王新升 王超明 郝惠娣 孫雨凡 張 沛 劉 鑫

(西北大學(xué)化工學(xué)院)

氣液混合攪拌反應(yīng)器在生物化工領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]，通過(guò)改進(jìn)普通自吸式氣體分散器使之可安裝在釜底，同時(shí)實(shí)現(xiàn)釜底通氣，可提高攪拌槽內(nèi)氣液整體的混合效果，對(duì)生物反應(yīng)器的發(fā)展有重大的意義。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1氣體分散器

在普通自吸式氣體分散器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)[2]，所選普通自吸式分散器結(jié)構(gòu)如圖1a所示，氣體分散口高40mm，寬30mm,氣體分散葉片與所在圓弧切線方向夾角為30°，共12片葉片，如圖1b所示。改進(jìn)后的氣體分散器結(jié)構(gòu)如圖2所示，將氣體入口沿環(huán)向分布且與擋板結(jié)合，擋板總寬度(包括通氣通道)為筒體的1/10，模擬中所選筒體均為直徑為300mm,高度為400mm,液面高度為350mm 的平底圓筒，所以擋板總寬度為30mm,其中通氣通道的半徑為10mm,總數(shù)為4個(gè)。

a. 結(jié)構(gòu)模型

b. 氣體分散口

圖2 釜底通氣式氣體分散器結(jié)構(gòu)

1.2槳葉的選取

上、下兩層槳均選用標(biāo)準(zhǔn)六葉圓盤渦輪槳(6PT)，槳葉最大直徑為100mm,每片槳葉的長(zhǎng)度為25mm,寬度為20mm,圓盤直徑為75mm。分別對(duì)兩槳葉安裝距離為100、150、200、250mm的情況進(jìn)行了仿真模擬。

2 數(shù)值模擬

為了分析該氣體分散器置于釜底時(shí)對(duì)通氣的節(jié)能性能，對(duì)置于釜底的氣體分散器進(jìn)行了環(huán)境壓力進(jìn)出口為條件的數(shù)值模擬。由于新型氣體分散器與普通氣體分散器的吸氣和分散裝置一樣，為了減少劃分網(wǎng)格和計(jì)算的工作量，選用普通氣體分散器為模擬對(duì)象。在對(duì)新型結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬中，因?yàn)閿嚢璨蹆?nèi)的流場(chǎng)對(duì)氣體的分布和整體的攪拌混合效果有著重要的影響，因此對(duì)其進(jìn)行了液相的單相流模擬，以分析雙層6PT組合槳在不同和安裝距離時(shí)的攪拌混合效果。

2.1算法

采用多重參考系法(MRF)對(duì)旋轉(zhuǎn)槳葉和靜止區(qū)域進(jìn)行處理[3]，對(duì)包圍槳葉的部分填充冰凍體做為旋轉(zhuǎn)域，并采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，其他區(qū)域?yàn)殪o止域，參考坐標(biāo)為靜態(tài)坐標(biāo)。在單相流模擬中，湍流方程采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。多相流模擬中，采用歐拉-歐拉法處理[4],設(shè)氣液兩相分別為分散相和連續(xù)相，分別采用零方程模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，并使用Sato增強(qiáng)渦體粘度模型[5]。

2.2模型的建立

采用先建立攪拌器模型后填充的方式建立模型，同時(shí)在槳葉旋轉(zhuǎn)區(qū)填充冰凍體,進(jìn)行布爾操作后的模型如圖3所示。

圖3 布爾操作后的槳葉旋轉(zhuǎn)區(qū)模型

2.3網(wǎng)格的劃分

對(duì)旋轉(zhuǎn)域和靜止域分別進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，基本尺寸分別為12mm與15mm，其中旋轉(zhuǎn)域與動(dòng)態(tài)域的交界面處的面網(wǎng)格基本尺寸為4mm。利用膨脹法對(duì)靜態(tài)域壁面及擋板處和旋轉(zhuǎn)域與靜態(tài)域的交界面處進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化，以防止在上述位置產(chǎn)生較大的速度梯度[6]。

2.4邊界條件

在單相流的模擬中，為防止液體的溢出，設(shè)立與空氣接觸面的邊界類型為自由滑移面，壁面和旋轉(zhuǎn)軸所在面均設(shè)為Wall類型，其中定義旋轉(zhuǎn)軸所在面同槳葉一樣的旋轉(zhuǎn)速度350r/min，旋轉(zhuǎn)域與靜態(tài)域的結(jié)交面設(shè)立為GGI模型。在氣液兩相流模擬中，將氣體分散器入口以外的敞開(kāi)面設(shè)置為Opening,類型為去氣開(kāi)口，氣體入口定義為壓力入口，相對(duì)參考?jí)簭?qiáng)均為0Pa，參考?jí)簭?qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3 模擬分析

3.1氣液兩相流模擬結(jié)果分析

在環(huán)境壓力進(jìn)出口及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為350r/min的條件下，氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖4所示。由于槳葉的旋轉(zhuǎn)使得分散器中的液體被排出，從而形成負(fù)壓，使氣體被吸入氣體分散器入口通道。從氣體分散器入口至分散通道的距離h1為310mm，如果完全由外壓提供進(jìn)氣壓力，所需壓力為ρgh1，在該裝置情況下，氣體被吸入的高度h2為170mm，在此基礎(chǔ)上只需提供ρg(h1-h2)的壓力即可實(shí)現(xiàn)使氣體進(jìn)入到分散通道，可節(jié)省34%的靜壓能。由于該結(jié)構(gòu)與新型分散器的分散裝置一樣，因此新型氣體分散器也有著同樣的性能。

圖4 分散氣氣體體積分布云圖

3.2新型結(jié)構(gòu)單相流模擬結(jié)果分析

雙層6PT組合槳在安裝距離分為100、150、200、250mm的情況下的流場(chǎng)矢量圖如圖5所示。可以看出，當(dāng)雙層槳安裝距離較近(100mm)時(shí)，在上層槳以上的區(qū)域形成的漩渦區(qū)較小不利于上層流體的充分混合。相反，當(dāng)雙層槳安裝距離過(guò)大(200mm)時(shí)，在上層槳下部的漩渦區(qū)以下和下層槳形成的漩渦區(qū)以上的部分有一部分區(qū)域混合效果較差。當(dāng)安裝距離為150mm和200mm時(shí)，攪拌槽內(nèi)整體混合效果比較好，對(duì)比二者可以看出，在150mm距離安裝時(shí)，下層槳漩渦區(qū)形成兩個(gè)較小的漩渦，而200mm距離安裝時(shí)形成一個(gè)較大的漩渦，相比而言，后者會(huì)有效降低功率，相比前者要更節(jié)能[7]。

圖5 不同組合槳安裝距離下的流場(chǎng)速度矢量圖

如圖6是安裝距離分別為150、200mm且距離中心軸距離為100mm時(shí)的軸向速度分布曲線，可以看出，二者的速度變化梯度都比較大，而安裝距離為200mm時(shí)的平均速度要比安裝距離為150mm時(shí)大的多。

圖6 分散器軸向速度分布曲線

4 結(jié)論

4.1由自吸式氣體分散器改進(jìn)而來(lái)的新型釜底通氣式氣體分散器，由于分散器的自吸作用可節(jié)省34%的通氣靜壓能。

4.2在新型雙層槳釜底通氣式攪拌器中，當(dāng)雙層6PT組合槳安裝距離為200mm時(shí)，混合效果好且能量消耗低。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張永芳,郝惠娣,高勇. 雙層槳?dú)庖簲嚢璺磻?yīng)槽氣液分散特性[J]. 化學(xué)反應(yīng)工程與工藝,2009,25(2):121～125.

[3] 王嘉駿,李良超,顧雪萍,等. 攪拌反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流的CFD研究進(jìn)展[J]. 化工設(shè)備與管道,2012,49(1):1～4.

[4] 凌桂龍,丁金濱,溫正. Ansys workbench 13.0 從入門到精通[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2012:389～390.

[5] 宋月蘭. 多層槳攪拌槽內(nèi)氣-液兩相流的數(shù)值模擬[D].北京：北京化工大學(xué),2006.

[6] 黃志新,劉成柱. Ansys workbench 14.0 超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2013:96～98.

[7] 白飛龍，郝惠娣. 魚尾形槳葉用于龍卷流型攪拌反應(yīng)器的性能研究[J]. 化工機(jī)械,2013,40(6):792～795，800.