固液搅拌反应器数值模拟研究进展

固液搅拌反应器是过程工业中常见的单元设备,该反应器内固液两相的湍流特性以及相间相互作用等因素使得相关的数值模拟变得较为复杂。本文介绍了近年来用于处理旋转桨叶的方法和模拟连续相及离散相的数学模型,总结了这些方法和模型在预测固液搅拌反应器特性（包括速度和湍流特性、固相浓度分布、临界悬浮转速、颗粒层高、几何参数优化和颗粒特性）方面的应用,并对不同的方法和模型进行了展望,重点介绍了采用颗粒解析模型的欧拉-拉格朗日法在研究颗粒悬浮机理方面的应用前景。     

硫酸铵工业尺寸结晶器的拉哥朗日多相CFD模拟

反应器内流体的流动行为和硫酸铵晶体粒子的悬浮情况,是设计工业生产硫酸铵反应器的关键.通过测定硫酸铵晶体的粒度分布(CSD),计算出硫酸铵晶体粒子恰好悬浮时的搅拌速率为100 r/min.针对一个为实际工业生产设计的连续结晶器,进行计算流体力学(CFD)模拟,得到其稳定的单相流场,并与200 r/min搅拌速率的流场进行对比.引入拉哥朗日离散相模型,进行两相流CFD模拟,验证不同粒度的硫酸铵晶体粒子在100 r/min搅拌速率下在连续结晶器内的悬浮效果.模拟结果表明设计的硫酸铵连续结晶器是合理的.     

无挡板搅拌槽内固液悬浮的试验

在直径为0.34 m的无挡板平底圆筒搅拌槽内,采用PBT和ZHX两种搅拌桨对固相体积分数为20%的玻璃微珠-水固液两相体系的悬浮特性进行试验研究.采用固体激光器和数码相机分别研究了搅拌桨离底间距和桨型,以及偏心搅拌时偏心率对固相颗粒的悬浮状态与悬浮临界转速及功率消耗的影响,得出了无论是同轴搅拌还是偏心搅拌,搅拌槽底部边缘角落区的颗粒都不能沿周向同时悬浮.搅拌桨离底间距较低有利于颗粒的悬浮,所耗功率愈小,在相同工况下固相颗粒的悬浮效果PBT型桨优于ZHX型桨,偏心搅拌时,颗粒悬浮临界转速和功率消耗均较同轴时的大,且随偏心率的增加而增大,因而,对高浓度固液两相体系的悬浮混合不宜采用偏心的搅拌装置操作.     

偏心搅拌槽内固-液悬浮特性研究

为研究偏心搅拌时的固-液悬浮特性,采用PC-6D浓度测量仪研究了Rushton桨偏心搅拌槽内石英砂-水两相体系的悬浮过程,分析了偏心搅拌时的固-液悬浮特征,测量了不同偏心率时的固相浓度分布和功率消耗,并与中心搅拌进行了对比.结果发现:偏心搅拌时的临界悬浮转速和功率消耗均随偏心率的增大而增大,偏心率较小时的临界悬浮转速比中心搅拌时低,相同搅拌转速时偏心搅拌的功率消耗比中心搅拌时大;偏心搅拌时的固相浓度分布比中心搅拌均匀,偏心率为0.2时的悬浮效果最好,此时的临界悬浮转速约为中心搅拌时的80%,能节省功率消耗.     

粉煤灰预处理浆液槽停车与启动瞬态过程研究

用数值模拟方法对粉煤灰预处理浆液槽内固相颗粒的沉降及悬浮瞬态过程进行研究,同时以稳态模拟结果为初值对工业实际生产中的突发停车事故进行了研究,并分析了颗粒相分布和搅拌功率在停车以及再启动过程中的变化情况.结果表明,在浆液槽停车过程中内部固液两相运动速度不断衰减,固相颗粒逐渐在槽底形成沉积层,槽上部出现清液层;再启动之后固相颗粒重新分布于浆液槽中,停车0.5,h和1.0,h分别需经过6,min和10,min的搅拌才可以再次达到均匀悬浮状态,而且再启动初期搅拌功率陡增,最高可以达到稳定水平的1.6倍,如果不在搅拌设备上预先加装辅助搅拌设备则会有烧毁电机的危险.本研究可以有效预防突发停车事故.     

固体颗粒对三相气升式环流反应器流动特性的影响

将液相视为连续相,气相和固相视为分散相,同时考虑各相之间的相互作用,结合气液固三相流体的动力学理论,建立气液固三相环流反应器三流体湍流流动的Eulerian模型.采用计算模拟软件Fluent对三相环流反应器的流动状况进行模拟,考察表观气速、固含率、颗粒大小对反应器的气含率以及液体流动速度的影响.模拟结果较好地解释了气升式环流反应器内的三相流体行为,模型与实验结果较好地吻合,表明了模型的可行性.     

红豆杉细胞在反应器中培养动力学的研究

应用气升式生物反应器及搅拌式生物反应器悬浮培养红豆杉细胞,得到细胞生长和紫杉醇合成动力学曲线.经过反应器动力学的比较,结果表明红豆杉细胞较适于在机械搅拌式反应器中培养.     

新型钾盐结晶器内部流场模拟及性能预测

由于钾盐结晶器内部流动的复杂性及流域的多态性,通过实验测量很难得到其流场形态。应用计算流体力学仿真技术,对某新型钾盐结晶器在连续结晶过程中形成的流场进行数值模拟,模拟连续结晶过程的晶体悬浮及固液相混合流动状态,得到了结晶器在不同搅拌速度下的内部流场速度分布、流线图、压力分布及固相悬浮状态分布等信息。模拟结果表明,搅拌速度对结晶器内部的流场分布具有明显的影响,通过比较流场特征确定能够使此新型结晶器运行经济合理的搅拌速度为40～45 r/min,与厂家的测试结果相吻合。本文研究结果可为确定结晶器合适的电机功率奠定基础,为结晶器在不同搅拌速度下的性能预测提供参考依据。     

固-液搅拌槽内槽底流场的CFD模拟

使用计算流体力学CFD软件CFX-5.5.1对搅拌槽内固液流场进行了数值模拟。搅拌槽直径T=476mm, 槽内均布四块挡板,搅拌桨为CBYⅢ桨。两相物系采用玻璃珠-水体系,固体体积分数Фv为5.4%。文中使用标准κ-ε模型计算了清水与固液两相的流场,考察了槽内的流场的分布对固体颗粒悬浮状况的影响,同时把槽底的清水和Фv为5.4%的固液两相模拟结果与实验结果进行了对比,模拟结果与实验较吻合。     

革新与发明

这是一项于1995年12月27日新公布的日本发明人申请的中国专利,提供一种流液固相酵母循环发酵制酒法.该方法实质上是使用一座设有液体循环管路和排气口的固相酵母流化床式反应器(如图),在此反应器中装填入固相酵母细胞和酿造原料后,可从反应器上部抽取部分培养液再从反应器下部泵回到反应器内,使之进行液体循环性培养.由于它便于随时排出在发酵过程中产生的CO_2气体,因而可避免CO_2对酵母代谢活性的影响,避免因CO_2气体积聚而减少因相酵母与培养液接触面积和因CO_2气体的压力而导致酵母凝胶挤压粘结对培养液通路的阻塞.既克服了搅拌式反应器对固相酵母的机械破坏,也克服了填充式反应器氨基酸同化率低,酒液味道差的缺点,大大加快了发酵过程和原料中氨基酸的同化,在短期内即可酿制出口味香醇的成品酒.     

侧入式搅拌槽中桨叶参数对流场及功率影响的数值模拟

运用计算流体力学(CFD)技术对不同桨叶参数的侧入式搅拌槽内流场进行了数值模拟。模拟结果表明：搅拌槽内流场产生分层现象,下层流场为内部围绕搅拌槽中心的环形上升流和外部沿搅拌槽壁面的低速下降流组成的高速循环流,上层流场为与下层流场方向相反的低速循环流;在相同搅拌功率输入下,增大桨叶直径能够增加搅拌槽底部流体的动能,但会抑制搅拌槽上部流体的动能;叶片倾角为45°时桨叶的轴流性能最好,叶片个数为4时桨叶的搅拌效率最高。     

顶入式与侧入式搅拌槽内混合特性的比较

应用计算流体动力学方法(CFD)对顶入式与侧入式搅拌槽内的流型特征、混合过程进行了数值模拟。计算采用标准k-ε湍流模型、多重参考系法和滑移网格法研究了2种形式搅拌槽的混合效率,分析了不同槽高径比H/T及桨型对侧入式搅拌槽混合性能的影响,并使用文献数据与碘一硫代硫酸钠褪色法对模拟进行了验证。结果表明:四斜叶开启涡轮桨(PBTD45)运行下顶入式与侧入式搅拌槽内主体循环均是轴向循环流;在H/T=1的搅拌槽中相同功耗情况下,顶入式搅拌的混合效率比侧入式搅拌的高,混合时间减少了约28.2%;侧入式搅拌在较低H/T比的搅拌槽内的混合效率较高,当H/T=0.6左右时侧入式搅拌的混合效率与顶入式(H/T=1)接近。PBTD6030桨与FE-4桨较适合侧入式搅拌槽中的混合操作。     

固-液搅拌槽内颗粒离底悬浮临界转速的CFD模拟

使用计算流体力学(CFD)软件FLUENT对固-液搅拌槽内颗粒离底悬浮临界转速进行了CFD数值模拟。搅拌槽直径T=500mm，四块挡板均布，搅拌桨为标准六直叶涡轮桨。两相物系为石英砂-水，固体体积分数为5%。文中使用不同的方法作为颗粒离底临界悬浮的判据，推算出颗粒离底临界悬浮转速N_js，计算得出的N_js值和文献数据比较有较好的一致性。同时研究了搅拌槽内的固体浓度分布和固、液两相的速度分布；比较了6个不同搅拌转速下的固体颗粒悬浮状况。     

高固含固液搅拌槽内颗粒悬浮与混合特性

对高固含体系下Intermig桨搅拌槽内的桨叶搅拌性能以及颗粒的混合与悬浮特性进行实验研究.采用光导纤维技术对不同桨径、搅拌转速和桨叶离底距离下搅拌槽内底部以及轴向颗粒密度进行测量,同时对临界悬浮转速和搅拌功率进行测定.实验结果表明:对高固含液-固搅拌体系,所采用的Intermig搅拌桨具有很好的轴向混合特性,该桨适合在较大的桨径和较低的桨叶离底距离下应用,可在促进颗粒悬浮与均匀分布的同时,大大降低功率消耗.通过对实验结果的分析和拟合得出底部均匀度与搅拌槽内弗劳德数有关,Q=0.58Fr-0.35,Intermig搅拌桨功率准数在0.2 ～0.3之间,且与雷诺数关系为NP=2.1Re-0.2.     

多相体系中固含率的水听器检测

通过水听器检测技术,结合偏最小二乘法(PLS)分析,实现了对气液固三相搅拌釜内固含率的检测.通过对水听器信号的特征分析得出了固体运动的特征频段,发现PLS建模方法能够从物理意义上反映固体运动的特征频段,并建立了PLS回归模型的固含率.结果表明,模型所得固含率预测值与真实值的相关系数大于0.89,平均相对误差小于1.02％,预测均方差小于1.73％,具有较好的预测效果.     

物料粘度对多级搅拌釜混合特性的影响

在直径为 0.476m的间歇操作的搅拌釜中，用隔盘、环板将搅拌釜隔为两级，利用酸碱中和法测定水及甘油 (粘度分别为 0.072、0.111、0.522Pa·s)体系的混匀时间，并比较了粘度不同的物系对搅拌釜内级间轴向返混特性。结果表明：相同搅拌转速下，物料粘度增加，搅拌釜内级间返混减小；但搅拌雷诺数相同时，物料粘度变化对多级连续搅拌釜内级间的返混程度没有影响。此规律对多级搅拌釜的工业设计具有重要的指导意义。     

生物搅拌槽中挡板结构对搅拌效果的影响

利用Fluent软件，对无挡板搅拌槽和有挡板搅拌槽的搅拌效果进行了对比。基于有限体积法，采用RANS（Reynolds-averaged Navier-Stokes）模型对搅拌槽中的流场进行了模拟仿真，获得了搅拌过程中湍流的流速分布、压力分布和湍动能，对流场的结构形态进行了分析。结果表明：在搅拌槽中设置的挡板宽度越大，流场内的速度值波动就越大，速度矢量变化就越大，湍动能随之变大，有利于提高搅拌槽的搅拌效果；从压力分布上看搅拌槽中的最小压力均出现在距离搅拌槽底面0.12 m处；带档板结构搅拌槽的最小压力低于不带挡板的情况；搅拌槽中的挡板会导致流场中的速度矢量具有较强的旋流效应，流场内速度梯度变化较大，形成较强的涡流，有利于搅拌过程中发生更强烈的化学反应。     

双层组合桨中心及偏心搅拌三维流场的数值模拟

利用计算流体力学的方法,采用Laminar层流模型对双层六直斜叶交替组合桨在甘油与水的混合物中进行中心及偏心搅拌的三维流场进行数值计算,得到了组合桨以恒转速200r/min在搅拌槽内转动时所产生的3种不同流场结构,对比分析了速度矢量图、速度云图以及轴向、径向和周向速度分布曲线,为层流搅拌槽的设计和实际应用提供了依据。     

多级搅拌槽内流动特性实验及模型研究

利用隔盘、环板等内构件将搅拌槽内分为四级,采用饱和KCl溶液作示踪剂,利用特制的电导率仪微机系统进行动态数据采集,测定了不同的操作参数和内构件尺寸对停留时间分布(RTD)的影响,分析了影响返混的主要因素。环板与槽壁的间隙、隔盘外径与环板内径的影响较强,盘、板间距的影响相对较弱。利用MonteCarlo方法(MCM)对系统的停留时间分布进行了数值模拟计算。