多級進氣平板式光生物反應器微藻培養(yǎng)性能模擬研究

崔海龍 趙劍光

摘要利用計算流體力學（CFD）方法模擬主要操作參數(shù)對多級進氣平板式光生物反應器的混合傳動、傳質(zhì)及傳光性能的影響。結(jié)果表明，當3種操作參數(shù)通氣分配比例、反應器底部度數(shù)、隔板長度比例分別為1∶2∶3、30°、3∶2∶1時，反應器的混合傳動性能最佳；操作參數(shù)分別為1∶3∶2、45°、3∶2∶1時，反應器傳質(zhì)性能最佳；操作參數(shù)分別為3∶2∶1、45°、2∶2∶3時，反應器傳光性能最佳。模擬試驗結(jié)果對平板式光生物反應器的優(yōu)化設計具有重要的參考價值。

關鍵詞多級進氣；光生物反應器；傳動；傳質(zhì)；傳光；計算流體力學

中圖分類號S188；O359文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）21-031-03

微藻是一類分布廣泛，光合作用利用度高，只能在顯微鏡下才能分辨其形態(tài)的微小藻類類群。隨著對微藻研究的日益成熟，其在食品及保健品、能源、醫(yī)藥、環(huán)保等領域得到廣泛應用[1]。微藻的大規(guī)模商業(yè)化培養(yǎng)是未來微藻發(fā)展的趨勢，然而用于微藻培養(yǎng)的光生物反應器技術不佳卻嚴重制約微藻的商業(yè)化發(fā)展[2]。近年來隨著計算流體力學（CFD）技術的發(fā)展，CFD技術在光生物反應器的優(yōu)化設計領域因其研發(fā)周期短、成本低、可以全面研究反應器流場特性等優(yōu)勢而得到了廣泛應用并取得了一定的研究成果，提高了光生物反應器微藻培養(yǎng)性能。

研究光生物反應器微藻培養(yǎng)性能的提升過程中，研究者必須綜合考慮反應器性能的多個因素[3]。因此在反應器優(yōu)化設計上，該研究與已有的研究光生物反應器文獻中選擇的評價參數(shù)相同[4-8]，筆者選擇平均湍動能（ATK）作為評價反應器混合傳動性能的指標，選擇液相體積傳質(zhì)系數(shù)（KLa）作為反應器傳質(zhì)性能指標，選擇反應器光照徑向速度（U）作為其傳光特性指標，對多級進氣光生物反應器影響微藻培養(yǎng)性能的通氣分配比例、反應器底部度數(shù)、隔板長度分配比例進行了研究。

1試驗裝置及網(wǎng)格劃分

試驗裝置及網(wǎng)格劃分見圖1，該試驗構建了多級進氣的平板式光生物反應器，其反應器外圍結(jié)構，長寬高為 250 mm×150 mm×420 mm，實際液高為400 mm，裝液體積為15 L，反應器的外壁和導流隔板分別采用5 mm 和3 mm 厚的有機玻璃材料。反應器隔板間隙為15 mm，隔板長度為100 mm，隔板上沿距液面的距離為30 mm。反應器氣體分布器采用內(nèi)徑6 mm 的塑料軟管，軟管頂部開有3排直徑0.5 mm的通氣氣孔，每個通氣孔間隔1 cm，分布器的中心線與擋板下沿處于同一水平高度。

對建立的幾何模型采用網(wǎng)格劃分軟件ANSYS ICEM CFD（64bit）進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型采用結(jié)構化六面體網(wǎng)格。采用流體仿真軟件ANSYS 14.4 Fluent對所建立的平板式生物反應器模型進行模擬計算，由于出氣口的初始速度變化梯度較大，采用局部加密網(wǎng)格，為減少計算量，幾何模型Z方向取其中的1/10，兩面設為周期性界面。

2數(shù)值模擬

2.1控制方程

采用Eulerian-Eulerian多相流方法模擬氣液兩相混合流動，假定流體為連續(xù)相，分散相為不可壓縮氣體，且兩相流之間不考慮能量傳遞，也不考慮兩相之間物理化學變化，其控制方程[9]：

質(zhì)量守恒方程：

t（αqρq）+·（αqρqvq）=mpq（1）

動量守恒方程：

t（αqρqvq）+·（αqρqvqvq）=

-αqp+·τq+

Kpq（vp-vq）+mpq

vpq+mqρqg+αqρqFq

（2）

湍流模型k方程：

t（αqρqkq）+·（αqρqvqkq）=

·αqμeff，qσkkq+αqGk，q-αqρqεq+αqρqkq

（3）

湍流模型ε方程：

t（αqρqεq）+·（αqρqvqεq）=

·αqμeff，qσεεq+αq

εqkq（C1εGk，q-C2ερqεq）+αqρqkq（4）

該研究中氣含率較小，因此，升力、虛擬質(zhì)量力不是主要影響因素，式（4）中只應用Schiller-Naumann 方法考慮曳力[5，8]的影響。

式中，Cε1、Cε2、σε、σk為湍流參數(shù)，α為相體積分數(shù)，ε為湍動能耗散率（m2/s3），μeff為有效粘度（Pa·s），mpq為第p相到q相的質(zhì)量傳遞（kg），K為相間動量傳遞系數(shù)，Gk為湍流動能產(chǎn)生項[kg/（m·s3）]。

Xue等[10]在反應器氣液兩相流的基礎上，利用溶質(zhì)滲透理論和各項湍流理論建立了液相體積傳質(zhì)系數(shù)數(shù)學模型，李昱喆等[5]和王淋淋等[8]利用該液相體積傳質(zhì)系數(shù)模型對反應器進行了模擬研究并通過試驗驗證了其準確性和可行性，該研究對于反應器傳質(zhì)性能繼續(xù)采用該數(shù)學模型，液相體積傳質(zhì)系數(shù)可表示為：

kLa=2πDLρLεμ0.256εgdb（1-εg）（5）

式中，KLa為溶氧體積傳質(zhì)系數(shù)（s-1），d為氣泡直徑（m），εg為平均氣含率（%），μ為剪切粘度[kg/（m·s）]，ρ為流體密度（kg/m3），D為液相擴散系數(shù)（m2/s）。

2.2數(shù)值方法與邊界條件

采用標準kε模型模擬湍流，壁面附近流動選用標準的壁面函數(shù)法，設置流體為非穩(wěn)態(tài)流動。入口處邊界條件定義為速度入口，其氣相體積分數(shù)定義為1，出口處邊界條件定義為壓力出口，出口空氣回流體積分率設為1。液面上部的計算區(qū)域初始化設置氣體的體積分數(shù)為1。結(jié)合試驗觀察，氣泡大小設置為4 mm[5]。設置計算殘差收斂標準小于10-5，時間步長設定為0.001 s。隨迭代時間增加，流場逐漸趨于收斂，當質(zhì)量殘差曲線在10-3附近，其余殘差曲線分別在10-4附近且變化幅度不大，進出口界面氣體流量差距在0.1%之內(nèi)且不同監(jiān)控點變化在1%之內(nèi)，可認為流場達到收斂狀態(tài)[5，8]。

3結(jié)果與分析

3.1通氣分配比例對反應器性能的影響在通氣率為9 L/min下對多級進氣光生物反應器上段、中段、下段的通氣分配比例進行了研究，以反應器的混合傳動性能平均湍動能（ATK）作為評價參數(shù)。由圖2可知，當反應器上段、中段、下段通氣分配比例為1∶2∶3和1∶3∶2時，反應器混合傳動性能較好，當通氣分配比例為3∶2∶1和3∶1∶2時，反應器混合傳動性能較差，說明在多級進氣反應器中段和下段通氣分配比例較高時，提升反應器的混合傳動性能，當上段通氣比例分布較高時，不利于提升反應器的混合傳動性能。

通氣分布比例對反應器傳質(zhì)性能的影響見圖3，由圖3可知，當通氣比例為2∶1∶3時，反應器的液相體積傳質(zhì)系數(shù)最低，反應器的傳質(zhì)性能較差，當通氣比例在3∶1∶2時，反應器的傳質(zhì)性能也相對較差。然而，當通氣比例在1∶3∶2和2∶3∶1時，反應器的液相體積傳質(zhì)系數(shù)較好，由此可知，適當?shù)靥岣叻磻髦卸蔚耐獗壤峙淇梢蕴岣叻磻鞯膫髻|(zhì)性能。

由圖4可知，當通氣比例在3∶1∶2時反應器光照方向徑向速度最好，微藻對光能的利用效率最佳。當通氣分配比例在2∶1∶3時，反應器的傳光性能最差。最佳通氣比例下的傳光性能較最差的通氣比例下傳光性能提升了44.1%，其他通氣分配比例對反應器傳光性能影響不大。

3.2底部度數(shù)對反應器性能的影響

為優(yōu)化反應器內(nèi)部流場，反應器底部左右各去掉一個角，其外壁斜邊與底部形成夾角（底部度數(shù)）。反應器的底部度數(shù)對反應器混合傳動性能的影響見圖5。由圖5可知，隨著反應器底部度數(shù)的增加，反應器的平均湍動能系數(shù)逐漸降低，混合傳動性能逐漸變差。當反應器底部度數(shù)在45°～60°時，反應器平均湍動能變化幅度較小，當反應器底部度數(shù)在60°～75°時，反應器平均湍動能變化幅度較大，受反應器底部度數(shù)的變化影響較大。

反應器底部度數(shù)對反應器傳質(zhì)和傳光性能的影響見圖6。由圖6可知，反應器的液相體積傳質(zhì)系數(shù)和光照方向徑向速度變化的趨勢相差不大，都隨著反應器底部度數(shù)先逐漸增加，當?shù)撞慷葦?shù)在45°時，兩者的數(shù)值達到最大，然后隨著底部度數(shù)的增加，逐漸降低，說明當反應器底部度數(shù)在45°時反應器的傳質(zhì)性能和傳光性能最佳，提高了微藻的培養(yǎng)性能。

3.3內(nèi)部隔板分段比例對反應器性能的影響反應器隔板分配比例對反應器性能的影響見圖7，由圖7a和7b可知，當反應器上段、中段、下段的隔板分配比例為3∶2∶1時，反應器的平均湍動能參數(shù)和液相體積傳質(zhì)系數(shù)參數(shù)最高，而相對應的當反應器隔板的分配比例為1∶2∶3時，反應器的平均湍動能和液相體積傳質(zhì)系數(shù)最低，說明適當提高反應器上段隔板的分配比例可以提高反應器的混合傳動性能和傳質(zhì)性能。由圖7c可知，當反應器的隔板分配比例在2∶3∶1時，反應器光照方向傳光性能最差，當隔板分配比例在2∶2∶3時，反應器的傳光性能最佳。

4結(jié)論

該研究建立了多級進氣平板式光生物反應器幾何模型，采用CFD技術利用Eulerian-Eulerian多相流方法模擬研究了反應器內(nèi)氣液兩相流體動力學過程，研究了反應器的通氣分配比例、反應器底部度數(shù)、反應器隔板分配比例對光生物反應器混合傳動、傳質(zhì)、傳光性能的影響。

（1）多級進氣反應器中段和下段通氣分配比例較高時，提升反應器的混合傳動性能，其中當通氣分配比例為1∶2∶3時，反應器混合傳動性能最佳。通氣比例在1∶3∶2時，反應器的液相體積傳質(zhì)系數(shù)較高，當通氣分配比例為3∶1∶2時，反應器的傳光性能最佳。

（2）隨著反應器底部度數(shù)的增加，反應器的平均湍動性能逐漸降低。當反應器底部度數(shù)在45°時，反應器的傳質(zhì)性能與傳光性能最佳。

（3）對于反應器內(nèi)部隔板分配比例研究表明，適當?shù)靥岣吖馍锓磻魃隙胃舭宓姆峙浔壤梢蕴岣叻磻骰旌蟼鲃?、傳質(zhì)性能，當隔板分配比例在3∶2∶1時，反應器的混合傳動、傳質(zhì)性能最佳。當隔板的分配比例在2∶2∶3時，反應器的傳光性能最佳。

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