新型加壓生物反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)研究

楊 波

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

曝氣過程是生物反應(yīng)的重要工藝程序，它對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)與傳質(zhì)、氣含率以及液體循環(huán)速度都有影響。而目前廣泛使用的是鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，即由鼓風(fēng)機(jī)將凈化的空氣通過供氣管道送入生物反應(yīng)器中。這種曝氣方法極大的影響了系統(tǒng)的效率，曝氣能耗占整個(gè)系統(tǒng)能耗的20%～30%，因此急需推廣高效節(jié)能的微孔曝氣生物反應(yīng)器。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物反應(yīng)器內(nèi)的含氧率和液相循環(huán)速度進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究。如蔣安元[2]研究發(fā)現(xiàn)若循環(huán)速度太快，分散在液相中的細(xì)小氣泡會(huì)隨著液體一起下降，不能及時(shí)排出，氣泡中的有效氣體成分下降造成所謂“老化”現(xiàn)象；Popovic[3]等以CMC溶液為對(duì)象研究發(fā)現(xiàn)隨溶液粘度的增加液相循環(huán)速度減??；徐桂轉(zhuǎn)等[4]研究發(fā)現(xiàn)曝氣通量對(duì)循環(huán)液速的影響沒有對(duì)氣含率的影響大等。另外，還有一些學(xué)者研究了氣體分布器對(duì)循環(huán)液速的影響[5]，發(fā)現(xiàn)采用微孔氣體分布器能提高氣含率和液相的循環(huán)速度。但是對(duì)曝氣通量和內(nèi)部流場(chǎng)可視化的研究還沒見到系統(tǒng)的報(bào)道，因此本文基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)模模擬兩方面對(duì)不同表觀氣速下的生物反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 PIV實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)中采用的測(cè)試儀器是美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的PIV系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。其中激光的工作頻率為15Hz，發(fā)出的波長(zhǎng)為532nm，單個(gè)脈沖能量為120mJ；CCD相機(jī)分辨率為1248×1024像素，最大圖象采集率可達(dá)到7.5幀/秒；同步器用來(lái)協(xié)調(diào)激光和相機(jī)的工作時(shí)序。PIV系統(tǒng)的控制和圖像采集分析由Insight5.0軟件實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)采用直徑為8的三氧化二鋁作為示蹤粒子。

圖1 PIV系統(tǒng)組成示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

如圖2所示，選擇反應(yīng)器上部為測(cè)試區(qū)。實(shí)驗(yàn)用反應(yīng)器由高1.0 m、內(nèi)徑為0.3 m的有機(jī)玻璃管制成，實(shí)驗(yàn)液面高度為0.68 m。同時(shí)在反應(yīng)器一側(cè)自底部至頂部，每隔0.1 m開有Φ8 mm的測(cè)壓口；反應(yīng)器底部封頭處中心處安裝微孔曝氣分布器。在壓縮機(jī)出口安裝一個(gè)0.2 m3氣體貯罐，起穩(wěn)定氣體流量作用。氣體由壓縮機(jī)送出，經(jīng)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氣體流量后，至流量計(jì)，經(jīng)微孔曝氣分布器進(jìn)入反應(yīng)器，由頂部經(jīng)出口流量計(jì)排出。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器頂部的閘閥來(lái)控制反應(yīng)器內(nèi)的操作壓力。由于氣體的進(jìn)入在反應(yīng)器底部中心與近壁處形成密度差驅(qū)使反應(yīng)器內(nèi)的液相介質(zhì)從近壁處流經(jīng)上升區(qū)、氣液分離區(qū)、下降區(qū)再到上升區(qū)形成循環(huán)流動(dòng)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

1.3 微孔生物反應(yīng)器

微孔曝氣分布器采用某公司研究開發(fā)的新型膜片式微孔曝氣分布器，見圖3。這種膜片由高強(qiáng)度的合成橡膠高溫高壓再經(jīng)一系列擴(kuò)孔工藝制成，膜片度2 mm，平均微孔直徑為10。安裝時(shí)下面用鉆了24個(gè)孔（孔徑為8 mm）的5 mm厚篩板支撐，上面用不銹鋼壓板固定，最上方用限位罩限制隆起的高度，起保護(hù)分布器作用。整個(gè)分布器的有效工作直徑為150mm，通過法蘭與生物反應(yīng)器連接。

圖3 膜微孔氣體分布器結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 實(shí)驗(yàn)物料與操作條件

實(shí)驗(yàn)所用物系為空氣－水兩相體系，利用油酸鈉改變液體表面張力，三甘醇改變液體粘度。實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。由于表面張力和粘度受溫度影響較大，表中列出的是常溫下的表面張力和粘度值。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

1.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果分析及討論

根據(jù)生物反應(yīng)器具體的實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行PIV測(cè)量，處理數(shù)據(jù)基于美國(guó)TSI公司的Insight軟件。同時(shí)采用Tecplot 10.0軟件并根據(jù)流體力學(xué)的分析方法得到詳盡的時(shí)均速度、渦量、湍動(dòng)能等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并適當(dāng)分析其隨氣體表觀速度變化的規(guī)律性影響。

對(duì)于宏觀的液相速度分布，這里由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，僅僅給出了軸面上的部分液相速度分布。圖4為不同表觀氣速下液相的速度矢量場(chǎng)，從圖中可以看出來(lái)液相速度隨表觀氣速的增大而顯著變化。在反應(yīng)器底部，上升區(qū)液體在氣體的挾帶作用下獲得最初始的速度，隨后在重力及阻力下速度有所下降。在表觀氣速比較小時(shí)，液體中的氣泡主要受向上的浮力作用，反應(yīng)器中氣液兩相流動(dòng)還沒有達(dá)到湍流狀態(tài)，上升區(qū)液體在氣泡的沖擊下，跟隨氣泡運(yùn)動(dòng)；隨表觀氣速的增大，反應(yīng)器中氣液兩相流動(dòng)慢慢達(dá)到湍流狀態(tài)，此時(shí)氣泡和液體充分混合，上升區(qū)氣泡在浮力和進(jìn)口壓力的作用下急劇的涌向氣液分離區(qū)，強(qiáng)烈的沖擊反應(yīng)器底部的液體，底部的液體在氣泡的沖擊作用下開始向上運(yùn)動(dòng)，下降區(qū)的液體在密度差產(chǎn)生的作用力下流向反應(yīng)器底部，從而表現(xiàn)出液相整體的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。另外由于下降區(qū)液體的沖刷作用和上升區(qū)氣體的沖擊剪切作用，液體在底部容易形成小的漩渦，這可以大大減小死區(qū)，提高反應(yīng)器效率，同時(shí)在強(qiáng)烈的湍動(dòng)混合下，氣泡容易破碎，這個(gè)可以大大提高氣液間氧傳質(zhì)。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

本文整個(gè)方程組的求解是通過CFD軟件FLUENT6.2完成。應(yīng)用了以Euler方法為基礎(chǔ)的歐拉模型，選擇的多相流模型為混合模型，對(duì)壓力－速度耦合關(guān)系的處理采用SIMPLE算法。

圖4 不同表觀氣速下液相的速度矢量場(chǎng)

對(duì)于宏觀的速度分布，這里主要考察 XZ軸面上的時(shí)均速度分布情況。首先考慮是速度矢量的空間分布，即速度矢量場(chǎng)。圖5為氣體表觀速度分別位0.1 m/s、0.5 m/s、1.0 m/s時(shí)液相的速度矢量場(chǎng)。從圖中可以看出液相的流動(dòng)基本表現(xiàn)為整體的大循環(huán)運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)氣升式生物反應(yīng)器底部區(qū)域液體質(zhì)點(diǎn)主要靠下降區(qū)流體的沖刷作用獲得的較低流動(dòng)速度，這部分的液體很難跟主流進(jìn)行良好對(duì)流傳質(zhì)，在實(shí)際應(yīng)用過程中此區(qū)域常成為物料堆積的死區(qū)，一般常采用在底部進(jìn)氣管打孔通氣的方法來(lái)加強(qiáng)此區(qū)域與主體流動(dòng)的對(duì)流混合。從圖可以看出來(lái)，在膜片式微孔曝氣生物反應(yīng)器底部，由于下降區(qū)流體的沖刷作用和上升區(qū)氣體的沖擊剪切作用，液體在底部形成小的漩渦，大大減小了死區(qū)。

3 對(duì)比分析

本文對(duì)模擬和實(shí)驗(yàn)在數(shù)值大小上也進(jìn)行了一定程度上的比較。圖6為膜片式微孔曝氣生物反應(yīng)器X方向液相速度的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。其中圖6.a及圖6.b分別表示氣體表觀速度為0.5 m/s和1.0 m/s時(shí)反應(yīng)器中心軸面內(nèi)液相速度模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比曲線；圖6.c表示了Z=50 cm處液相速度隨氣體表觀速度變化的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比曲線。由圖可以看出：

圖5 液相速度矢量場(chǎng)

圖6 上升區(qū)Z方向液相速度的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

（1）液相速度在徑向空間分布上，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，具有空間對(duì)稱性。在沿Z方向呈凸形曲線分布，中心處矢量絕對(duì)值最大，兩邊至器壁處速度值陡降至0左右。

（2）在Z方向液相速度隨氣體表觀氣速的變化上，數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上也是一致的。隨表觀氣速的增加Z方向上液相速度的絕對(duì)數(shù)值上升。

（3）在速度矢量空間分布及變化趨勢(shì)一致性的基礎(chǔ)上也可以看出來(lái)，兩者在數(shù)值上存在一定的誤差，造成這種現(xiàn)象的原因很多，主要包括：瞬間的進(jìn)氣流量不穩(wěn)定、操作條件的人為誤差等；在數(shù)值模擬過程中，F(xiàn)LUENT給定的常量參數(shù)適用性過于理想化，等等。但總的變化趨勢(shì)還是保持一致的。因此可以認(rèn)為該CFD數(shù)值模擬方法應(yīng)用于膜片式微孔曝氣生物反應(yīng)器內(nèi)復(fù)雜的兩相流動(dòng)流場(chǎng)預(yù)測(cè)還是可行的，具有一定的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

（1）PIV技術(shù)已廣泛用于研究復(fù)雜流場(chǎng)，它的發(fā)展使我們觀察到了許多用傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)無(wú)法測(cè)到的流動(dòng)瞬時(shí)結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，對(duì)探索生物反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)及傳質(zhì)死區(qū)有直觀指導(dǎo)意義。

（2）CFD數(shù)值模擬方法應(yīng)用于新型加壓生物反應(yīng)器內(nèi)復(fù)雜的兩相流動(dòng)流場(chǎng)預(yù)測(cè)與通過實(shí)驗(yàn)獲得的流場(chǎng)基本一致，具有一定的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

（3）氣液分離區(qū)的漩渦位置降低，引起附近區(qū)域的湍動(dòng)，有利于氣液間的傳質(zhì)、混合，特別是底部的漩渦，更可以減小反應(yīng)器的死區(qū)體積。

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