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)