环隙气升式反应器的开发 Ⅰ.流体力学研究和体积传质系数的关联

在400mm直径的环隙气升式反应器内,用空气-水系统测定了平均气含率和体积传质系数,考察了分布器和导流筒结构的影响,并求得了体积传质系数的经验关联式。实验表明,在相同气速下,环隙气升式反应器的平均气含率和体积传质系数均稍小于鼓泡反应器的值。但由于环隙气升式反应器具有较高的液体循环速度,混和效果好,更具开发价值。     

旋转填充床中两种填料压降特性与传质特性的对比

利用空气-水-SO2 系统研究了逆流旋转床的气相压降及传质特性。结果表明, 填料A(普通丝网 )比填料B(RS钢波纹丝网)的气相压降大30%左右, 体积传质系数小15%左右, 即填料B比填料A的流体力学性能和传质性能好。     

多面球填料的流体力学和传质性能

在直径为600毫米的不锈钢制填料塔中,对φ50毫米的聚丙烯多面球填料进行了流体力学和传质性能的测定。流体力学试验是用空气水系统进行的,实验范围为:空塔气速0.5～4米/秒;喷淋密度0～90米~3/米~2·小时。传质试验是用水吸收空气中的氨,实验范围为:空塔气速0.5～1.5米/秒;喷淋密度5.6～70米~3/米~2·小时;进口气体中氨含量为0.5%(体积)左右。为了鉴定这种填料的性能,在同一设备中于相同的操作条件下测定了φ50毫米的井字筋鲍尔环的数据以资比较。实验结果表明:所测试的这种多面球填料的流体阻力比鲍尔环平均约大一倍左右,但是它的传质性能较鲍尔环优良,其气相体积传质系数约比鲍尔环大13%～50%。如能设法在保持现有传质性能的基础上使阻力降低,则多面球填料是一种性能良好的填料。     

PX液相氧化制TA微界面强化初探

通过构建对二甲苯(PX)空气液相氧化制对苯二甲酸(PTA)微界面体系构效调控数学模型,探讨体系气泡大小对气泡运动、氧气传质和PX宏观反应速率的影响.理论计算结果表明,随着体系气泡尺度的减小,气液相界面积和体积传质系数均大幅上升,PX宏观反应速率亦有较大增加.在操作温度和操作压力分别为186.3℃和1.2 MPa时,若体系气泡Sauter平均直径d32由5.0 mm减小至0.50 mm,气液相界面积、体积传质系数和PX宏观反应速率分别增大16倍、30倍和1.6倍.此外,冷模试验表明,模拟体系可形成典型的微界面体系.     

气升式外环流反应器结构特性对传质的影响

研究了气升式外环流反应器（EALR）结构特性（高径比、喷嘴结构、喷嘴位置、两管中心距）对气含率、液体体积传质系数的影响。得出了反应器的较优结构尺寸。在冷模试验优选出确定结构的EALR中进行了苏云金杜菌的发酵实验,与传统的机械搅拌罐相比,苏云金杆菌的发酵周期可缩短9h左右,发酵水平可提高35%。     

缩放型导流筒气升式内环流反应器特性——气液两相牛顿流

从气相含率、液体循环速度和体积氧传质系数方面研究气液两相牛顿流体在缩放型导流筒气升式内环流生物反应器内的流体力学与传质特性.内导流筒分别采用传统圆柱型和三种不同结构参数的缩放型,实验介质为空气—水两相牛顿流体系.结果表明,与传统圆柱型导流筒比较,缩放型导流筒气相含率提高10%以上,体积氧传质系数在较大范围内提高.圆柱型导流筒反应器的液体循环量(Ar·ULr)大于各缩放型导流筒反应器的液体循环量.还在Higbie穿透理论和Kolomogoroff各向同性理论的基础上建立了体积氧传质系数与操作条件管结构参数间的关联式.     

高活力碱性蛋白酶产生菌的选育与发酵放大

为了选育高活力碱性蛋白酶产生菌株.采用复合诱变(紫外照射、NTG、离子注入)方法,结合平板初筛与摇瓶复筛.获得一株高产突变株HAPN-169,其酶活力为3.5×10 u/mL.高产菌株HAPN-169根据气液接触中体积传氧系数kLa相同的原则发酵放大(7L,30L,200L),其发酵参数为:温度34℃,装液系数0.7,接种量5%,使溶氧维持在20～30%,控制发酵过程pH不低于7.0.在7L发酵罐,发酵时间为54小时,酶活力为3.6×104u/mL;在30L发酵罐,发酵时间为50小时,酶活力为3.86×104u/mL;在200L发酵罐,发酵时间为36小时,酶活力为4.2×104u/mL.发酵液pH在7.5左右时,酶活力在峰值,发酵终点一到,必须马上下罐.该结果对为我围碱性蛋白酶工业发展提供一定的基础.     

基于胺法的旋流喷淋气液吸收烟气CO2的性能

为了强化CO_2捕集过程的气液传质,设计了一类多级旋流喷淋反应器,实验研究了典型的醇胺(乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA))脱除CO_2的分离效率和传质系数,并分析了操作条件的影响.结果表明:在相同的实验条件下,MEA的脱碳效率(最大值95%)大于DEA的脱碳效率(最大值92.3%).与相关研究数据的对比表明,多级旋流喷淋可以有效增强醇胺-CO_2喷淋反应系统的传质过程.醇胺溶液旋流气液吸收烟气CO_2的脱碳效率受操作条件的影响,其随着吸收剂质量分数、吸收剂流量和反应温度的增加而提高,随着烟气中CO_2体积分数和烟气流量的增加而降低.     

ILAR中添加微量表面活性物质传质特性

利用液相体积传质系数研究了气升式内环流反应器中添加表面活性物质（叔丁醇、季戊四醇、乙醇及CaCl2）后的传质特性．实验结果表明,与空气-去离子水体系相比较,添加微量表面活性物质会显著增强氧的气-液传质性能,但这种强化作用仅发生在一定的浓度范围内,超过极限浓度后,液相体积传质系数会有所降低．另外,叔丁醇和季戊四醇的碳链尽管长于乙醇,但促进气-液传质效果不及乙醇,说明分子空间结构对脂肪醇抑制气泡的聚并有一定的影响．     

L-异亮氨酸产生菌TC-21的分阶段发酵控制研究

通过对L-异亮氨酸产生菌TC-21的5L发酵罐发酵研究，应用辅助软件对影响其发酵控制的各个因素进行分析，利用SAS软件对体积溶氧传递系数、菌体浓度和产酸进行回归拟合得到方程，提出了分阶段发酵控制模式，在该控制模式下，与实际恒定发酵过程比较，TC-21的产酸率提高了23．56％。     

滴流床中液相传质系数的研究

在气液并流向下的滴流床中,应用空气-二氧化碳-水系统和空气-二氧化碳-氯化钠水溶液系统,对气液界面液相传质系数进行了研究。滴流床床径为T=42mm,床中填料为小颗粒玻璃珠(粒径d_p=2.33,1.73,1.16mm),气相空床流速u_G为0.12—0.50m/s,液相空床流速u_L为0.002—0.040m/s,气液相温度均为298K。实验表明滴流区液相传质系数k_Lα与u_L、u_G、d_p和系统的物性等有关,用回归分析方法得到如下的关联式: (k_Lαd_p~2)/D_A=0.147Re_L~(0.55)Re_G~(0.58)Sc~(0.50)(dp/T)~(-0.06)证实了该传质过程符合Higbie理论。     

气升式反应器气液混合及传质特性的CFD模拟

气液混合时间和体积传质系数是气升式反应器设计和放大的重要参数。采用实验与流体动力学CFD数值模拟技术相结合的方法对气升式内环流反应器的气液两相混合和溶氧过程开展研究。以欧拉-欧拉模型为基础,利用标准k-ε及多尺度气泡(MUSIG)模型耦合Higbie渗透理论进行计算,对反应器内气液两相流的混合和氧传质进行CFD数值模拟。考察示踪剂进样位置和表观气速对混合时间的影响,并研究表观气速对体积传质系数的作用规律。结果表明:示踪剂注射位置越靠近曝气区,气液混合时间越小,在一定表观气速下,混合时间随着表观气速的增大而减小,体积传质系数则随着表观气速的提高而增大,CFD数值模拟结果与实验结果较好吻合,进一步验证了CFD数值模拟技术在气升式反应器设计和放大中的可行性。     

多级雾化超重力旋转床中气液传质实验研究

利用传热强化与过程节能教育部重点实验室开发的多级雾化超重力旋转床，采用化学吸收的方法测定了其在不同操作条件下的体积传质系数，并根据双膜理论建立了旋转床中气液两相之间的传质模型．实验结果表明，多级雾化超重力旋转床气液两相间的体积传质系数随气液流量的增加而增大．文中还从实验数据中归纳出了液滴内的传质系数方程，指出丝网层的雾化使液滴在离心力的作用下高速旋转进入雾化区，由于液滴内循环非常剧烈，从而使多级雾化旋转床的液滴内传质系数较高．     

L角钢挡板塔盘吸收性能的试验研究

经氨空气水物系吸收性能试验表明,L 角钢挡板塔盘具有结构新颖简单、加工安装方便、生产能力大、板压降小、效率高、传热传质效果好等特点,是一推广应用的新塔型,并提出冒夫里板效率 E_(mv)和体积传质系数 K_(yv)的关联式.     

CFD技术用于红霉素发酵罐搅拌系统的设计

采用计算流体力学(CFD)技术辅助设计375 m3红霉素发酵罐搅拌系统,使发酵罐达到高效节能的目的。根据红霉素的生产工艺、流体传质特性以及实践经验,综合考虑混合传质效果和高效节能的要求设计出4套搅拌系统。对每套搅拌系统的流场、气含率、容积氧传质系数、剪应变和功耗进行数值模拟分析。结果表明:方案1的搅拌系统功耗较低、气含率较高,具有较强的混合传质能力、剪应变适中且分布比较均匀。     

生物搅拌反应器的CFD模拟及在肌苷发酵中的应用

通过改变搅拌桨叶间距,对50 L的气液搅拌生物反应器在指定转速、每升发酵液中每分钟通入空气1 L条件下的搅拌流场、剪切力、空气体积分率进行模拟,从流体力学角度对反应器进行了优化。将模拟优化结果用于实际肌苷发酵过程中,结果表明:计算流体力学(CFD)模拟优化后的搅拌桨位置能改善发酵罐内部的流场和气体分布,从而对菌体代谢和肌苷合成产生影响,使每升发酵液的产苷量提高了4.06 g。     

搅拌对多黏类芽孢杆菌发酵氧传递过程的影响及CFD模拟

以羧甲基纤维素钠水溶液(CMC)为液相,空气为气相,研究了不同桨型组合、体系黏度、气量、桨间距、气体分布器等对搅拌过程中氧传递的影响。结果表明:在CMC体系中,下层用径向流的涡轮斜叶桨、上层用轴向流的翼型桨有利于氧传递。当单位体积功率P/V≥1.5 kW/m3时,涡轮斜叶翼型组合桨(SRT-HI)比传统的双层透平组合桨(RT-RT)的传质系数提高约10%,且高径比越大,SRT-HI优势越明显。进一步用CFX11.0进行模拟,得到了不同桨型组合下气液两相的速率、气体和氧传质系数的分布等。并在50 L发酵罐中分别采用SRT-HI与RT-RT研究了搅拌对多黏类芽孢杆菌HY96-2发酵溶氧影响的热模实验,结果表明,在P/V=1.6 kW/m3条件下采用SRT-HI发酵,过程中体系的溶氧情况明显好于采用RT-RT时的溶氧情况。     

滴流床小颗粒催化剂气相传质系数的研究

采用NaOH-SO_2-空气系统,在液相中进行瞬时不可逆反应,研究了滴流床小颗粒的气相容积传质系数k_Gα。实验结果表明:气液间的传质过程与液体的流型有着密切关系。实验得到工况条件下滴流区和脉动区k_Gα与气速、液速、颗粒大小及液相物性的关联式。     

固体颗粒对搅拌罐中气液传质的影响

在带有Rushton搅拌桨的搅拌罐中,研究了恒定温度和恒定气体流量条件下不同粒径的固体颗粒和搅拌速率对气液传质速率的影响.结果表明:固体体积分数小于0.08%,时,石英砂(41.1,μm和640,μm)对气液体积传质系数kLa没有影响;而对于碳酸钙颗粒(5.07,μm),当其体积分数大于0.4%,时,k_La随着固体含量的增加而增大.通过对实验数据的拟合,得到一个含有功率输入、浆液有效黏度、颗粒粒径和固含量的半经验公式,该公式能够很好地表达颗粒对气液传质的影响.     

超重力旋转床中气液两相流动与传质过程的数值模拟

文中采用基于颗粒轨道模型的欧拉-拉格朗日法对超重力旋转床中的气液两相流动与传质进行了数值模拟研究。在合理简化丝网填料结构和考虑液滴凝并与分散的基础上,分别利用SIMPLE算法和颗粒轨道模型计算了超重力旋转床中的气流场和液滴的运动轨迹,进而计算了液相的传质系数。数值模拟所得的液相传质系数与氮气解吸水中溶解氧实验结果符合良好,表明模型能够用于模拟旋转床中流体力学和分散相内的传质过程。计算分析表明,对超重力旋转床,在一定的转速下,液体和气体流量以及填料内径的变化对体积传质系数有重要影响。