条件设置

3.2.3 物系的设置与模型的选择

3.2.4 软件求解的设置

3.3 三种模型的流场分析

3.3.1 单相流的流场分析

3.3.2 单一尺寸的气泡模型的流场分析

3.3.3 PBM模型的流场分析

3.3.4 三种模型的比较

3.3.5 侧入式侧搅拌发酵罐内气泡尺寸的分布

3.3.6 PBM模型下质点的运动轨迹分析

3.4 本章小结

第四章 发酵反应器的结构优化与转速设定 错误!未定义书签。

4.1 搅拌桨的设置方式

4.1.1 所考察的设置方式

4.1.2 发酵侧搅拌发酵罐的建模方式与考察因素

4.2 不同设置方式的流场性能分析

4.3 侧搅拌发酵罐搅拌转速的选择

4.4 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

符号说明

致谢