高粘假塑性体系在搅拌槽中的气液传质特性研究

摘要

在气液接触设备的基础研究中，研究对象大部分涉及牛顿流体，多为水-空气体系，在化工行业和生化行业非牛顿流体较为普遍且目前传质研究较少。在生物发酵行业尤其是好氧菌发酵过程中，随着发酵的进行发酵液粘度逐渐增加，氧气的传递受到阻碍，发酵过程受到抑制。本文就这一工业生产为背景研究在高粘度的假塑性体系中氧气的传质性质。同时采用CFX软件对这一实验过程进行仿真模拟，为后续实验的放大和工业生产提供参考。
　　本文主要采用interMIG桨型，在桨型的选取中采用主副叶同向和主副叶反向两种桨型，分别记做interMIGDD和interMIGUD。实验装置为直径T=476 mm的有机玻璃搅拌槽，非牛顿流体选用CMC水溶液。分数分别为0.5％，0.75％，1.0％，1.25％，1.5％，1.75％，其中0.5％只用于桨型和层间距的研究。在各影响因素的研究实验中氧气浓度由溶氧电极测得。
　　在桨型的实验研究中，发现主副叶反向的interMIG桨型更有利于气液传质的进行，并且随着单位质量功的增加这种优势更加明显，传质系数差值最大可达到50％;本文所用搅拌桨直径D=290 mm，在层间距的研究中采用0.36D，0.5D，0.69D三种层间距，实验研究表明在相同单位质量功下0.5D传质效果更好，与0.36D相比最高能提高25％，与0.69D相比最高能提高11％左右;在搅拌转速对传质效果影响的实验研究中采用350rpm，400 rpm，450 rpm，500 rpm四个不同转速，发现不管溶液的粘度大小，其容积传质系数随转速的变化都是增大趋势，且增速基本同步;在通气量对传质效果影响的实验研究中采用5 m3·h-1，10 m3·h-1，15 m3·h-1，20m3·h-1四个不同的通气量，发现同一转速下随着通气量的增大，容积传质系数增加明显;在分布器直径对传质效果影响的实验研究中采用0.55T，0.65T，0.75T三个不同的分布器直径，发现分布器直径越大越有利于气液混合。在相同单位质量功时，0.75T比0.55T传质系数增加最多可达到12％左右。在表观粘度的研究中使用五种不同质量浓度的CMC水溶液进行实验，发现粘度对氧气的传递具有抑制作用。
　　在模拟研究中依据实验装置建模并进行网格划分最终完成模拟计算，结果与实验研究得到的各因素影响趋势相同，搅拌转速、通气量、分布器直径等变量的增加能够有效促进传质过程进行，粘度对传质过程具有抑制作用。但模拟结果与实验相比容积传质系数的数值上存在差异，较低粘度误差在3％左右，粘度增大后误差在10％-30％之间。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 假塑性流体介绍和应用

1．2 气液混合装置

1．3 气液混合机理

1．4 气液传质理论

1．4．1 双膜理论

1．4．2 溶质渗透理论

1．4．3 表面更新理论

1．5 气液传质研究进展

1．6 气液传质的CFD模拟研究

1．6．1 CFD的发展和介绍

1．6．2 PBM模型

1．6．3 湍流模型

1．6．4 传质模拟研究进展

1．7 小结

第二章 实验装置及方法

2．1 实验设备

2．1．1 搅拌槽

2．1．2 搅拌桨

2．1．3 气体分布器

2．1．4 IDO一体化溶氧仪

2．1．5 流变仪

2．1．6 实验设备及药品列表

2．2 试验物系性质

2．3 实验方法

2．3．1 气体流量计的校正

2．3．2 搅拌功率的测定

2．3．3 表面张力的测定

2．3．4 表观粘度的测定方法

2．3．5 传质性能测定

第三章 实验结果分析

3．1 桨型的选择

3．2 层间距对传质的影响

3．3 搅拌转速对传质的影响

3．4 通气量对传质的影响

3．5 气体分布器直径对质量传递的影响

3．6 表观粘度对传质的影响

3．7 传质关联式

3．8 小结

第四章 传质模拟研究

4．2．2 物料性质和边界条件设定

4．2．3 模拟策略

4．3 模拟结果讨论分析

4．3．1 桨型对传质的影响

4．3．2 层间距对传质的影响

4．3．3 搅拌转速对传质的影响

4．3．4 通气量对传质的影响

4．3．5 表观粘度对传质的影响

4．3．6 小结

第五章 结论及展望

5．1．2 模拟部分结论

5．2 展望

参考文献

致谢

导师及作者简介