黃原膠生物反應(yīng)器中傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬.pdf

1、在高粘度假塑性流體反應(yīng)器中的傳熱與傳質(zhì)過(guò)程十分復(fù)雜,現(xiàn)有的理論很難揭示這些過(guò)程的本質(zhì)。目前,對(duì)于傳熱問題,絕大部分研究是通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出傳熱系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)方程,但計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)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(duì)于傳質(zhì)問題,測(cè)量反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置都很昂貴,而且對(duì)于流動(dòng)場(chǎng)的測(cè)量工作相當(dāng)?shù)乩速M(fèi)時(shí)間、人力、財(cái)力和物力,有時(shí)受到檢測(cè)環(huán)境的制約,很多反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)場(chǎng)無(wú)法用現(xiàn)有的檢測(cè)方法得到。
　　計(jì)算流體力學(xué)(CF

2、D)方法利用動(dòng)量、質(zhì)量和能量守恒方程以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境建立數(shù)學(xué)模型后通過(guò)數(shù)值計(jì)算,模擬還原各種真實(shí)過(guò)程,得到與實(shí)際直接相關(guān)的各種場(chǎng)的分布。通過(guò)CFD軟件,可以直觀的顯示發(fā)生在反應(yīng)器中傳質(zhì)、傳熱過(guò)程,進(jìn)而分析其產(chǎn)生的機(jī)理,為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo),節(jié)省實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和資源。
　　本文采用CFD方法,選用質(zhì)量分?jǐn)?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(guò)數(shù)值模擬分析了反應(yīng)器中的流動(dòng)場(chǎng)、死區(qū)分布、溫度

3、場(chǎng)、剪切速率和表觀粘度,對(duì)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(yīng)器中,建立了傳統(tǒng)反應(yīng)器與熱管生物反應(yīng)器傳熱、傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型,模擬了熱管對(duì)于反應(yīng)器中傳質(zhì)和傳熱過(guò)程的影響。希望在確保反應(yīng)器內(nèi)混合效果的同時(shí),有效地解決黃原膠發(fā)酵過(guò)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(dòng)。最大葉片式槳的攪動(dòng)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(yīng)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(yīng)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(shì)的同時(shí)增強(qiáng)了傳熱。熱管的使用有效地提高了反應(yīng)器內(nèi)的傳熱性能,使反應(yīng)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(guò)程所遇到的發(fā)酵熱無(wú)法及時(shí)移出問題的研究,在黃原膠的規(guī)模生產(chǎn)以及反應(yīng)器中槳型的選擇、優(yōu)化過(guò)程中具