劉凱舒安慶馬長(zhǎng)春魏化中龔哲董厚生

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2.中國(guó)通用機(jī)械工程總公司3.湖南智河化工技術(shù)設(shè)備有限公司)

生物反應(yīng)器的CFD模擬及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉凱*1舒安慶1馬長(zhǎng)春2魏化中1龔哲3董厚生1

（1.武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2.中國(guó)通用機(jī)械工程總公司3.湖南智河化工技術(shù)設(shè)備有限公司)

利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Fluent，以多重參考系法對(duì)發(fā)酵行業(yè)中的發(fā)酵罐攪拌流場(chǎng)進(jìn)行整體數(shù)值模擬?；跇?biāo)準(zhǔn)的κ-ε紊流模型模擬了發(fā)酵罐內(nèi)的流場(chǎng)分布，分析了垂直面和水平面上液相流的流場(chǎng)分布及規(guī)律，可為攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

生物反應(yīng)器發(fā)酵罐攪拌器計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬

0 前言

在化工行業(yè)或其他需要液體拌合過(guò)程的許多工業(yè)部門(mén)中，都廣泛使用著各式各樣的攪拌反應(yīng)器。在反應(yīng)裝置中，拌合過(guò)程是通過(guò)攪拌器葉片推動(dòng)液體沿著特定的方向和以一定的流速運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。生物反應(yīng)器，例如發(fā)酵行業(yè)中常用的發(fā)酵罐，是一種對(duì)物料進(jìn)行機(jī)械攪拌并使其發(fā)酵的設(shè)備。目前，生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)，但發(fā)酵攪拌過(guò)程中的流場(chǎng)是非常復(fù)雜的，一般的設(shè)計(jì)往往難以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。準(zhǔn)確模擬和描述發(fā)酵罐中的流動(dòng)情況和混合過(guò)程，是生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。目前，借助于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)進(jìn)行模擬，可以為攪拌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，能夠彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的不足,有助于生物反應(yīng)器的技術(shù)創(chuàng)新。

1 生物反應(yīng)器的槳葉形式

攪拌器的槳葉形式主要有徑向流攪拌器和軸向流攪拌器[1]。在發(fā)酵領(lǐng)域中，徑向流攪拌器的特點(diǎn)是氣體分散能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但功耗較大、作用范圍有限，其典型代表有Rushton渦輪攪拌器（見(jiàn)圖1）。軸向流攪拌器對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的物料混合性能較好、功耗低，但是其不足之處是對(duì)氣體的分散能力較差，其典型代表有LIGHTNIN公司的A315攪拌器（見(jiàn)圖2）。

由于現(xiàn)代發(fā)酵罐的容積規(guī)模不斷擴(kuò)大，光靠單層槳葉或槳葉形式的攪拌器已經(jīng)不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的需要，因此結(jié)合兩種流型的多層、組合式攪拌器應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)發(fā)酵罐底部通入氣體時(shí)，安裝在底部的徑向流攪拌器將氣體打散成小氣泡，增加氣液兩相的接觸面積；利用軸向流攪拌器混合性能好的特點(diǎn)，使全部液體成周期循環(huán)，大范圍地實(shí)現(xiàn)氣液混合。充分利用兩種攪拌器的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，采用多層、組合式攪拌器是今后大型發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展方向。本文將CFD引入到生物反應(yīng)器的研究中，用以對(duì)多層、組合式攪拌器的流體流場(chǎng)分布進(jìn)行模擬并加以分析。

圖1 Rushton渦輪攪拌器

圖2 A315攪拌器

2 數(shù)值模擬

由于攪拌器的結(jié)構(gòu)形式對(duì)生物反應(yīng)器的性能至關(guān)重要，因此，有必要了解攪拌器在發(fā)酵過(guò)程中的流場(chǎng)狀況和各種槳葉形式對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的影響。傳統(tǒng)的攪拌器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般的方法是通過(guò)縮微發(fā)酵罐模型進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，此種方法成本較高，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)。隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的成熟，目前可以使用CFD分析軟件Fluent對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行模擬并加以分析。

現(xiàn)以某抗菌素廠(chǎng)發(fā)酵罐為研究對(duì)象，其主要參數(shù)如下：發(fā)酵罐直徑D=3 800 mm，液位高度H=8 600 mm，攪拌器為三層A315攪拌器和六葉渦輪（底槳），如圖3所示，罐內(nèi)均布4塊擋板，轉(zhuǎn)速n=110 r／min，工作介質(zhì)為發(fā)酵液（因發(fā)酵液參數(shù)與水相近，所以模擬時(shí)以水替代）。圖4為組合式攪拌器三維模型示意圖。

圖3 六葉渦輪攪拌器（底槳）

圖4 組合式攪拌器

選取整個(gè)發(fā)酵罐的流體作為計(jì)算域，使用Fluent專(zhuān)用前處理器Gambit 2.3.16生成網(wǎng)格。由于此發(fā)酵罐所選用的攪拌槳和擋板結(jié)構(gòu)不規(guī)則，故整體網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)槳葉區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，以增加計(jì)算的精度。總的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為971 702個(gè)。

發(fā)酵罐內(nèi)的流場(chǎng)非常復(fù)雜，罐體壁面、擋板和攪拌槳所圍成的區(qū)域的形狀以及流體流動(dòng)都是隨時(shí)間周期性變化的，這是該發(fā)酵罐與化工過(guò)程中其他反應(yīng)器的一個(gè)差別，也是對(duì)攪拌反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)需要解決的一個(gè)難題。為了分析運(yùn)動(dòng)的槳葉和靜止的擋板之間的相互作用，許多學(xué)者提出了不同的建模方法，有“黑箱”模型法、內(nèi)外迭代法、多重參考系法（MRF）、滑移網(wǎng)格法、大渦模擬法等。

在攪拌流場(chǎng)的計(jì)算方法中，工程上應(yīng)用最廣泛的是壓力耦合方程組的半隱式方法(SIMPLE算法)及其修正方法。SIMPLE算法是一種主要用于求解不可壓縮流場(chǎng)的數(shù)值方法，該算法在交錯(cuò)網(wǎng)格的基礎(chǔ)上計(jì)算壓力場(chǎng)，進(jìn)而求解動(dòng)量方程。本文采用SIMPLE算法進(jìn)行求解。

對(duì)該發(fā)酵罐的數(shù)值模擬本文選用MRF方法進(jìn)行模擬，將計(jì)算區(qū)域分為兩個(gè)區(qū)域，槳葉及其附近流體區(qū)采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（動(dòng)區(qū)域），其他區(qū)域采用靜止坐標(biāo)系（靜區(qū)域）。因?yàn)閿嚢铇幱谶\(yùn)動(dòng)流體區(qū)域，和槳葉四周的流體以同樣的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)動(dòng)（相對(duì)于該區(qū)域內(nèi)的流體是靜止的），所以槳葉壁面定義為動(dòng)邊界，邊界類(lèi)型為壁面邊界，擋板壁面和罐體壁面定義為靜止壁面邊界條件。湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型。圖5為其網(wǎng)格示意圖。

圖5 發(fā)酵罐數(shù)值模擬網(wǎng)格示意圖

3 模擬結(jié)果及分析

由圖6、圖7可以看出，在罐體上方的三層A315攪拌器屬于軸向流攪拌器，其槳葉推動(dòng)流體流動(dòng)的方向平行于攪拌軸，流體向下流動(dòng)，沖擊到罐體底部時(shí)流體開(kāi)始向上翻轉(zhuǎn)，再經(jīng)罐體壁面循環(huán)回到液體表面，形成上下循環(huán)流。罐體底部的六葉渦輪屬于徑向流攪拌器，槳葉推動(dòng)流體產(chǎn)生徑向流，徑向流在流動(dòng)過(guò)程中推動(dòng)周?chē)黧w，流體撞擊到壁面擋板時(shí)被分為兩部分，一部分沿?fù)醢逑蛏狭鲃?dòng)，一部分向下流向罐體底部。由圖6、圖7可看出整個(gè)罐內(nèi)流體的流動(dòng)呈循環(huán)流形式。若考慮實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中罐體底部空氣分布器產(chǎn)生的氣體經(jīng)六葉渦輪破碎后向上擴(kuò)散，上層液體也會(huì)得到很好的循環(huán)和拌合。

圖8、圖9是攪拌軸橫截面上的攪拌流場(chǎng)的速度矢量圖，截面位置選取在距離罐體底部Z=1 100 mm和Z=3 200 mm（六葉渦輪和底層A315攪拌器）的位置處。由這兩幅流場(chǎng)圖的對(duì)比能夠很好地看出，六葉渦輪在推動(dòng)流體向四周流動(dòng)時(shí)其能力和作用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A(yíng)315攪拌器。

圖6 垂直面液相流場(chǎng)

圖7 六葉渦輪區(qū)流場(chǎng)（局部放大）

圖8 Z=1 100 mm液相流場(chǎng)

4 結(jié)論

本文使用CFD方法和標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε紊流模型，對(duì)發(fā)酵行業(yè)中使用多層、組合式攪拌器的生物反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，分析了發(fā)酵罐內(nèi)垂直面和水平面上液相流的流場(chǎng)分布及規(guī)律。研究表明：CFD計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，可以為攪拌器的槳葉選型提供參考，并可用于指導(dǎo)生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化。應(yīng)當(dāng)指出，實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中，還需考慮通氣流量和溫度等因素，因此還有待進(jìn)一步的研究。

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CFD Simulation and Structure Design of Stirred Bioreactor

Liu KaiShu AnqingMa ChangchunWei HuazhongGong Zhe Dong Housheng

Using CFD software Fluent,the whole numerical simulation for agitated flow field of fermenter in fermentation industry was carried out by multiple reference frame method.Based on standard κ-ε turbulence model,flow field distribution of fermenter was simulated,flow field distribution and rules of liquid flow at vertical and horizontal plane was also be analyzed,which could provided reference for structure design of agitator.

Bioreactor;Fermenter;Agitator;Computational fluid dynamic;Numerical simulation

TQ 051.7

*劉凱，男，1986年生，碩士研究生。武漢市，430205。

2011-11-13）