大型发酵罐内流场模拟及局部改善

2022-02-04于洪杰钱才富

化工机械 2022年6期

张博于洪杰钱才富

（北京化工大学机电工程学院）

发酵罐是谷氨酸生产的关键设备，在谷氨酸发酵的过程中，通风必须适度，通风过大会导致菌体生长缓慢，过小则会导致产物由谷氨酸变为乳酸，所以对发酵过程中氧气含量在整体和局部的控制显得尤为重要［1］。发酵罐是典型的搅拌反应设备，大型化是其发展趋势［2］，同时，提高搅拌反应设备的搅拌性能一直是学者和工程技术人员的重点研究内容之一。张林进等采用计算流体力学技术对某钢铁厂烟气脱硫吸收塔底部浆液池的侧进式搅拌流场进行了数值模拟，研究了搅拌转速、搅拌桨安装角度等因素对三维流场的影响规律［3］。张庆文等采用CFD数值模拟对600 m3柠檬酸发酵罐搅拌系统设计方案进行了分析，结合柠檬酸发酵工艺，综合考虑搅拌轴功率、流型、传质混合能力，提出两种设计方案并进行数值模拟和传质混合能力分析，通过对比确定最优方案［4］。洪厚胜等针对300 m3的L-赖氨酸发酵罐搅拌器不能满足发酵工艺传质混合要求的实际情况，提出改造方案，并采用CFD软件对改造前后搅拌效果进行了数值模拟，结果显示改造后的搅拌器强化了混合效果，改善了气液传质；改造后经过46批发酵实验，L-赖氨酸的糖酸转化率相比改造前提高了2%，且产量更稳定，最后提出了搅拌器继续改造的方向［5］。

笔者就某大型三搅拌桨发酵罐流场进行模拟和分析，针对存在的局部气含率较低的问题，对发酵罐结构进行了改进。

1 发酵罐有限元分析模型及操作条件

1.1 发酵罐结构

发酵罐（图1）主要由挡板、换热盘管、环形气体分布器、搅拌器及罐体等组成。对结构进行简化后创建流体域，得到分析模型如图2所示，坐标原点位于底部中心处，搅拌器几何模型如图3所示。

图1 发酵罐几何结构

图2 流体域模型

发酵罐主要结构参数如下：

发酵罐内径 7.8 m

挡板个数 3个

盘管组数 6组

装液高度 11.11 m

气体分布器圈数 5圈

气体分布器安装高度 1.37 m

底层桨安装高度 1.82 m

桨直径 3.3 m

斜叶桨桨叶角度 45°

斜叶桨切面尺寸 12.5 mm×179 mm半圆管桨叶切面半径 100 mm

桨间距 3.8 m

通气孔数量 80个

通气孔直径 10 mm

1.2 操作条件

流场模拟时所用物料及其性能参数见表1。操作条件为：通气量0.022 6 kg/m3（表观气速0.7 m/s），搅拌转速58.45 r/min。

表1 物料及其性能参数

2 CFD数值模型和模拟方法

2.1 数值模拟方法

Fluent是基于有限体积法计算的，有限体积法是在计算区域划分网格，使得每个网格周围有一个互不重复的控制体积，将待求解的微分方程对每个控制体积积分得到离散方程。有限体积法在网格比较粗的情况下也可以积分守恒。

2.2 控制方程

流体流动受物理守恒定律支配，每个守恒定律都有其守恒方式，尽管这些方程中因变量各不相同，但均反映了单位时间、单位体积内物理量的守恒性质。如果用φ表示各通用变量，则各控制方程可以表示为以下通用形式：

其展开式为：

2.3 搅拌桨区域处理方法

如何更好地模拟搅拌桨和周围流体的相互作用是搅拌设备的流场模拟困难之一，笔者只考察稳定流场，故选多重参考系法（MRF）来进行处理。将计算域分成包围桨叶的附近区域和搅拌桨之外的区域，前者选用旋转坐标系作为参考系，转速与搅拌轴的转速相同；而后者则使用静止坐标系，通过交界面（网格进行共节点处理）上的绝对速度转化来实现两个区域的速度匹配。

2.4 网格划分及质量检查

应用ANSYS Fluent Meshing对发酵罐流体计算模型进行网格划分，各壁面处采用多面体网格，其余区域过渡为六面体网格，这是该软件特有的基于“马赛克”技术的Poly-Hexcore网格技术，全局避免了四面体网格的使用，可以有效减少网格数量，同时可降低伪扩散带来的影响。为了使仿真结果更加精确，对搅拌桨和气体分布器附近进行了网格加密处理［6］，并对搅拌桨和搅拌轴壁面设置了膨胀层，这样可以得到更加准确的扭矩。最终网格总数约914万个，网格最小正交质量大于0.2，最大扭曲率小于0.8，网格模型如图4所示。

图4 发酵罐流体计算网格模型

2.5 边界条件和初始计算条件

在Fluent中设置气体分布器上进气口为速度入口（Velocity inlet），入口速度设置为0.7 m/s；出气口设置为Degassing脱气边界，只允许气体从此溢出；应用MRF法不必考虑搅拌轴和搅拌桨的壁面类型，故其余壁面均设置为Wall；搅拌区域（3个搅拌桨所在区域）转速设置为58.45 r/min；罐内温度变化和压力变化不大，不考虑这两种因素对结果的影响，故不予设置。选择标准k-ε湍流模型［7］进行模拟，两相流模型选择Euler-Euler模型［8］，设置氧气为第2项，直径设置为1.5 mm，气液相间Drag模型采用grace模型，并且设置表面张力系数为0.073。求解采用Coupled 算法，勾选Pseudo Transient选项，各项残差收敛标准设为10-6，最后初始化流场进行稳态求解。

3 模拟结果及讨论

模拟稳态流场时主要关注的是发酵罐内的速度矢量场、速度场和气液两相分布［9～11］。

3.1 发酵罐内流场分布

图5a～c分别为上、中、下3层搅拌桨附近横截面（z=7.44 m、z=5.62 m、z=1.82 m）的速度矢量图，可以看出，流体以搅拌桨转动方向回转流动，从而使得整个发酵罐内流体在罐中心处充分混合，获得了良好的物质传递效果，利于菌种进行持续的生物化学反应。图5d、e为相互垂直纵截面（x=0 m、y=0 m）速度矢量图，可以看出，上面两层搅拌桨产生轴向流使流体沿轴向向下运动，最下层搅拌桨产生径向流使得流体径向扩散，这样中心流体速度方向向下，下层流体向四周运动，罐壁附近流体向上运动，产生的流动迅速填充到离开的流体区域，离开的流体又立刻参与到下一个区域，从而整体形成一个流动循环。

图5 不同截面速度矢量图

图6a～c分别为上、中、下3层搅拌桨附近横截面的速度分布图，可以看出，速度周期对称分布，搅拌桨端的速度最大。图6d、e为相互垂直纵截面速度分布图，可以看出，速度场对称分布，搅拌桨下侧的速度最大，轴中间和下端位置处速度较小，流体每经过一次搅拌桨，速度就被提高一次。

图6 不同截面速度分布图

3.2 发酵罐内气液两相分布

图7a～c分别为上、中、下3层搅拌桨附近横截面的气体分布图，可以看出，搅拌桨转动过程中，桨的尾部产生了气体分布率相对较高的现象，这种现象是产生了轻微的气穴［12］；同时图7b中靠近轴的位置气含率较高，这是由于气体通过搅拌轴壁上浮导致的。图7d、e分别为相互垂直纵截面气体分布图，可以看出，气体分布比较均匀，特别是搅拌桨之间的气体分布，但是发酵罐底端区域的气含率比较低，这是由于径流搅拌桨产生的径向流将氧气带到桨的四周导致的，并且由于浮力的作用，氧气大多沿着各壁面向上运动；半圆管圆盘涡轮搅拌桨上方的气含率比较低，这是因为圆盘阻碍了附近的轴向流动，使得含有气体的发酵液不能流到这个区域内，为气体“死区”；最上层搅拌桨附近的气含率较低是整体的流动状态决定的，可以通过一定的方法改善；盘管下端和气体分布器附近的气含率较高，这是由于气体还未来得及在发酵液中扩散导致的，是比较正常的现象。

图7 不同截面气体分布图

3.3 搅拌功率计算

搅拌功率是评价和设计搅拌设备的重要指标之一［13］，它不但反映能量消耗，还决定着所需电动机的选型以及搅拌轴的设计。通过数值模拟求解得到的搅拌功率可由下式求出：

近年，公司不断扩大产能布局，先后在华北、华东、西北等区域扩建了生产基地，目前产能在国内企业中位居前列。公司销售服务网络不断完善，销售布局涵盖全国所有省市。公司受邀参与的全国性省市级专题学术讲座近100场，为行业健康有序发展作出了积极贡献。“生态格网结构”工程技术及产品在全国近千项工程中应用，取得了良好的社会效益和经济效益。

式中 M——扭矩，N·m；

N——搅拌转速，r/min；

P——功率，W；

ω——角速度，rad/s。

从Fluent中提取出扭矩M=118981.16 N·m，通过计算得到P=728.268 kW。

4 结构改进及讨论

气含率分布是气液搅拌反应设备设计和优化的重要指标，不仅可以反映体系内气液分散的状况，还影响着气液传递的速率，因此在工程实际上往往通过改进搅拌器结构来改善气含率分布。本节针对原设计发酵罐流场中局部区域气含率较低的问题进行结构改进。

4.1 改进底层桨结构

针对底层桨圆盘上方气含率低的问题，采用底层桨圆盘开孔结构，如图8所示。通过计算得到改进后的气体分布和流场分布如图9所示。在底层桨附近沿轴向取路径，提取路径上气含率沿发酵液深度方向的数值变化，如图10所示。结合改进前后的气体分布可以看出，圆盘开孔后圆盘上方的气含率明显提高，气体“死区”消失。图11对比了结构改进前后的速度矢量，可以看出，底层桨圆盘的局部改进未对整体流型产生影响。

图8 底层桨改进结构

图9 纵截面y=0 m气体分布对比

图10 路径上气含率随发酵液深度变化曲线

图11 改进前后纵截面y=0 m速度矢量分布对比

4.2 改进上层桨尺寸

最上层桨附近气含率低是由于搅拌桨的存在，但搅拌桨是完成搅拌所必需的，不过可以改变搅拌桨的大小，从而改善搅拌效果。为此改变最上层桨的直径，分析搅拌效果。设Dtop为上层桨的直径，T为发酵罐内径，分析Dtop/T=4.1÷7.8=0.526、Dtop/T=3.3÷7.8=0.423、Dtop/T=2.5÷7.8=0.321 这3 种情况下的气体分布和速度矢量分布。如图12所示，在上层桨附近取3条路径，提取3条路径上气含率沿发酵液深度方向的数值变化，结果如图13所示，结合图12可以看出减小上层桨的直径有助于提升附近的气含率。从图14中可以看出，增大桨的直径会增强附近的漩涡，从而减弱整体的循环流，而减小桨的直径则会增强中心流体的轴向流动，这也使得底层搅拌桨周围的流体更加快速地被轴向来的流体所补充。

图12 纵截面y=0 m气体分布对比

图13 路径上气含率随发酵液深度变化曲线

图14 纵截面y=0 m速度矢量分布对比

4.3 底部设置挡板

针对发酵罐底部气含率低的问题，在底部设置一定倾斜角度的挡板，笔者设置挡板与下封头表面夹角为45°，同时与封头内表面保留一定的间隙，以免形成较大的死区，如图15所示，通过改变底部流场，改善氧气在底部的分布。如图16所示，在底部挡板处分别作横截面A、B，提取两个截面上氧气的平均体积分数，分别为0.001 30和0.000 91，结合改进前后的纵截面气体分布（图16）以及底部挡板处横截面气体分布（图17）可以看出，放置挡板后底部气含率明显提高。图18对比了改进前后的速度矢量，可以看出，放置挡板后底部流场发生了明显的变化，产生了较为显著的轴向流和漩涡，增强了湍动。