多級(jí)進(jìn)氣多節(jié)隔板平板式光生物反應(yīng)器數(shù)值模擬研究.pdf

1、微藻在生物能源、環(huán)境保護(hù)、食品、保健品及醫(yī)藥等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。然而微藻培養(yǎng)的反應(yīng)器性能不佳一直制約著微藻規(guī)?；l(fā)展。傳統(tǒng)光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及放大方法研發(fā)周期長，成本大，不能全面研究反應(yīng)器內(nèi)部的流場特性。近年利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)進(jìn)行微藻培養(yǎng)光生物反應(yīng)器研究盡管有很多彌補(bǔ)傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)，但因剛剛興起仍存在大量空白。本文針對(duì)微藻培養(yǎng)領(lǐng)域主流的平板式光生物反應(yīng)器，在前人基礎(chǔ)上提出了多級(jí)進(jìn)氣多節(jié)隔板反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)想，并利用C

2、FD技術(shù)對(duì)該新型反應(yīng)器的混合、傳質(zhì)和傳光特性進(jìn)行了相對(duì)系統(tǒng)研究，具體結(jié)果如下。
　　首先，采用ANSYS Fluent商業(yè)軟件，構(gòu)建了多級(jí)進(jìn)氣多節(jié)隔板平板式反應(yīng)器計(jì)算模型，采用Eulerian-Eulerian多相流模型和PBM模型進(jìn)行耦合模擬計(jì)算，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了本文所建立模擬模型的可行性與可靠性。多級(jí)進(jìn)氣反應(yīng)器上段和中段隔板局部氣含率、局部液相矢量速度受通氣率的影響較大，其下段性能參數(shù)受通氣率的影響較小;其湍動(dòng)

3、能在升液區(qū)呈雙峰結(jié)構(gòu)分布，在降液區(qū)湍動(dòng)能分布較為平緩。
　　而后，通過CFD模擬計(jì)算對(duì)比了普通(A)、多節(jié)隔板(B)、多級(jí)進(jìn)氣多節(jié)隔板(C)三種反應(yīng)器的流場流動(dòng)與傳質(zhì)特性。結(jié)果表明，在一定的通氣率下多級(jí)進(jìn)氣反應(yīng)器在氣含率、液體平均速度、湍動(dòng)能、液相傳質(zhì)系數(shù)等性能評(píng)價(jià)參數(shù)較前兩種反應(yīng)器分別有很大提高，其中通氣率在0.8vvm時(shí)，反應(yīng)器C中的氣含率較反應(yīng)器A、B分別提升52.63％和39.11％，通氣率在0.4vvm和0.6vvm時(shí)，

4、反應(yīng)器C的kLa值較反應(yīng)器B分別提高36.16％和11.27％。
　　進(jìn)而，利用多相流模型和PBM模型耦合的方法，對(duì)影響該新型反應(yīng)器混合傳動(dòng)、傳質(zhì)性能的氣泡特性進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。反應(yīng)器氣泡直徑分布等氣泡特性參數(shù)結(jié)果表明，在反應(yīng)器高度390mm上，反應(yīng)器C的Bin-0體積分?jǐn)?shù)較反應(yīng)器B降低了32.79％;反應(yīng)器B內(nèi)大于6mm氣泡直徑體積占總體積分?jǐn)?shù)為8.58％，而反應(yīng)器C為0.54％。上述結(jié)果表明反應(yīng)器C能有效降低氣泡聚并，其中氣

5、泡分布良好，這將有利于相間傳質(zhì)。
　　結(jié)合CFD模擬計(jì)算結(jié)果與藻類傳光規(guī)律，本文對(duì)比分析了三種反應(yīng)器的傳光特性。結(jié)果表明，反應(yīng)器C較反應(yīng)器B增加了反應(yīng)器內(nèi)光照方向徑向混合強(qiáng)度，反應(yīng)器C較反應(yīng)器B在光區(qū)的徑向速度提高了28.25％，在光區(qū)平均停留的時(shí)間有所縮短，光暗循環(huán)的周期也相對(duì)比反應(yīng)器B縮短了19.63％，加快反應(yīng)器內(nèi)微藻的在光區(qū)和暗區(qū)的光暗循環(huán)頻率，加快了微藻閃光效應(yīng)，有助于微藻生長。
　　最后，通過CFD模擬對(duì)反應(yīng)器C

6、的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)(隔板的位置(Ar/Ad)、隔板上沿距液面的距離(h0)和隔板間隙的長度(D))進(jìn)行了優(yōu)化分析。結(jié)果表明，液相體積傳質(zhì)系數(shù)和光區(qū)的徑向速度隨Ar/Ad值的增大而降低，整體混合情況在Ar/Ad為0.5時(shí)效果較好;整體的混合性能和光區(qū)的徑向速度隨h0增加而增加，當(dāng)h0為40mm時(shí)反應(yīng)器的傳質(zhì)性能較好;隨著隔板間隙的距離增加，ATK和光區(qū)徑向速度逐漸增加，而反應(yīng)器的傳質(zhì)性能在隔板間隙為15mm時(shí)達(dá)到最大。
　　綜上所述，反