微藻培養(yǎng)平板式反應器流動與傳質(zhì)的數(shù)值模擬.pdf

1、微藻在食品、醫(yī)藥、化工環(huán)保、生物能源以及其它領(lǐng)域具有巨大價值,而當前微藻培養(yǎng)很難向規(guī)?；虡I(yè)應用提供連續(xù)、充足和低廉生物量,因此研究微藻培養(yǎng)技術(shù),特別是反應器技術(shù),對實現(xiàn)高效低成本的規(guī)模培養(yǎng)至關(guān)重要。平板式反應器是一類用于微藻培養(yǎng)的封閉式反應器,由于反應器內(nèi)部流動和傳質(zhì)的復雜性,對其設(shè)計及放大仍主要依賴專家經(jīng)驗,缺少理論指導,且耗資巨大,設(shè)計周期長,因此對反應器內(nèi)流動和傳質(zhì)的研究顯得十分迫切。本文利用CFD(Computational

2、Fluid Dynamics)對平板式反應器流場特性做了深入研究,以期為高密度微藻培養(yǎng)提供性能優(yōu)良的反應器及技術(shù)參數(shù)。
　　 本文首先利用Fluent軟件,采用Eulerian-Eulerian模型,模擬了平板式反應器氣液兩相流場,經(jīng)網(wǎng)格獨立性測試,確立了網(wǎng)格劃分數(shù)量。并通過模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的比較,驗證了CFD模擬結(jié)果的可靠性。
　　 Scenedesmus dimorphus在不同隔板平板式反應器內(nèi)的培養(yǎng)實驗表明,內(nèi)

3、部加裝單豎直隔板的平板式反應器比無隔板反應器可獲得更高的生物量產(chǎn)率,表明隔板確實改善了反應器內(nèi)部流場狀況。在通氣率O.1～0.6 vvm下,模擬結(jié)果表明單隔板將流場分為升液區(qū)和降液區(qū),液體圍繞隔板循環(huán)流動,液速隨通氣率的增加而增大。氣泡主要集中在升液區(qū),平局氣含率和KLa隨通氣量增加近線性增大。
　　 在通氣率0.3 vvm下,隔板位置對流動和傳質(zhì)有明顯影響,當降液區(qū)與升液區(qū)流道橫截面積比Ad/Ar小于0.5時,升液區(qū)觀察到大渦

4、旋和氣泡群的擺動。當Ad/Ar=2時,獲得最大液體體積傳質(zhì)系數(shù)為2.65x10-3 s-1。隔板長度的變化對液體流型并沒有明顯改變,對平均氣含率和KLa影響甚微,但對升液區(qū)和降液區(qū)的流速有影響,當隔板長度為0.28 m時,升流區(qū)和降液區(qū)液速最大。
　　 雙豎直隔板比單豎直隔板提高了平板式反應器流場液速,但對平均氣含率和KLa沒有明顯影響。在反應器內(nèi)部安裝波紋隔板后,雙波紋隔板比雙豎直隔板平板式反應器平均氣含率提高了14.9％,傳

5、質(zhì)系數(shù)提高了14.6％。模擬云圖和矢量圖表明雙波紋隔板平板式反應器與豎直雙隔板平板式反應器流場相似,液體在升液區(qū)和降液區(qū)之間形成了良好的循環(huán),升液區(qū)液速快,降液區(qū)液速相對較慢。氣泡主要分布在升液區(qū)。隨通氣率的增加,液相速度、平均氣含率和液相體積傳質(zhì)系數(shù)均近似線性增加。
　　 波紋隔板加強了反應器氣液傳質(zhì)能力,KLa與波紋雙隔板平板式反應器單位體積能量輸入之間存在良好的線性關(guān)系,在較低的單位體積能量輸入下可獲得較高的KLa。