新型加压生物反应器内部流场研究

杨 波

（中南林业科技大学 机电工程学院，湖南 长沙 410004）

曝气过程是生物反应的重要工艺程序，它对反应器内流动与传质、气含率以及液体循环速度都有影响。而目前广泛使用的是鼓风曝气系统，即由鼓风机将净化的空气通过供气管道送入生物反应器中。这种曝气方法极大的影响了系统的效率，曝气能耗占整个系统能耗的20%～30%，因此急需推广高效节能的微孔曝气生物反应器。

国内外学者对生物反应器内的含氧率和液相循环速度进行了大量的实验和理论研究。如蒋安元[2]研究发现若循环速度太快，分散在液相中的细小气泡会随着液体一起下降，不能及时排出，气泡中的有效气体成分下降造成所谓“老化”现象；Popovic[3]等以CMC溶液为对象研究发现随溶液粘度的增加液相循环速度减小；徐桂转等[4]研究发现曝气通量对循环液速的影响没有对气含率的影响大等。另外，还有一些学者研究了气体分布器对循环液速的影响[5]，发现采用微孔气体分布器能提高气含率和液相的循环速度。但是对曝气通量和内部流场可视化的研究还没见到系统的报道，因此本文基于实验和数模模拟两方面对不同表观气速下的生物反应器内部流场进行了分析。

1 实验研究

1.1 PIV实验系统

试验中采用的测试仪器是美国TSI公司生产的PIV系统，系统组成如图1所示。其中激光的工作频率为15Hz，发出的波长为532nm，单个脉冲能量为120mJ；CCD相机分辨率为1248×1024像素，最大图象采集率可达到7.5帧/秒；同步器用来协调激光和相机的工作时序。PIV系统的控制和图像采集分析由Insight5.0软件实现。试验采用直径为8的三氧化二铝作为示踪粒子。

图1 PIV系统组成示意图

1.2 实验装置与流程

如图2所示，选择反应器上部为测试区。实验用反应器由高1.0 m、内径为0.3 m的有机玻璃管制成，实验液面高度为0.68 m。同时在反应器一侧自底部至顶部，每隔0.1 m开有Φ8 mm的测压口；反应器底部封头处中心处安装微孔曝气分布器。在压缩机出口安装一个0.2 m3气体贮罐，起稳定气体流量作用。气体由压缩机送出，经稳压调节阀调节气体流量后，至流量计，经微孔曝气分布器进入反应器，由顶部经出口流量计排出。通过调节反应器顶部的闸阀来控制反应器内的操作压力。由于气体的进入在反应器底部中心与近壁处形成密度差驱使反应器内的液相介质从近壁处流经上升区、气液分离区、下降区再到上升区形成循环流动。

图2 实验装置流程图

1.3 微孔生物反应器

微孔曝气分布器采用某公司研究开发的新型膜片式微孔曝气分布器，见图3。这种膜片由高强度的合成橡胶高温高压再经一系列扩孔工艺制成，膜片度2 mm，平均微孔直径为10。安装时下面用钻了24个孔（孔径为8 mm）的5 mm厚筛板支撑，上面用不锈钢压板固定，最上方用限位罩限制隆起的高度，起保护分布器作用。整个分布器的有效工作直径为150mm，通过法兰与生物反应器连接。

图3 膜微孔气体分布器结构示意图

1.4 实验物料与操作条件

实验所用物系为空气－水两相体系，利用油酸钠改变液体表面张力，三甘醇改变液体粘度。实验条件如表1所示。由于表面张力和粘度受温度影响较大，表中列出的是常温下的表面张力和粘度值。

表1 实验条件

1.5 实验验结果分析及讨论

根据生物反应器具体的实验工况进行PIV测量，处理数据基于美国TSI公司的Insight软件。同时采用Tecplot 10.0软件并根据流体力学的分析方法得到详尽的时均速度、涡量、湍动能等实验数据，并适当分析其随气体表观速度变化的规律性影响。

对于宏观的液相速度分布，这里由于受实验条件的限制，仅仅给出了轴面上的部分液相速度分布。图4为不同表观气速下液相的速度矢量场，从图中可以看出来液相速度随表观气速的增大而显著变化。在反应器底部，上升区液体在气体的挟带作用下获得最初始的速度，随后在重力及阻力下速度有所下降。在表观气速比较小时，液体中的气泡主要受向上的浮力作用，反应器中气液两相流动还没有达到湍流状态，上升区液体在气泡的冲击下，跟随气泡运动；随表观气速的增大，反应器中气液两相流动慢慢达到湍流状态，此时气泡和液体充分混合，上升区气泡在浮力和进口压力的作用下急剧的涌向气液分离区，强烈的冲击反应器底部的液体，底部的液体在气泡的冲击作用下开始向上运动，下降区的液体在密度差产生的作用力下流向反应器底部，从而表现出液相整体的循环运动。另外由于下降区液体的冲刷作用和上升区气体的冲击剪切作用，液体在底部容易形成小的漩涡，这可以大大减小死区，提高反应器效率，同时在强烈的湍动混合下，气泡容易破碎，这个可以大大提高气液间氧传质。

2 数值计算结果及分析

本文整个方程组的求解是通过CFD软件FLUENT6.2完成。应用了以Euler方法为基础的欧拉模型，选择的多相流模型为混合模型，对压力－速度耦合关系的处理采用SIMPLE算法。

图4 不同表观气速下液相的速度矢量场

对于宏观的速度分布，这里主要考察 XZ轴面上的时均速度分布情况。首先考虑是速度矢量的空间分布，即速度矢量场。图5为气体表观速度分别位0.1 m/s、0.5 m/s、1.0 m/s时液相的速度矢量场。从图中可以看出液相的流动基本表现为整体的大循环运动。传统气升式生物反应器底部区域液体质点主要靠下降区流体的冲刷作用获得的较低流动速度，这部分的液体很难跟主流进行良好对流传质，在实际应用过程中此区域常成为物料堆积的死区，一般常采用在底部进气管打孔通气的方法来加强此区域与主体流动的对流混合。从图可以看出来，在膜片式微孔曝气生物反应器底部，由于下降区流体的冲刷作用和上升区气体的冲击剪切作用，液体在底部形成小的漩涡，大大减小了死区。

3 对比分析

本文对模拟和实验在数值大小上也进行了一定程度上的比较。图6为膜片式微孔曝气生物反应器X方向液相速度的模拟与实验结果的对比。其中图6.a及图6.b分别表示气体表观速度为0.5 m/s和1.0 m/s时反应器中心轴面内液相速度模拟与实验结果的对比曲线；图6.c表示了Z=50 cm处液相速度随气体表观速度变化的模拟与实验结果的对比曲线。由图可以看出：

图5 液相速度矢量场

图6 上升区Z方向液相速度的模拟与实验结果对比

（1）液相速度在径向空间分布上，数值模拟结果与实验结果基本一致，具有空间对称性。在沿Z方向呈凸形曲线分布，中心处矢量绝对值最大，两边至器壁处速度值陡降至0左右。

（2）在Z方向液相速度随气体表观气速的变化上，数值模拟结果和实验结果基本上也是一致的。随表观气速的增加Z方向上液相速度的绝对数值上升。

（3）在速度矢量空间分布及变化趋势一致性的基础上也可以看出来，两者在数值上存在一定的误差，造成这种现象的原因很多，主要包括：瞬间的进气流量不稳定、操作条件的人为误差等；在数值模拟过程中，FLUENT给定的常量参数适用性过于理想化，等等。但总的变化趋势还是保持一致的。因此可以认为该CFD数值模拟方法应用于膜片式微孔曝气生物反应器内复杂的两相流动流场预测还是可行的，具有一定的工程实际应用价值。

4 结论

（1）PIV技术已广泛用于研究复杂流场，它的发展使我们观察到了许多用传统测试技术无法测到的流动瞬时结构现象，对探索生物反应器内流动及传质死区有直观指导意义。

（2）CFD数值模拟方法应用于新型加压生物反应器内复杂的两相流动流场预测与通过实验获得的流场基本一致，具有一定的工程实际应用价值。

（3）气液分离区的漩涡位置降低，引起附近区域的湍动，有利于气液间的传质、混合，特别是底部的漩涡，更可以减小反应器的死区体积。

[1]王正等.加压微孔曝气反应器内气含率的实验研究[J].化学工程，2006，34（10）：31-34.

[2]将安元.气升式反应器及其应用[J]．邵阳高专学报，1994，7（3）：243-245.

[3]Popovic M，Robinson C M．Eatimation of some important design parameiers for non-Newtonian liquid pneumatically agtitated fomenters [J].Proceeding of the 34#Canadian Chemical engineering Conference．1984：258-263.

[4]徐桂转，岳桂芝，杨世关，等．SMⅡ型生化反应器的流体力学研究[J].河南农业大学学报，2003，37（3）：293-296.

[5]沐方平，范铁，何清华，等．外环流反应器的气含率及循环液速[J].高校化学工程学报，1998，12（4）：345-349.