黃原膠生物反應器中傳熱過程的數(shù)值模擬.pdf

1、在高粘度假塑性流體反應器中的傳熱與傳質(zhì)過程十分復雜,現(xiàn)有的理論很難揭示這些過程的本質(zhì)。目前,對于傳熱問題,絕大部分研究是通過大量的實驗數(shù)據(jù)回歸出傳熱系數(shù)的準數(shù)方程,但計算值和實驗值往往相差較大,而且回歸出的方程也不能適用于各種流體;對于傳質(zhì)問題,測量反應器內(nèi)流場的實驗裝置都很昂貴,而且對于流動場的測量工作相當?shù)乩速M時間、人力、財力和物力,有時受到檢測環(huán)境的制約,很多反應器內(nèi)的流動場無法用現(xiàn)有的檢測方法得到。
　　計算流體力學(CF

2、D)方法利用動量、質(zhì)量和能量守恒方程以及實驗環(huán)境建立數(shù)學模型后通過數(shù)值計算,模擬還原各種真實過程,得到與實際直接相關(guān)的各種場的分布。通過CFD軟件,可以直觀的顯示發(fā)生在反應器中傳質(zhì)、傳熱過程,進而分析其產(chǎn)生的機理,為實驗提供指導,節(jié)省實驗的時間和資源。
　　本文采用CFD方法,選用質(zhì)量分數(shù)為1.0wt％的黃原膠溶液,研究了最大葉片式槳在高粘假塑性流體(黃原膠體系)中的混合傳熱特性,通過數(shù)值模擬分析了反應器中的流動場、死區(qū)分布、溫度

3、場、剪切速率和表觀粘度,對比了最大葉片式槳與雙層槳在黃原膠水溶液中的傳質(zhì)與傳熱狀況;還探索性地將熱管引入到反應器中,建立了傳統(tǒng)反應器與熱管生物反應器傳熱、傳質(zhì)的數(shù)學模型,模擬了熱管對于反應器中傳質(zhì)和傳熱過程的影響。希望在確保反應器內(nèi)混合效果的同時,有效地解決黃原膠發(fā)酵過程中的傳熱問題。
　　研究表明:最大葉片式槳及雙層槳都在釜內(nèi)形成清晰的“雙循環(huán)”流型結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)良好的主體循環(huán)流動。最大葉片式槳的攪動影響范圍較大,有利于減小釜壁和釜

4、底區(qū)域的邊界層厚度,在相同單位體積功耗的情況下,反應器中的平均溫度處于更低的水平,而隨著單位體積功耗的增大,反應器內(nèi)溫度分布均勻程度有明顯改善,表明其在混合方面有明顯優(yōu)勢的同時增強了傳熱。熱管的使用有效地提高了反應器內(nèi)的傳熱性能,使反應器中的整體溫度有明顯下降。
　　由此可見,CFD方法可以有效地用于黃原膠以及其他高粘度非牛頓型流體生產(chǎn)過程所遇到的發(fā)酵熱無法及時移出問題的研究,在黃原膠的規(guī)模生產(chǎn)以及反應器中槳型的選擇、優(yōu)化過程中具