生物攪拌機槳葉型式對發(fā)酵罐流場的影響

生物攪拌機槳葉型式對發(fā)酵罐流場的影響

0生物反應器的制備方法攪拌效果好，能源低素為攪拌裝置的目標。如何正確獲得攪拌罐中的流場，選擇什么樣的葉片，降低能耗是攪拌設備設計的關鍵。在生物發(fā)酵和攪拌過程中，流場是非常復雜的，往往難以達到預期的設計效果。因此，如何正確模擬和描述發(fā)酵罐中的流動和混合過程是生物器科學家的難題。通過計算力學軟件（cfd），可以為云南省的結(jié)構(gòu)設計提供參考，以彌補目前設計方法的不足，有利于生物裝置的技術(shù)創(chuàng)新。在生物發(fā)酵行業(yè)中,攪拌器的槳葉型式主要有徑向流攪拌器和軸向流攪拌器.徑向流攪拌器的特點是氣體分散能力強,結(jié)構(gòu)簡單,但功耗較大,作用范圍有限,例如Rushton渦輪(見圖1);而軸向流攪拌器對發(fā)酵過程中的混合性能較好、功耗低,但不足之處是對氣體的分散能力較差,其代表有LIGHTNIN公司的A315攪拌器(見圖2).由于現(xiàn)代發(fā)酵罐的規(guī)模不斷擴大,光靠單層槳葉或槳葉型式已經(jīng)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要,結(jié)合兩種流型的多級、多種組合方式攪拌器孕育而生.當發(fā)酵罐底部通入氣體時,安裝在底部的徑向流攪拌器使氣體打散成小氣泡,增加氣液兩相的接觸面積;利用軸向流攪拌器混合性能好的特點,使全部液體成周期循環(huán),大范圍的實現(xiàn)氣液混合.充分利用兩種攪拌器的優(yōu)勢,取長補短,采用多級、多種組合方式是今后大型發(fā)酵罐設計的發(fā)展方向.在生物發(fā)酵行業(yè)中,攪拌器的結(jié)構(gòu)設計主要依靠經(jīng)驗.但工程實例說明,由經(jīng)驗設計出的攪拌器往往難以處于最佳工作狀態(tài).例如選用的電機功率過大,攪拌效果不佳等,因此對攪拌器的優(yōu)化設計需要更可靠的設計準則.計算流體力學(CFD)方法被引入攪拌器設計行業(yè),其優(yōu)勢在于可以應用數(shù)值模擬軟件描述攪拌過程,實現(xiàn)攪拌器的設計與優(yōu)化.1生物檢測器的基本組成和模擬方法1.1熱模擬實驗模型某抗菌素廠的老式發(fā)酵罐,罐體及攪拌器主要參數(shù)為:發(fā)酵罐直徑D=3800mm,液位高度H=8600mm,攪拌器為三層A315攪拌器和Rushton渦輪(底槳),均布4塊擋板,轉(zhuǎn)速n=110r/min,工作介質(zhì)為發(fā)酵液(因發(fā)酵液粘度參數(shù)與水相近,模擬過程以水作為工作介質(zhì)),使用CFD軟件Fluent進行數(shù)值模擬.圖3為三維模型示意圖.1.2非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.發(fā)酵罐網(wǎng)格劃分選取整個發(fā)酵罐的流體作為計算域,利用Gambit生成網(wǎng)格.由于發(fā)酵罐所選用的攪拌槳和擋板結(jié)構(gòu)不規(guī)則,故整體網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,并對槳葉區(qū)的網(wǎng)格進行了加密處理,以增加計算的精度,總的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為1231702個.1.3湍流場計算的方法發(fā)酵罐內(nèi)的流場是非常復雜的,在對攪拌反應過程進行數(shù)值模擬時,面對的難題是流體、罐體壁面、擋板和攪拌槳所圍成的區(qū)域的形狀與流動是隨時間周期性變化的.為了解決運動的槳葉和靜止的擋板之間的相互作用,許多學者提出了不同的處理方法,有“黑箱”模型法、內(nèi)外迭代法、多重參考系法(MRF)、滑移網(wǎng)格法和大渦模擬法等.MRF方法是基于穩(wěn)態(tài)流場的計算方法,它是采用旋轉(zhuǎn)坐標系和靜止坐標系兩個參考系分別進行計算,由于兩個參考系沒有重疊的區(qū)域,故不需要進行內(nèi)外迭代,從而減少了計算成本.因此本文選用MRF方法進行模擬,將計算區(qū)域分為兩個區(qū)域,槳葉及其附近流體區(qū)采用旋轉(zhuǎn)坐標系(動區(qū)域),其他區(qū)域采用靜止坐標系(靜區(qū)域).攪拌槳處于運動流體區(qū)域,與槳葉四周的流體以同樣的轉(zhuǎn)速進行運動,因此相對于該區(qū)域內(nèi)的流體是靜止的,為此做了如下邊界定義:槳葉壁面定義為動邊界,邊界類型為壁面邊界,擋板壁面和罐體壁面定義為靜止壁面邊界條件.湍流模型選用標準k-ε模型,圖4為網(wǎng)格示意圖.2東南角區(qū)域Rushton渦輪攪拌器是典型的徑向流攪拌器,通過模擬計算得到了圖5、圖6的流場.Rushton渦輪在結(jié)構(gòu)設計上設置了圓盤,其目的是為了防止氣體未經(jīng)分散直接從軸周圍溢出液面,由圖5、6可以看出,圓盤阻礙了上層發(fā)酵液與下層發(fā)酵液的物質(zhì)交換,槳葉處又分別形成了上下兩個自循環(huán)區(qū),也不利于物質(zhì)交換.另外,相關研究發(fā)現(xiàn),Rushton渦輪攪拌器的槳葉背面會出現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動的漩渦,漩渦內(nèi)負壓較大,從空氣分布器出來的氣體立即被吸入漩渦內(nèi),從而形成氣穴現(xiàn)象,增大了攪拌器的攪拌阻力.3罐體內(nèi)部流場現(xiàn)將發(fā)酵罐原Rushton渦輪底槳改用六葉渦輪攪拌器,該攪拌器屬開啟渦輪式攪拌器中的一種,結(jié)構(gòu)如圖7所示.以相同的參數(shù)進行數(shù)值模擬.六葉渦輪攪拌器以徑向流為主,沒有Rushton渦輪中的圓盤,有利于上下發(fā)酵液的物質(zhì)交換,獨特的槳葉形式又可以避免氣穴的形成.由圖8、圖9可以看出,在罐體上方的三層A315攪拌器屬于軸向流攪拌器,槳葉推動流體,流體的流動方向平行于攪拌軸,流體向下流動,沖擊到罐體底部時流體開始向上翻轉(zhuǎn),再經(jīng)罐體壁循環(huán)回到液體表面,形成上下循環(huán)流.罐體底部的六葉渦輪屬于徑向流攪拌器,槳葉產(chǎn)生推動流體產(chǎn)生徑向流,徑向流在流動過程中推動周圍流體,流體撞擊到壁面擋板時,流體被分為兩部分,一部分沿擋板向上流動,一部分向下流向罐體底部.由這兩張圖可看出整個罐體流程分布呈循環(huán)流形式,若考慮實際生產(chǎn)過程中罐體底部空氣分布器產(chǎn)生的氣體經(jīng)六葉渦輪破碎后再向上擴散,上層液體也會得到很好的循環(huán)與物質(zhì)交換.圖10、11是垂直于攪拌軸橫截面上的攪拌流場的速度矢量圖,截面位置選取在距離罐體底部Z=1100mm和Z=3200mm(六葉渦輪和底層A315攪拌器)的位置處.圖10和圖11的對比,能夠很好的看出六葉渦輪在推動流體向四周流動的能力和作用范圍遠遠大于A315攪拌器.4生物攪拌反應器的結(jié)構(gòu)設計研究通過CFD計算模擬實驗分析,可以看出:上層為A315攪拌器,底層為六葉渦輪