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一種自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法

文檔序號(hào):6638568閱讀:406來(lái)源:國(guó)知局
一種自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法,該方法針對(duì)自吸反應(yīng)器的放大采用理論關(guān)系式得到吸氣速率的預(yù)測(cè)模型,再結(jié)合自吸反應(yīng)器的其它性能參數(shù)對(duì)反應(yīng)器放大過(guò)程中的轉(zhuǎn)子和罐體尺寸等進(jìn)行約束,同時(shí)使用CFD模擬對(duì)所放大的反應(yīng)器的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,從而應(yīng)用于工業(yè)放大中。本發(fā)明的放大方法包括以下步驟:第一步、根據(jù)放大目的對(duì)自吸式反應(yīng)器罐體進(jìn)行放大,一般使用幾何相似的原則放大罐體;第二步、根據(jù)吸氣速率的預(yù)測(cè)模型,對(duì)自吸式反應(yīng)器自吸轉(zhuǎn)子進(jìn)行設(shè)計(jì);第三步、構(gòu)建CFD模擬的三維模型;第四步、預(yù)測(cè);第五步、將模擬預(yù)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,放大結(jié)束;所述的自吸式反應(yīng)器為50L-100m3的反應(yīng)器。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種自吸式反應(yīng)器的放大方法,更具體地說(shuō)涉及一種自吸式反應(yīng)器半 理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 自吸式反應(yīng)器是不需要?dú)怏w輸送機(jī)械而能自行吸入外界氣體進(jìn)行氣液接觸的一 種反應(yīng)器,它靠一種經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的空心渦輪攪拌器,能夠在進(jìn)行物料混合的同時(shí)不斷吸 收外界的氣體,達(dá)到氣液反應(yīng)的目的。自吸式反應(yīng)器在多相流反應(yīng)器中占有特別重要的地 位,它尤其適合于高壓、有腐蝕性以及反應(yīng)氣體有毒的情況。
[0003] 反應(yīng)器內(nèi)的多相流體系是一個(gè)復(fù)雜的體系,自吸式反應(yīng)器作為傳統(tǒng)的多相流反應(yīng) 器,其優(yōu)化和放大長(zhǎng)期以來(lái)一直是難以解決的難題。在反應(yīng)器放大過(guò)程中,傳遞過(guò)程是反應(yīng) 器放大的核心問(wèn)題,它受系統(tǒng)規(guī)模的影響最大,傳遞過(guò)程在反應(yīng)器中主要依賴(lài)對(duì)流與擴(kuò)散 兩個(gè)因素。對(duì)生物反應(yīng)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律及影響因素進(jìn)行研宄,重點(diǎn)解決有關(guān)質(zhì)量傳遞、動(dòng) 量傳遞和熱量傳遞的問(wèn)題,以便在反應(yīng)器的放大過(guò)程中盡可能保持細(xì)胞的生長(zhǎng)速率以及 產(chǎn)物的生成速率,這就是生物反應(yīng)器的放大目的。
[0004] 自吸式反應(yīng)器的放大重點(diǎn)是研宄其吸氣性能與轉(zhuǎn)子、罐體的結(jié)構(gòu)參數(shù)等的關(guān)系, 這對(duì)于反應(yīng)器放大過(guò)程中的流動(dòng)與傳質(zhì)現(xiàn)象能提供重要的理論指導(dǎo)。比較重要的性質(zhì)參數(shù) 有臨界轉(zhuǎn)速與吸氣速率,對(duì)于這些參數(shù)的理論和模擬研宄,在自吸式生物反應(yīng)器的放大過(guò) 程中起到重要作用。
[0005] 吸氣速率預(yù)測(cè)模型是通過(guò)氣體從入口到葉輪開(kāi)孔的過(guò)程(單相)中,整個(gè)氣相的 伯努利方程建立起來(lái)的。氣體吸入的推動(dòng)力是反應(yīng)器上方空間的壓力與葉輪開(kāi)孔處局部壓 力的壓差。氣流在吸氣管、葉片開(kāi)孔處由于摩擦等形成抗壓降。當(dāng)壓差與氣流產(chǎn)生的抗壓 降相等時(shí),即可以預(yù)測(cè)得到吸氣速率。
[0006] 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)攪拌式生物反應(yīng)器放大的相關(guān)研宄較多,然而對(duì)于自吸反應(yīng)器放大 的研宄較少。不同規(guī)模的反應(yīng)器為了確保動(dòng)力學(xué)和體積相似性,適合的縮放比例無(wú)量綱常 數(shù)應(yīng)該保持相等,然而由于系統(tǒng)中流動(dòng)的復(fù)雜性,這是很難達(dá)到的,因此針對(duì)反應(yīng)器放大新 方法的提出是很有必要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題與不足,提供一種自吸式反應(yīng)器 半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法,該方法針對(duì)自吸反應(yīng)器的放大采用理論關(guān)系式得到 吸氣速率的預(yù)測(cè)模型,再結(jié)合自吸反應(yīng)器的其它性能參數(shù)對(duì)反應(yīng)器放大過(guò)程中的轉(zhuǎn)子和罐 體尺寸等進(jìn)行約束,同時(shí)使用CFD模擬對(duì)所放大的反應(yīng)器的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,從而應(yīng)用于工 業(yè)放大中。
[0008] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009] 本發(fā)明的自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法,其包括以下步驟:
[0010] 第一步、根據(jù)放大目的對(duì)自吸式反應(yīng)器罐體進(jìn)行放大,一般使用幾何相似的原則 放大罐體;
[0011] 第二步、根據(jù)吸氣速率的預(yù)測(cè)模型,對(duì)自吸式反應(yīng)器自吸轉(zhuǎn)子進(jìn)行設(shè)計(jì);
[0012] 第三步、構(gòu)建CFD模擬的三維模型:
[0013] 分別構(gòu)建流體力學(xué)的基本控制方程、相間作用力模型、湍流封閉模型;
[0014] 第四步、預(yù)測(cè)
[0015] 將第一步、第二步設(shè)計(jì)的反應(yīng)器參數(shù)輸入到第三步構(gòu)建的方程和模型中,進(jìn)行求 解,得出自吸反應(yīng)器的在不同轉(zhuǎn)速下的吸氣速率預(yù)測(cè)值;
[0016] 第五步、將模擬預(yù)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,放大結(jié)束;
[0017] 所述的自吸式反應(yīng)器為50L-100m3的反應(yīng)器。
[0018] 本發(fā)明的自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法,其進(jìn)一步的技術(shù)方 案是所述的吸氣速率的預(yù)測(cè)模型構(gòu)建如下:
[0019] 采用Abbot and Von Doenhoff定義的壓力系數(shù)Cp,它是無(wú)因次的常數(shù),在自吸反 應(yīng)器吸氣模型中轉(zhuǎn)子開(kāi)孔處表不為:

【權(quán)利要求】
1. 一種自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法,其特征在于包括以下步 驟: 第一步、根據(jù)放大目的對(duì)自吸式反應(yīng)器罐體進(jìn)行放大,一般使用幾何相似的原則放大 罐體; 第二步、根據(jù)吸氣速率的預(yù)測(cè)模型,對(duì)自吸式反應(yīng)器自吸轉(zhuǎn)子進(jìn)行設(shè)計(jì); 第三步、構(gòu)建CFD模擬的三維模型: 分別構(gòu)建流體力學(xué)的基本控制方程、相間作用力模型、湍流封閉模型; 第四步、預(yù)測(cè) 將第一步、第二步設(shè)計(jì)的反應(yīng)器參數(shù)輸入到第三步構(gòu)建的方程和模型中,進(jìn)行求解,得 出自吸反應(yīng)器的在不同轉(zhuǎn)速下的吸氣速率預(yù)測(cè)值; 第五步、將模擬預(yù)測(cè)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比,放大結(jié)束; 所述的自吸式反應(yīng)器為50L-100m3的反應(yīng)器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法,其特征 是在于所述的吸氣速率的預(yù)測(cè)模型構(gòu)建如下: 采用AbbotandVonDoenhoff定義的壓力系數(shù)Cp,它是無(wú)因次的常數(shù),在自吸反應(yīng)器 吸氣模型中轉(zhuǎn)子開(kāi)孔處表不為:
其中PO為中空軸進(jìn)氣口的壓力,P2為轉(zhuǎn)于葉輪開(kāi)孔處的局部壓力,U為葉輪開(kāi)孔處的 局部液體速度; 由于葉輪轉(zhuǎn)速較高,將葉輪開(kāi)孔處的局部液體速度近似為開(kāi)孔處葉輪的平均轉(zhuǎn)速,即U=2πNr,其中,r為轉(zhuǎn)子中心至開(kāi)孔中心的距離,N為葉輪轉(zhuǎn)速; 通過(guò)上面兩個(gè)方程可以得到轉(zhuǎn)子開(kāi)孔處的壓力P2 :
當(dāng)P2 =PO時(shí),即可得到自吸反應(yīng)器的臨界轉(zhuǎn)速N。
當(dāng)N>N。,P2〈P0時(shí),氣體開(kāi)始吸入反應(yīng)器內(nèi),此時(shí)在氣體吸入過(guò)程中,葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓 差與氣流從入口到葉輪開(kāi)孔過(guò)程中壓降相等,使用下列模型來(lái)計(jì)算氣體吸入速率Q:
其中Q1為空口流量系數(shù),它反映摩擦壓降,A^為開(kāi)孔面積。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法,其特征 是在于所述的吸氣速率的預(yù)測(cè)模型構(gòu)建中,參數(shù)CjPC^與轉(zhuǎn)子尺寸參數(shù)的關(guān)系如下:
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法,其特征 是在于所述的吸氣速率的預(yù)測(cè)模型構(gòu)建中: 設(shè)置反應(yīng)器氣相入口邊界條件為: (1) 氣含率為1,無(wú)液體存在; (2) 氣相從中空軸上部進(jìn)氣口吸入,使用壓力進(jìn)口模型,進(jìn)口壓力為實(shí)際操作壓力; (3) 液相在入口無(wú)速度; (4) 反應(yīng)器器壁、自吸轉(zhuǎn)子、定子、攪拌軸和反應(yīng)器擋板設(shè)置為壁面,對(duì)氣相采用自由滑 移,液相米用無(wú)滑移; 設(shè)置反應(yīng)器出口邊界條件為: 反應(yīng)器出口設(shè)置在反應(yīng)器上方,對(duì)液相和氣相都采用壓力出口模型,壓力大小為實(shí)際 液面上方壓力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法,其特征 是在于所述的流體力學(xué)的基本控制方程構(gòu)建如下: 對(duì)于氣-液兩相體系,各相的連續(xù)性方程構(gòu)建如下:
其中t為時(shí)間,P為密度,u為速度,α為相含率,下標(biāo)g和1分別代表氣相和液相; 與 _士Flrh女士4治一
故雄士門(mén)1^ - 其中P為壓力,g為重力加速度,μeff為有效粘度,M1為界面作用力相; 上述的控制適合于氣-液兩相,兩相共用同一個(gè)壓力場(chǎng),但速度場(chǎng)及其他相關(guān)流程各 不相同;此外,氣液兩相符合體積守恒方程: αg+α 1= 1 氣相假設(shè)為理想氣體,遵循理想氣體守恒定律,其密度可由以下式計(jì)算:
其中PO為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,Pg.〇為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣相密度,H和Z分別為生物反應(yīng)器內(nèi) 自由液面高度和軸向位置高度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法,其特征 是在于所述的相間作用力模型構(gòu)建如下: 對(duì)于氣-液兩相流體系,相間作用力表示如下:
右邊的四項(xiàng)分別表示相間曳力、升力、虛擬質(zhì)量力、相間湍流分散力對(duì)界面動(dòng)量傳輸?shù)?貢獻(xiàn); 對(duì)于大量氣泡存在的股票過(guò)程而言,通常假設(shè)氣泡總是球形的,并且忽略氣泡與氣泡 之間的相互作用,那么單位體積的氣泡群受到的相間曳力表示為:
在本體系中,氣泡可作均一的、大小不變的顆粒處理,曳力系數(shù)采用SchillerNaumann模型,表示如下:
氣泡在非均勻流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),受到具有橫向作用速度梯度的流場(chǎng)的剪切效應(yīng)而產(chǎn)生的 升力表示為: - ~Ρβ = rHpuC!.(U/i - Ua) XOJa 本體系中對(duì)端流分散力采用LopezdeBertodano模型,表達(dá)如下:
其中CTD為湍流耗散系數(shù),一般取0. 1,kf3為液相的湍流動(dòng)能; 本體系中,自吸式反應(yīng)器處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài),速度脈動(dòng)比氣泡驅(qū)動(dòng)的企業(yè)兩相流的速 度脈動(dòng)高的多,因此不考慮虛擬質(zhì)量力的作用。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法,其特征 是在于所述的湍流封閉模型構(gòu)建如下: 米用Yokhot和Orszag修正后的RNGk_ε模型,修正后的k_ε模型表不為:

其中,ka為湍流動(dòng)能,μα為動(dòng)力學(xué)粘度,εα為湍流耗散率,Cy為模型無(wú)因次系 數(shù),ε為耗散率;Cweng= 0· 0845,Cw2RNG= 1. 68,〇 kRNG= 〇· 7179,〇 eRNG= 〇· 7179,η〇 = 4. 38,βENG= 0. 013〇
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自吸式反應(yīng)器半理論與數(shù)值模擬相結(jié)合的放大方法,其特征 是在于所述的的流體力學(xué)的基本控制方程構(gòu)建中,設(shè)置反應(yīng)器內(nèi)初始條件為: (1) 液相含率為1,無(wú)氣體存在,即ag= 〇,a1= 1 ; (2) 液相在反應(yīng)器內(nèi)初始速度設(shè)置為自動(dòng)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104462697SQ201410768790
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】洪厚勝, 張志強(qiáng), 顏旭, 顧承真 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)
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