對(duì)于有氣體參與的反應(yīng)過程，空氣分布器的結(jié)構(gòu)對(duì)攪拌效果的影響至關(guān)重要[1]。充分掌握空氣分布器結(jié)構(gòu)對(duì)攪拌槽內(nèi)的湍流特性、流場分布、組成濃度分布等的影響規(guī)律，對(duì)攪拌器的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)、指導(dǎo)操作、自動(dòng)化控制具有重大意義[2]。目前可以采用實(shí)驗(yàn)方法獲得反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流攪拌的氣體分散性能[3-5]，也可以通過CFD（ComputationalFluidDynamics，CFD）模擬計(jì)算獲取反應(yīng)器中整體和局部的氣含率、流體速度、湍動(dòng)能和混合特性[6-7]等流體力學(xué)參數(shù)，從而較為直觀地反映出反應(yīng)器內(nèi)的流場特性[8-10]，CFD已逐漸成為生物反應(yīng)器性能優(yōu)化和設(shè)計(jì)的一個(gè)重要工具。

空氣分布器大量用于工業(yè)攪拌設(shè)備中，目前對(duì)于氣液分散的研究大多采用試驗(yàn)方法[]，而使用數(shù)值模擬軟件模擬空氣分布器對(duì)攪拌效果影響的研究很少。本研究借助于計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，對(duì)不同的空氣分布器結(jié)構(gòu)的攪拌效果進(jìn)行了整體數(shù)值模擬。通過對(duì)攪拌流場、氣體分布以及功率消耗等方面的分析，來判斷單根通氣管空氣分布器及環(huán)形通氣管分布器對(duì)攪拌效果的影響。

1數(shù)值模擬

1.1攪拌基本參數(shù)

攪拌槽內(nèi)徑 D=2 600mm ，攪拌槽內(nèi)液面高度H=3000mm ，攪拌器距槽底高度 h=700mm ，轉(zhuǎn)速210r/min 。通氣量為 32m³/min 。

攪拌器層數(shù)為3層，上面兩層高效軸流槳，攪拌器直徑為 700mm ；下面一層斜葉圓盤渦輪槳，攪拌器直徑為 700mm 。采用2種空氣分布器結(jié)構(gòu)：（1）單根通氣管空氣分布器；（2）環(huán)形通氣管分布器。

1.2CFD分析方法及網(wǎng)格劃分

采用軟件Solidworks對(duì)單根通氣管空氣分布器和環(huán)形通氣管空氣分布器，分別在反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行三維建模。通過IECMCFD軟件完成單根通氣管空氣分布器和環(huán)形通氣管空氣分布器三維模型的網(wǎng)格劃分[1.6]，網(wǎng)格類型選用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，且網(wǎng)格數(shù)目達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)性。采用軟件Fluent模擬計(jì)算，得出2種空氣分布器對(duì)應(yīng)的流場特性。

2模擬結(jié)果與討論

2.1 流場分布

比較單根通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)速度矢量場和環(huán)形通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)速度矢量場，可以看到兩者流型區(qū)別較大。單根通氣管空氣分布器由于氣體在底層槳葉下部的一側(cè)通入，底層槳葉排出的流體受單管大氣量影響，呈現(xiàn)左右不對(duì)稱現(xiàn)象，底層槳葉在通氣管側(cè)排出的流體傾斜角更大。由于底層槳葉排出的流體不對(duì)稱，導(dǎo)致了整體的左右兩邊的流場出現(xiàn)了比較大的不對(duì)稱現(xiàn)象。環(huán)形通氣管空氣分布器罐內(nèi)底層槳葉排出的流體比較規(guī)則，與上面兩層高效軸流槳向下排出的流體銜接后，能夠在整個(gè)罐內(nèi)形成比較好的整體軸向循環(huán)流。

對(duì)比單根通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)速度云圖（圖1）和環(huán)形通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)速度云圖（圖2），可以看到兩者的速度云圖區(qū)別也較大。單根通氣管空氣分布器由于氣體在底層槳葉下部的一側(cè)通入，從底部攪拌器的葉端可以明顯地發(fā)現(xiàn)，分布器的對(duì)面?zhèn)葮~的右上方有一股比較大的流體流動(dòng)。推測應(yīng)該是受到氣相速度的影響，改變了槳葉排出流體的方向，加速了流體流動(dòng)，最終導(dǎo)致了流體發(fā)生了轉(zhuǎn)向。環(huán)形通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)速度云圖的縱截面左右兩邊流動(dòng)速度云圖分布比較對(duì)稱，并且管罐內(nèi)底部的流速高于單根通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)底部的流速。

2.2 氣含率分布

對(duì)比單根通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)氣含率分布（圖3）和環(huán)形通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)氣含率分布（圖4），可以看到兩者的氣含率完全不一樣。

單根通氣管空氣分布器由于氣體在底層槳葉下方一側(cè)通入，致使整個(gè)槽內(nèi)的氣含率分布很不均勻，氣含率在液面附近較高，表明大部分氣體沒有經(jīng)過分散直接產(chǎn)生氣泛，沖到液面以上，罐體底部的氣含率很低，總體來說整個(gè)罐內(nèi)的持氣率較低，出現(xiàn)了氣泛現(xiàn)象。

環(huán)形通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)的氣含率在縱截面的左右分布比較對(duì)稱，整個(gè)槽內(nèi)的氣體分布相對(duì)比較均勻，分布在液面的氣體比較少?？傮w來說整個(gè)罐內(nèi)的持氣率較好，能夠獲得更高的氣液傳質(zhì)面積。

2.3功率消耗

單根通氣管空氣分布器攪拌槳與環(huán)形通氣管空氣分布器的功率消耗分別為 32.1kW 和 33.5kW ，可以發(fā)現(xiàn)兩者的功率消耗相差不大。

3結(jié)論

（1）單根通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)速度矢量場和環(huán)形通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)速度矢量場有明顯的區(qū)別。單根通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)流場分布不對(duì)稱，而環(huán)形通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)流場相對(duì)比較對(duì)稱。

（2）單根通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)速度云圖和環(huán)形通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)速度云圖區(qū)別明顯。單管通氣管空氣分布器的罐內(nèi)底部槳葉受到通氣的影響導(dǎo)致流體方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致流場分布不對(duì)稱。

（3）單根通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)氣含率分布和環(huán)形通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)氣含率分布完全不一樣。單根通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)氣含率整體較低，出現(xiàn)了氣泛現(xiàn)象。環(huán)形通氣管空氣分布器攪拌罐內(nèi)的氣體分布較為對(duì)稱，持氣率高，載氣效果好，能夠獲得更高的氣液傳質(zhì)面積，氣體分散效果更好。

（4）單根通氣管空氣分布器攪拌槳的功率消耗和環(huán)形通氣管空氣分布器攪拌槳的功率消耗相差不大。

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