黃原膠體系中氣液混合過程的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本課題致力于研究適用于高粘假塑性流體中氣液傳質(zhì)與混合過程的新型攪拌器(最大葉片式槳)，選用具有典型生物介質(zhì)特性的黃原膠水溶液作為研究體系。黃原膠是一種經(jīng)過發(fā)酵生產(chǎn)的微生物胞外雜多糖，廣泛地應(yīng)用于食品、石油開采及化學(xué)品工業(yè)等領(lǐng)域。在發(fā)酵中后期，隨著黃原膠產(chǎn)物濃度不斷增加，反應(yīng)器內(nèi)的混合、溶氧和傳質(zhì)等性能急劇惡化，嚴(yán)重制約了該產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)。
　　 本文借助計(jì)算流體力學(xué)(CFD) 手段，研究了最大葉片式槳攪拌釜內(nèi)1.0wt[％]黃

2、原膠水溶液的氣液傳質(zhì)與混合狀況，通過與對應(yīng)的冷模實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對比驗(yàn)證，以期改善黃原膠發(fā)酵生產(chǎn)中遇到的問題，為高粘非牛頓流體多相混合設(shè)備的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和放大提供指導(dǎo)和參考。其主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　 (1)對攪拌釜內(nèi)氣液兩相傳質(zhì)與混合過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。首先測定了1.0wt[％]黃原膠溶液的物理特性(流變特性、表面張力系數(shù)和密度等)；其次，研究了最大葉片式槳在各種工況下的功耗特性、總體氣含率和氧傳質(zhì)系數(shù)a kL等相關(guān)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)用于

3、數(shù)值模擬方法的驗(yàn)證。
　　 (2)通過查閱文獻(xiàn)，確定了本課題的數(shù)值模擬方法，并與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做初步的對比驗(yàn)證。通過定性和定量比較均可發(fā)現(xiàn)：模擬值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，初步驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬方法的可行性。
　　 (3)對黃原膠體系中氣液傳質(zhì)與混合過程的一些參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬與分析，如功耗特性、總體氣含率和氧傳質(zhì)系數(shù)。通過模擬值與實(shí)驗(yàn)值的比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬方法的有效性。此外，還獲得了大量實(shí)驗(yàn)條件下難以測量的局部信息，如

4、宏觀流動場、死區(qū)分布、剪切速率和表觀粘度分布等，直觀地探究了釜內(nèi)的流體混合狀態(tài)。
　　 更重要的是，在冷模實(shí)驗(yàn)中，由于黃原膠溶液的通透性較差，難以觀察到釜內(nèi)的氣液分散狀況，而利用CFD 手段恰恰可以彌補(bǔ)這一不足。本課題基于Euler-Euler方法的Mixture模型處理兩相流問題，利用群體平衡方程(Population BalanceEquations) 描述氣泡的聚并和破裂過程，使用CFX 軟件對模型進(jìn)行求解，得到了不同通氣