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        工業(yè)規(guī)模氣升式生物反應(yīng)器的CFD模擬

        2020-06-06 00:30:36張小龍羅宇笛
        黑龍江科學(xué) 2020年10期
        關(guān)鍵詞:生物

        張小龍,李 嘯,,葉 晗,羅宇笛

        (1.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院 中國輕工業(yè)酵母功能重點實驗室,湖北 宜昌 443002;2.安琪酵母股份有限公司,湖北 宜昌 443002 )

        氣升式生物反應(yīng)器是近些年發(fā)展起來的一種用于氣液兩相或氣液固三相的生物反應(yīng)裝置,廣泛應(yīng)用于生物、環(huán)境及化學(xué)工業(yè)[1]。其具有結(jié)構(gòu)簡單、容易清洗、徑向剪切力較低、能耗低等顯著優(yōu)點[2]。氣升式生物反應(yīng)器中混合與傳質(zhì)性能與循環(huán)液速以及分布氣體的分布情況有很大關(guān)系,而循環(huán)液速和氣含率也是隨空間位置不同而存在差異,因此循環(huán)液速和氣含率是氣升式反應(yīng)器設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)[3-4]。

        為了設(shè)計反應(yīng)器或更好地改進反應(yīng)器, 需要對反應(yīng)器設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)的局部分布有一定的認知。近年來,隨著計算流體力學(xué)(CFD) 數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,利用CFD技術(shù)就可以獲取這些關(guān)鍵參數(shù),為生物反應(yīng)器的設(shè)計和優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義[5-7]。本研究通過計算流體力學(xué)的方法對某一工業(yè)規(guī)模氣升式生物反應(yīng)器的流場進行探究,這一工業(yè)規(guī)模的生物反應(yīng)器為單進料管,并將其進單進料管改造對雙進料管進行反應(yīng)器的流場探究。

        1 物理模型及網(wǎng)格劃分

        1.1 幾何模型

        本研究對象是一個單進料管氣升式生物反應(yīng)器(a)和一個雙進料管氣升式生物反應(yīng)器(b)。所建模型如圖1,具體參數(shù)如表1所示。

        圖1 發(fā)酵罐示圖Fig.1 Diagram of fermentation tank

        氣相(空氣)從生物反應(yīng)器的底部氣體分布器進入,由發(fā)酵液上液面流出。液相(發(fā)酵液)在循環(huán)泵的作用下從生物反應(yīng)器底部的物料出口管流入循環(huán)管,再由生物反應(yīng)器中部物料進口管流入生物反應(yīng)器中。氣相(空氣)密度1.225 kg/m3,黏度0.018×10-3kg/ms;液相(發(fā)酵液)密度1 032 kg/m3,黏度2.225×10-3kg/ms。

        表1 罐體幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of tank

        1.2 網(wǎng)格劃分

        由于模擬過程中由于生物反應(yīng)器與氣體分布器尺寸相差較大,氣體分布器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,且 ANSYS Workbench 18.2軟件對四面體網(wǎng)格的支持性很好,其準(zhǔn)確度也非常高,因此本模型劃分的網(wǎng)格類型選用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)目達到非依賴性狀態(tài)。

        2 數(shù)值模擬

        本研究選用目前廣為接受的歐拉---歐拉雙流向模型,整個流場的氣液兩相都被看成連續(xù)介質(zhì),其流動可以看為不可壓縮的雙相流過程。針對兩相分別遵循質(zhì)量、動量和能量守恒方程,通過相間作用力將兩組方程耦合在一起。

        模擬軟件計算流體力學(xué)軟件Fluent,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程。邊界條件的設(shè)定為:氣體分布器的進氣截面設(shè)定為速度入口,灌頂?shù)陌l(fā)酵液液面設(shè)置為壓力出口,物料進口管和物料出口管截面設(shè)定為速度入口,罐體內(nèi)壁設(shè)置為無滑移壁面(No slip wall),模擬類型設(shè)定為瞬態(tài)模擬,對流動場進行模擬時,將各流動變量的收斂殘差設(shè)定為10-5。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 速度云圖

        圖2為單進料管反應(yīng)器(a)和雙進料管反應(yīng)器(b)中心面ZY plane上的速度云圖,從圖中可以看出兩個反應(yīng)器中發(fā)酵液速度的基本分布情況。在兩個發(fā)酵罐的氣體分布器附近區(qū)域為流動高速區(qū)域。但單進料管反應(yīng)器(a)的右側(cè)偏下出現(xiàn)了大范圍的液相流動的較弱的區(qū)域,雙進料管反應(yīng)器(b)中就無這種情況的出現(xiàn),大范圍存在液相流動較弱的區(qū)域不利于發(fā)酵液中營養(yǎng)物質(zhì)以及氧氣的均勻分布。

        圖2 速度云圖Fig.2 Speed cloud map

        圖3 速度矢量圖Fig.3 speed vector map

        3.2 速度矢量圖

        圖3為單進料管反應(yīng)器(a)和雙進料管反應(yīng)器(b)中心面ZY plane上的速度矢量圖,從圖中可以直觀地看出兩個生物反應(yīng)器中流場的流型。 兩個生物反應(yīng)器中發(fā)酵液都是沿著出料管側(cè)區(qū)域向下循環(huán)流動。單進料管反應(yīng)器(a)中的發(fā)酵液是從罐底先流到到罐中心后又沿著出料管對側(cè)到達上液面。而雙進料管反應(yīng)器(b)中發(fā)酵液主要沿著出料管對側(cè)向上循環(huán)。雙進料管反應(yīng)器(b)中的循環(huán)劇烈程度要明顯強于單進料管反應(yīng)器(a),有更強的混合傳質(zhì)作用,這對菌體的生長代謝是十分有利的。

        圖4 氣含率云圖Fig.4 Cloud chart of gas content

        3.3 氣含率云圖

        圖4為單進料管氣升式反應(yīng)器(a)和雙進料管氣升式反應(yīng)器(b)中心面ZY plane上的氣含率云圖。根據(jù)圖中展示的兩個反應(yīng)器中氣體的基本分布情況,可以看出,在兩個反應(yīng)器的出料管側(cè)的發(fā)酵液中氣體分布都明顯不均勻,也就意味著氣含率低區(qū)域可能會是發(fā)酵“死區(qū)”,這主要與發(fā)酵罐出料管上側(cè)區(qū)域的發(fā)酵液向下流動、而氣體主要是隨著發(fā)酵液的循環(huán)從反應(yīng)器另一側(cè)有氣體分布器到達發(fā)酵液液面有很大關(guān)系。由于雙進料管反應(yīng)器(b)中發(fā)酵液混合程度的增強,明顯可以看出雙進料管反應(yīng)器(b)中的氣含率分布要比單進料管反應(yīng)器(a)中的氣含率更加均勻,顯著提高了發(fā)酵罐出料管上側(cè)的區(qū)域氣含率,這對工業(yè)上微生物的發(fā)酵生產(chǎn)的優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

        4 結(jié)論

        通過CFD數(shù)值,模擬兩種大型氣升式發(fā)酵罐(單進料管和雙進料管),可以看出在該類氣升式反應(yīng)器的發(fā)酵液的大循環(huán)中,發(fā)酵罐出料管一側(cè)的區(qū)域以發(fā)酵液向下流動為主,另一側(cè)的發(fā)酵液以向上流動為主。在向上和向下流動的區(qū)域之間,存在部分流動循環(huán)比較微弱的區(qū)域。

        通過比較分析單進料管反應(yīng)器和雙進料管反應(yīng)器的流場發(fā)現(xiàn),采用不同進料管對反應(yīng)內(nèi)的流場會有較大的影響,雙進料管反應(yīng)器在溶氧分布以及混合性能上要超過單進料管反應(yīng)器,這對該類型反應(yīng)器的優(yōu)化和放大有重要的指導(dǎo)意義。

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