自吸式反应器功率消耗与气含率的研究进展_温佳文

摘要：自吸式反应 器 作 为 一 种 新 型 高 效 的 生 化 反 应 器，因 其 结构简单、能耗小、良好的混合传质 性 能、便 于 操 作 等 优 点 已 广泛用于 化 工、生 物 化 工 等 行 业。 文 章 介 绍 气 液 两 相 流 理 论，综述自吸式反应器关键性能参数 功 率 消 耗、气 含 率，并 展 望自吸式反应器研究的发展前景。 关 键 词 ：反 应 器 ；自 吸 式 ；功 率 消 耗 ；气 含 率 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ Ｇａｓ－ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｒｅａｃｔｏｒｓ ａｒｅ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｎｏｖｅｌ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｐｅｒ－ ｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ，ｔｈｅｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｄｕｓ－ ｔｒｙ，ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｆｏｒ ｔｈｅｉｒ ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎ－ ｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｇｏｏｄ ｍｉｘｉｎｇ，ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ ｂｅ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｓｔｉｒｒｅｄ ｔａｎｋｓ．Ｔｈｅ Ｇａｓ－ｌｉｑｕｉｄ ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｇａｓ ｈｏｌｄｕｐ ｉｎ ｔｈｅ Ｇａｓ－ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｒｅａｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｇａｓ－ｉｎｄｕｃｉｎｇ ｒｅａｃｔｏｒｓ ｗａｓ ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅａｃｔｏｒ；ｓｅｌｆ－ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ；ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ；ｇａｓ ｈｏｌｄｕｐ
１ 气液两相流动 ＣＦＤ 数值模拟现状
气液两相流本身是复杂、多样的，包 括 气 相、液 相 和 气 液 界面。界面对两相流的流动特性和 传 热、传 质 特 性 有 很 大 的 影响。液相 和 气 相 以 多 种 构 形 共 存 ，每 一 相 具 有 不 同 的 速 度，在相交界面 上 参 数 不 连 续，是 一 种 不 均 一 体 系。 当 前 通 过计算机对气液两相流的数值模拟是两相流动问题研究的 热点之一。自吸式反应器内气 液 两 相 流 动 的 ＣＦＤ 数 值 模 拟 对此类反应器的设计放大及相关基础研究将有着巨大的推 动作用。 １．１ 两 相 流 基 本 模 型
两相流的数学解析模型必须将两相流场固有的不连续 或不均一性处理成连续介质才能建立方程组并进行定解计 算。两相流过程中两相在时间和空 间 上 是 随 机 扩 散 的 ，对 于 这种同时存在着动态的相互作用的 过 程 研 究，完 整 的 解 析 解 目前尚无法导出。为了解决上述的 两 相 流 场 问 题，发 展 了 欧 拉－拉格朗日类模型和欧拉－欧拉 类 模 型，后 者 具 体 包 括 下 列几种模 型［９］：两 流 体 模 型 、滑 移 模 型 、均 相 模 型 。均 相 模 型 没有考虑两相之间的差异，滑移模型 则 对 气 液 两 相 的 相 互 作 用考虑过于简单，还是无法精确描 述 两 相 的 运 动 与 分 布 。 目 前考虑最为周全的模型是两流体模型（ｔｗｏ ｆｌｕｉｄ ｍｏｄｅｌ）。 在 两相流体系统中，气 泡 既 有 沿 轨 道 的 时 均 速 度 的 滑 移，又 有 沿轨道两侧的扩散运动。欧拉－欧拉模型的另一个优点是 可以用统一的方法处理气液两相，数 值 模 拟 结 果 易 于 和 实 测 结 果 对 照 ，便 于 检 验 。 １．２ 气液两相反应器 ＣＦＤ 数值模拟
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研究进展
２０１２ 年 第 ４ 期
动就目前的技术而言是相当困难的。气液两相流的复杂性 可以很容易地从其演变特征上看到。流型图是公认的用于 表示各种流型范围的方法 ，但不同 的 研 究 者［８］往 往 会 得 到 不 同 的 流 型 图 ，这 种 流 动 本 身 的 复 杂 性 则 是 根 本 原 因 所 在 。
模拟方法不断 的 优 化，湍 流 模 型 不 断 的 改 进，离 散 格 式 的逐步修正，使的 模 拟 结 果 渐 渐 与 实 际 情 况 保 持 高 度 一 致， 在比较短的时间内，预测装置性能，并 通 过 改 变 各 种 参 数，达 到最佳设计和操作效果。这是 今 后 气 液 两 相 反 应 器 ＣＦＤ 数 值模拟工作努力的方向。
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ
２１０００９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１０００９，Ｃｈｉｎａ）
２ 自 吸 式 反 应 器 功 率 消 耗 的 研 究
自吸式反应器的功率消耗是自吸式转子在运转过程中 的实际功率，自吸式反应器吸入气体 的 前 提 是 转 子 要 在 比 较 高的转速 下 转 动，而 能 耗 又 比 传 统 气 液 反 应 器 低 。 功 率 消 耗、气含率在自吸 式 反 应 器 内 密 切 相 关，气 体 的 吸 入 是 影 响 功率 消 耗 的 重 要 因 素 ，转 子 的 设 计、反 应 器 的 直 径、液 面 高 度、反应器中的流 体 黏 度、转 子 距 反 应 器 底 部 的 空 隙 度 等 因 素 对 功 率 消 耗 有 较 大 影 响 。 ［１７］
气液两相流是工业生产中的一种 常 见 现 象，普 遍 存 在 于 化 工 、生 化 、冶 金 、能 源 、石 油 、环 境 等 技 术 领 域 中 。 ［１－３］ 气 液 反应器内涉及气液 两 相 体 系，其 内 部 的 混 合、传 质 和 传 热 等 过 程 极 其 复 杂［４］。 传 统 的 气 － 液 反 应 器 采 用 置 于 搅 拌 桨 之 下的各种静态子分布 装 置 （例 如 分 气 环 或 多 孔 烧 结 板 等 ）来 实现气体分散和导入，需要气体输 送 机 械。 自 吸 式 反 应 器 是 依靠特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置自行吸 入外界气体［５］，并同时实现反应器内 气 液 混 合 传 质 的 反 应 装 置。自吸式反应器特别适合于高压 或 反 应 气 体 有 毒 、有 腐 蚀 性的情况［６］，具有 能 耗 低、传 质 系 数 高、混 合 性 能 好 、成 倍 提 高 反 应 速 率 等 综 合 优 势 ，在 工 业 生 产 中 的 地 位 越 来 越 重 要 。
速率、转子的设 计 参 数，操 作 变 量 等 形 成 关 系 式。 这 些 大 多
数为经验模型。
功率消耗模型是 Ａｒｂｉｔｅｒ［１９］提出来的 。模型 做 了 两 个 假
设：气液分散体的 密 度 为 气 体 和 液 体 的 加 权 平 均 值；根 据 离
心泵的经验关系式，液 气 比 与 气 流 量 密 切 相 关，其 关 系 式 也
气含率与功率的消耗在自吸式生化反应器中是密切相 关的。当转子的 转 速 大 于 临 界 转 速 后，气 体 被 吸 入 转 子，气
作 者 简 介 ：温 佳 文 （１９８８－ ），男 ，南 京 工 业 大 学 在 读 硕 士 研 究 生 。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｎｊｉａｗｅｎ１９８８＠１２６．ｃｏｍ
收 稿 日 期 ：２０１２－０２－１５
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功率消耗的研究最初是为了浮 选 机 械 的 放 大 。Ｊａｆａｒｉ［１８］
试 图找到功率消耗与无因次量 Ｒｅ，Ｆｒ 等的关系式。该研究比 较了气体自 吸 式 反 应 器 与 传 统 的 机 械 搅 拌 反 应 器 ，根 据 经
验，将反应器在有气体存在和无气体 存 在 下 的 能 耗 比 与 气 流
适 用 于 气 体 自 吸 式 转 子 。 基 于 两 个 假 设 ，提 出 了 下 列 模 型 ：
ＰＧ／ＰＬ １－ＰＧ／ＰＬ
＝ ρＧ ρＬ
（α（１／ＮＱＧ
）ｎ
＋β）
式中：
（１）
ＰＧ ——— 吸气时功率消耗，Ｗ； ＰＬ ——— 不吸气时功率消耗，Ｗ；
最早使用 ＣＦＤ 进行气液两相反应器的模拟可追 溯 到 ２０ 世 纪 ７０年 代 末 。早 期 的 模 拟 非 ［１０］ 常 简 单 ，随 着 计 算 机 技 术 的发展，模拟研究 技 术 的 成 熟，模 拟 研 究 方 法 取 得 了 巨 大 的 进步。
从空间上看，数值模拟方法由早 期 的 二 维 空 间 发 展 为 三 维空间数值模拟。气液两相反应器的三维结构的模拟是由 Ｍｉｄｄｌｅｔｏｎ等 提 ［１１］ 出的，后来 得 到 逐 步 改 进 和 完 善 ，主 要 有： 搅拌 桨 叶 边 界 条 件 法［１２］、内 外 迭 代 法［１３］、滑 移 网 格 法［１４］、多 重 参 考 系 法［１５］、快 速 照 相 法 。 ［１６］
体吸入之后会造成气泡形成。气含率是影响反应器传质性 能 的 一 个 关 键 参 数 ，决 定 了 反 应 器 的 流 体 力 学 性 质［７］，对 反 应器的设计和放大有着关键的作用。
计算流体力学（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）是 从 新的角度来分析反应器性能参数，通 过 求 解 连 续 性 方 程 以 及 湍流运动方程等，可 以 得 到 反 应 器 流 场 的 运 动 细 节：任 一 时 间点流场内的压力 分 布、速 度 分 布、体 积 相 含 率 以 及 湍 流 动 能及其耗散速率等。ＣＦＤ 的数值模拟，能使人们从微 观 角 度 更加深刻地理解自吸式反应器内气 液 两 相 流 动 的 机 理 ，为 设 计提供指导，既节省试验所需的人力、物 力 和 时 间，又 对 试 验 结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。
多重参考系法是生化反应器模拟 中 比 较 常 见 的 方 法 ，将 流体区域分为两个 区 域，外 部 区 域 处 于 固 定 的 参 考 系 中，内 部区域则处于旋转参考系中，两个 区 域 同 时 进 行 计 算。 自 吸 式反应器是一种较特殊的气液两相 反 应 器，宜 采
宋晓丽１，２
张庆文１，２
洪厚胜１，２
ＷＥＮ Ｊｉａ－ｗｅｎ１，２ ＳＨＩ Ｄｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ１，２ ＳＯＮＧ Ｘｉａｏ－ｌｉ１，２ ＺＨＡＮＧ Ｑｉｎｇ－ｗｅｎ１，２ ＨＯＮＧ Ｈｏｕ－ｓｈｅｎｇ１，２
（１．南京工业大学生物与制药工程学院，江苏 南京 ２１０００９；２．材料化学工程国家重点实验室，江苏 南京 ２１０００９）
气含率的测定方法比较多有体积法24又被称为床层膨胀法重量法25主要是压差法被分为正压差法和倒置u型压差法电化学法26有电阻法电导探头法电阻抗法光学法27有激光法射线法光纤探针法照相法四大类目前常用较普遍的静压差法测定自吸式反应器的整体气含率
第 ２８ 卷 第 ４ 期 ２ ０ １ ２ 年 ７ 月
ＯＯＤ ＆ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ 食品与机械
两相流场中任一点、面或一个部 分 的 平 均 流 动 特 性 是 由 这些相和相交接面 特 性 所 决 定 的，即 使 在 定 常 流 动 下，某 点 的当地特性也是变动的，不同的相 和 交 界 面 交 替 出 现。 某 一 局部点上，质点微 团 仅 在 非 常 短 的 时 间 间 隔 内，其 流 体 动 力 特性是不变 的 和 均 一 的，即 局 部 瞬 时 特 性，简 称 局 瞬 特 性。 局瞬特性遵循的规律是两相流动数学模型的基础。气液两 相流动是化工过程 中 常 见 的 流 动 工 况，在 气 液 两 相 流 中，相 界面的变形、破碎、再 融 合 以 及 相 界 面 上 的 传 热 传 质 过 程 都 会使整个流动过程异常复杂，定义一 种 严 格 意 义 上 的 稳 态 流
Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．４ Ｊｕｌ ．２ ０ １ ２
１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－５７８８．２０１２．０４．０６５
自吸式反应器功率消耗与气含率的研究进展
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｇａｓ ｈｏｌｄｕｐ ｉｎ ｓｅｌｆ－ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ