搅拌式反应器的模拟与优化设计
酯化反应器内搅拌器的优化设计
关 键 词 ：循环 流 量 功率准 数
搅拌器
酯化反 应器
中 图 分 类 号 ： Ｑ３ ０ ５ Ｔ ２ ．
文 献 识 别 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１ ０ — ０ １ ２ ０ ） ４０ １ － ４ ０ １０ ４ （ ０ ２ ０ — ０ ６０
聚 酯 生 产 中 的 酯 化 反 应 是 吸 热 反 应 ， 反 应 在
收 稿 日期 ； ０ １ １ — ７ ２ ０ — ２ １ ；修 订 日 期 ： ０ ２ ０ — １ ２ ０ — ３２ 。
作者 简介 ： 肖建 军 （ ９ ２ ） 男 ， 蒙 古 赤 峰 市 人 ， 士 。 １７一 ， 内 硕
维普资讯
第 ４期
肖建 军 等 ． 化 反 应 器 内 搅 拌 器 的 优 化 设 计 酯
向流 动 ， 此 一 般 将 其 置 于 导 流 筒 下沿 外 端 ， 因 以增
大 导 流 筒 出 口处 的径 向流 动 从 而 加 大 反 应 器 内 的
循环流量 。
传 热 、 质 。 用 合 适 的 搅 拌 器 是 提 高 聚 酯 产 品 的 传 使
质 量 和 产 率 的关 键 因 素 之 一 ｌ 。 ＿ ２ ］ 笔 者 以 冷 模 试 验 为 基 础 ， 循 环 流 量 为 着 眼 以 点 ， 工 业 用 酯 化搅 拌 器 进 行 深 入 的 研 究 ， 对 测试 了 酯 化 搅 拌 器 的 流 量 准 数 和 功 率 准 数 ， 根 据 工 艺 并 要 求 设 计 了 新 的 搅 拌 桨 叶 型 式 ， 得 了 较 好 的 效 取
肖建 军 包 雨 云 黄 雄 斌 施 力 田 杜 秋 杰 。
（ ．北 京 化 工 大 学 化 学 工 程 学 院 ，北 京 １ ０ ２ ； ．仪 征 化 纤 股 份 有 限 公 司 ，江 苏 仪 征 ２ １ ０ ） １ ００ ９ ２ １ ９ ０
搅拌生物反应器混合特性的数值模拟与实验研究
2005 年 4 月 The Chinese Journal of Process Engineering Apr. 2005收稿日期：2004−07−29，修回日期：2004−09−27作者简介：洪厚胜(1965−)，男，江西省鄱阳市人，博士，副教授，主要从事生化工程及生化反应器的研究.搅拌生物反应器混合特性的数值模拟与实验研究 洪厚胜， 张庆文， 万红贵， 欧阳平凯 (南京工业大学制药与生命科学学院，江苏 南京 210009)摘 要：以工程流体计算软件CFX −4.4为工具，对不同规模的机械搅拌生物反应器的混合特性进行数值模拟，研究了不同操作条件下反应器混合时间的变化规律. 采用pH 电极在位监测[H +]的方法实验测定混合时间. 模拟结果与实验测定值之间的误差随反应器容积增大而逐渐减小，对容积为25 m 3的反应器误差小于11.6%. 关键词：搅拌生物反应器；混合时间；计算流体力学；数值模拟中图分类号：TQ018 文献标识码：A 文章编号：1009−606X(2005)02−0131−04１ 前 言 尽管目前已开发出许多新型的生物反应器，但机械搅拌式生物反应器因其搅拌桨结构的多样性、混合与传质方面的高弹性而具有通用性强、操作范围宽等特点，在食品发酵、生物制药等生物技术行业中的应用仍占统治地位，而且这种趋势在近期不会改变[1]. 反应器的混合时间是衡量其混合传质性能的重要指标，主要受反应器的结构与操作条件的影响[2]，对反应器的设计放大及操作优化具有重要的参考价值.传统的混合时间测量方法主要有脱色法[3]、光学法[4]及电导法[5,6]等，这些测量方法都存在着一定的局限性，应用于大型生物反应器混合传质研究往往成本高、精度低、操作困难. 本工作用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics ，简称CFD)技术对0.05, 1.0, 25.0 m 3三种规模的机械搅拌式生物反应器的混合行为进行数值模拟，研究在不同操作条件下混合时间的变化规律，并将模拟结果与实测结果进行比较，验证CFD 模拟技术用于机械搅拌生物反应器混合性能研究的可行性，以期为工程应用建立基础.２ 实 验 ２．１ 实验设备 实验设备是常用的机械搅拌式通风发酵罐，又称标准罐，如图1所示，主要由椭圆封头、挡板、标准六平叶圆盘涡轮搅拌桨(Rushton 型)构成. 挡板与器壁间空隙取反应器内径的1%，具体尺寸见表1.位点A 及B 分别为测定混合时间时的加料点和监测点，加料点A 高度在上搅拌桨的上边缘位置，监测点B 高度约在下两个搅拌桨高度的中点处，两位点均在相邻两挡板之间的中点且离器壁0.1 m 左右处. 反应器内图1 机械搅拌生物反应器几何结构示意图Fig.1 Sketch of stirred biochemical reactor 表１ 实验设备主要尺寸 Table 1 Main dimensions of experimental apparatus料液装填系数为78%. ２．２ 混合时间测量方法 实验在25℃下进行，用HCl 溶液作为酸性示踪剂，在加料点A 处瞬间注入，同时通过安装在监测点B 处的pH 电极和与之相联的计算机记录液体pH 值的变化，从Tank dataTank 1 Tank 2 Tank 3 Liquid volume, V (m ) 0.05 1.0 25.0 Liquid height, H L (m) 0.5 1.42 4.0 Tank diameter, D T (m) 0.3 0.8 2.4 Number of baffles, N B 3 4 4 Number of impellers, N I 2 3 3 Baffle width, W (m) 0.03 0.06 0.24 Baffle depth, H B (m) 0.425 1.3 4.03 Impeller diameter, D I (m)0.125 0.28 0.75 Space between impellers, S I (m) 0.25 0.56 1.4 Bottom-impeller elevation, S B (m)0.025−0.165而反映液体中[H +]浓度的变化. 典型的[H +]变化过程如图2所示[7]. 一般混合过程中示踪剂浓度变化曲线的振幅随时间指数递减，而其频率与时间无关，混合时间可以从曲线上读出. 混合时间t m 是指示踪剂注入反应器至达到一定混匀程度的时间. 混匀程度的定义为0.5100%C Cm C ∝∝−∆=×. 通常认为m 达到95%时，流体即混合均匀，此时的混合时间常用t 95来表示.３ ＣＦＤ数值模拟 ３．１ 基本原理 3.1.1 基本数学模型在工业生产常用的操作条件下，生物反应器内液体湍流运动可由时均方程组来描述，其流动守恒方程组由张量表示的通用形式描述如下：()()()k k k kv S t x x x φφφρφρφΓ∂∂∂∂+=+∂∂∂∂, 式中，φ表示质量组分、速度、压力、湍流动能、湍流耗散等变量，S φ为源项，Γφ为湍流扩散，在计算示踪剂浓度场时，Γφ=ρD φ+µT /σφ, D φ为示踪剂分子扩散系数，µT 为湍流动力粘度，其值取于速度场湍流k −ε双方程模型，σφ为湍流Prandtl 数. 3.1.2 混合时间模拟生物反应器中物料在混合过程中的浓度分布随时间变化的非稳态过程通常有两种数值计算方法，一种是联立所有方程进行求解，另一种是假设速度场稳定，单独进行流场计算. 本研究的混合时间计算采用后一种方法. 具体模拟分两步进行：第一步，用单物质模型计算稳态流场，模拟的单物质是水；第二步，在上述稳态流场的基础上引入双物质模型(如水和示踪剂)进行非稳态计算. 在加料点设置初始示踪剂的注入量，在计算过程中求解监测点示踪剂的浓度变化，当混匀程度达到95%时，即认为达到了完全混合. 这段时间就称为搅拌反应器的混合时间，记为t 95. ３．２ 数值计算 3.2.1 几何模型的构建及网格划分对于带有六平叶圆盘涡轮桨及挡板的搅拌生物反应器，由于其结构的对称性，故可以用通过轴心的垂直截面将其分成对称的若干部分. 如1.0 m 3机械搅拌发酵罐就可以对称地分成两部分，只对其中一部分进行几何体构建及网格划分. 机械搅拌生物反应器中搅拌桨与挡板之间相对移动的动界面可采用滑移网格法处理. 这种方法将计算区域分为两部分，如图3所示，一部分包含了运动的搅拌桨叶，另一部分包含反应器的其他静止部分，两部分网格之间要求彼此独立，两者之间的物质、动量传递通过定义接触边界面的粘联来实现.网格划分采用在正交圆柱坐标下的结构化网格，同时采用分块网格技术，在反应器中心部位网格线较密、外围较疏，这也是由流动的特点决定的. 这样可以减少假扩散，对解的收敛和求解速度都十分有利. 其对应的3种反应器(0.05, 1.0, 25.0 m 3)几何体划分的网格总数分别为158268, 215712和246996，网格的划分对求解已经达到了无关性标准. 1.0 m 3反应器具体网格空间划分见图3所示.设定流体在反应器壁处的流动速度为0，即无滑移边界条件；假定流体表面与大气无摩擦，在反应器的液体表面采用所谓的自由滑移边界条件；在轮轴处采用无移动及轴对称设定. 3.2.3 数值求解整个方程组的求解通过流体工程软件CFX −4.4完(a)(b)第2期 洪厚胜等：搅拌生物反应器混合特性的数值模拟与实验研究 133 成，通过有限体积法将微分方程组离散成差分代数方程组后，各变量差分方程用沿主流方向逐线扫描的低松弛迭代求解. 压力−速度耦合求解采用SIMPLEC 算法.４ 结果与讨论 对于大多数生化反应，物料的混匀效果和混合速率决定着反应效率和生产成本，对生物反应器的混合特性的研究具有现实意义. 在搅拌生物反应器中，物料的混合作用主要由主体流动、湍流及分子扩散这3种机理的协同作用引起. 图4所示是0.05 m 3反应器在230 r/min 的搅拌转速下不同时刻示踪剂浓度值的分布. 从图中可以很直观地观察到示踪剂的混合过程. 图5为不同体积搅拌生物反应器的混合时间模拟结果与实验结果的比较. 从图中可以看出，模拟结果在趋势上与实验结果有很好的一致性，随着搅拌转速的提高，反应器混合时间逐渐变小. 从图也清楚地看出数值模拟得到的搅拌混合时间均比实验验证值要大，产生此误差的原因有很多，主要是由采用的计算方法所引起的. 因为这种方法计算首先要假设流场稳定，而实际搅拌反应器内流场并不是稳定不变的，而是呈无规则变化的非稳态过程，但流场的不稳定可以促进传质的进行，从而使混合时间减小. 就这一点来看，本研究的模拟结果与Schmalzriedt 等[8]、Bujalski 等[9]所描述的情况基本一致. 混合时间的模拟与实验结果的误差比较见表2.图5 混合时间的模拟与实验结果比较Fig.5 Comparison between simulative and experimental mixing timest =20 s10020030040020406080100120140t 95 (s )R (r/min)6080100120140160100110120130140150160170R (r/min)14016018020022024040455055606570758085R (r/min)134 过 程 工 程 学 报 第5卷表２ 混合时间的模拟与实验误差比较 Table 2 Comparison of deviations between simulative and experimental mixing timesTank 1 Tank 2 Tank 3 .50 230 400 150170 190 210 230 70 90 110 130 150 Simulation value (s) 137.5 27.9 18.0 81.9 72.2 64.6 57.2 51.1 167.4 151.1 135.3 118.3 105.0 Experiment value (s) 104.0 17.0 11.0 73.0 60.0 53.0 49.0 43.0 165.0 140.0 129.0 106.0 102.0 Deviation (%)32.264.1 63.612.220.321.916.7 18.8 1.5 7.94.911.6 2.9分析比较图5和表2所给数据还可以得知，它们的误差分别在64.1%, 21.9%及11.6%以下. 随着搅拌生物反应器容积的增大，数值模拟与实验结果之间的误差逐渐变小，模拟的可靠性逐渐增大. 对容积为25 m 3的工业规模的生物反应器，模拟与验证之间的误差值小于11.6%，完全符合当前数值模拟的工程应用要求. 产生这种现象可能是小反应器中流场的无规则周期性振荡更甚，偏离本研究数值计算的第一步流场稳定的假设条件更远所致.５ 结 论 以流体工程软件CFX −4.4为工具，对不同规模的机械搅拌生物反应器的混合特性进行了数值模拟，建立了最大容积为25 m 3的工业规模冷模实验装置和混合时间测定方法，并对模拟结果进行了验证. 研究结果表明，本工作建立的数学模型及采用的算法是可行的；CFD 技术可用于机械搅拌式生物反应器混合传质的基础研究和反应器的优化设计及工程放大的应用研究.符号表：S L两搅拌桨间距 (m)W挡板宽度 (m)t 时间 (s) x k 坐标位置 (m) t m 混合时间 (s) ρ 流体密度 (kg/m 3)t 95 混匀程度95%的混合时间 (s) ∆C信号波峰值波动范围 (mol/L) v 流体质点的速度 (m/s) µT 湍流动力粘度 [kg/(m ⋅s)] V反应器体积 (m 3)σφ湍流Prandtl 数参考文献：[1] 赵学明. 搅拌生物反应器的结构模型、放大及搅拌器改型 [J]. 化学反应工程与工艺, 1996, 12(1): 80−90.[2] 韦朝海，谢波，吴超飞，等. 三重环流生物流化床反应器的混合特性 [J]. 化学反应工程与工艺, 1999, 15(2): 174−178.[3] 武斌，戴干策. 搅拌槽内粘稠物系的混合过程 [J]. 高校化学工程学报, 1997, 11(2): 143−149.[4] 林猛流，王英琛，施力田. 激光法测定搅拌器的混合特性 [J]. 化学工程, 1986, 14(3): 52−56.[5] Nienow A W. On Impeller Circulation and Mixing Effectiveness inthe Turbulent Flow Regime [J]. Chem. Eng. Sci., 1997, 52(15): 2557−2565.[6] Manna L. Comparison between Physical and Chemical Methods forthe Measurement of Mixing Times [J]. Chem. Eng. J., 1997, 67(3): 167−173.[7] 戚以政，汪叔雄. 生化反应动力学与反应器，第二版 [M]. 北京：化学工业出版社, 1999. 391−392.[8] Schmalzriedt S, Reuss M. Application of Computational FluidDynamics to Simulations of Mixing and Biotechnical Conversion Processes in Stirred T ank Bioreactors [J]. Recents Progres en Genie des Procedes, 1997, 11(51): 171−178.[9] Bujalski W, Jaworski Z, Nienow A W. CFD Study of Homogenizationwith Dual Rushton Turbines Comparison with Experimental Results: Part II: The Multiple Reference Frame [J]. Chem. Eng. Res. Des., 2002, 80(A1): 97−104.Numerical Simulation and Experimental Study on Mixing Characteristics of Stirred BioreactorHONG Hou-sheng, ZHANG Qing-wen, WAN Hong-gui, OUYANG Ping-kai(College of Pharmacy and Life Science, Nanjing University of Technology, Nanjing, Jiangsu 210009, China )Abstract: By commercial CFD package CFX-4.4, mixing characteristics of stirred bioreactor were simulated and the mixing time variation under various operation conditions was investigated. The liquid mixing time was measured by means of detecting the concentration variety of [H +] with a pH probe. The deviation between simulation and experiment becomes smaller as the bioreactor volume is increased, and the error for 25 m 3 bioreactor is less than 11.6%.Key words: stirred bioreactor; mixing time; computational fluid dynamics; numerical simulationC ∝ 理想完全混匀浓度 (mol/L) m混匀程度 D I 搅拌桨直径 (m) N B 挡板个数 D T 反应器内径 (m) N L 搅拌桨个数 H B 挡板深度 (m) R 搅拌转速 (r/min)H L液位高度 (m)S B下搅拌桨距筒体底间距 (m)。
理想混合连续搅拌釜式反应器(CSTR)
理想混合状态
物料在反应器内达到完全混合，不存在浓度和温度 的梯度分布。
反应器内各点的物料性质（如浓度、温度等）完全 相同，且随时间保持不变。
在理想混合状态下，反应器的性能达到最优，反应 效率和产物质量得到保证。
03
CSTR反应器的数学模型
物料平衡方程
进入反应器的物料流量与离开 反应器的物料流量相等，即输 入等于输出。
用于连续加入反应物和排出产物，实现连续化生产 。
工作流程
01
02
03
04
物料进入
反应物通过进料口连续加入反 应器内。
充分混合
在搅拌装置的作用下，物料在 反应器内充分混合，达到浓度 和温度的均匀分布。
反应进行
在适宜的反应条件下，物料在 反应器内进行化学反应。
产物排出
反应完成后，产物通过出料口 连续排出反应器。
100%
平均停留时间
表示物料在反应器内的平均停留 时间，影响反应器的生产能力和 产品质量。
80%
停留时间分布曲线
通过实验测定，可直观反映反应 器内物料的停留时间分布情况。
转化率与选择性
转化率
表示原料在反应器内转化为产 品的程度，是衡量反应器性能 的重要指标。
选择性
表示在给定转化率下，生成目 标产物的能力，反映反应器的 选择性能。
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缺点与挑战
能耗较高
连续搅拌过程需要消耗大量能量，导致CSTR反应器的能耗相对较 高。
设备复杂度高
CSTR反应器结构复杂，涉及搅拌、传热、传质等多个过程，设备 设计、制造和维护难度较大。
放大效应
在将实验室规模的CSTR反应器放大至工业生产规模时，可能会遇到 放大效应问题，影响反应器的性能和产物质量。
化学反应器的设计及工艺优化
化学反应器的设计及工艺优化化学反应器是生产化学品和药品的重要装置，其设计和工艺优化对生产效率和质量具有重要影响。
本文将以某化工企业制备二氯化钛为例，探讨化学反应器的设计及工艺优化。
一、反应器设计1.1 物料选择在选择反应器物料时，应考虑其耐腐蚀性、导热性以及承受压力等因素。
针对本工艺，应选择耐腐蚀性好的材料，如不锈钢、陶瓷等。
1.2 容积计算容积是反应器设计中的一个重要参数，它决定了反应器的生产能力和成本效益。
在计算反应器容积时，需要考虑反应物的摩尔质量、反应的摩尔比、反应速率以及反应温度等因素，并根据化学平衡常数计算出反应物的理论输出量，最终得到反应器所需容积。
1.3 设计压力和温度反应器设计中还需考虑到设计压力和温度等参数。
工艺要求反应温度为150℃，反应压力为1.5 Mpa。
因此，反应器应根据这些参数来选择合适的设计参数。
二、工艺优化2.1 温度控制对于反应温度的控制，应根据反应的特性来确定加热方式、加热时间和加热速率等参数。
针对本工艺，可以采用内外循环水浴加热的方式来控制反应温度。
同时，可以利用反应器配备的温度控制装置和反应监测装置来实时监测反应温度，确保反应的稳定和可控。
2.2 搅拌控制搅拌是反应过程中的另一个关键参数，它直接影响到反应物的混合和传质。
在设计反应器搅拌时，需要考虑到反应物的黏度、流动性以及反应的速率等因素，以确保搅拌强度适宜。
对于本工艺，可以采用高速搅拌器来保证反应物的混合均匀。
2.3 底部排料底部排料也是反应器设计的一个重要环节，它直接影响到反应物的排出和产品收集的效率。
在设计反应器底部排料时，需要考虑到反应物的黏度、密度、流动性等因素，以确保排料顺畅。
针对本工艺，可以采用在反应器底部安装套筒的方式来实现底部排料。
2.4 生产效率优化除了反应器本身的优化，还需考虑到整个生产线的优化。
比如，在改进产品收集方式、优化原材料贮存方式、改善运输和储存条件等方面，都可以带来生产效率的提升和质量的保障。
反应器放大设计课件
反应器放大设计
12
常用的几何相似放大准则
着眼的过程
放大过程中需保持恒等的量（准则）
1. 均一系混合速度
(Qd/V)0.33 Pv0.16(与N0.81d0.32等效)
2. 分散相混合速度
Pv0.5~1.1
3. 对应的流速一定
Nd
4. 同一液滴直径
N3d2(与Pv等效)
➢ 取不同的放大准则可使过程能耗相差很大，必须予以重视。
➢ 保持Qd／V 恒定（即翻转次数恒定）的放大法是最耗能的放大法。
而保持Re恒定，一般不能重现过程结果。
➢ 实用的放大法是保持Pv恒定或Nd恒定，或取二者之间。
反应器放大设计
16
反应器传热能力变化(湍流)
槽径 放大 倍数
3 5 10 r
N3d2恒定
5. 使液滴分散的最小转速 N d1.1
6. 相际传质速度
N3 d2
7. 固液悬浮
Nd或N4 d3
8. 溶解速度
(Qd/V)0.24 Pv0.11或N3 d2
反应器放大设计
13
问题的提出：
• 反应器选型与设计强烈依赖经验和实 验，对其的优劣很难用理论预测。
• 逐级放大来以达到搅拌设备被要求的 传质、传热和混合，周期长、耗费大。
• 对釜的长径比、桨径/槽径比、叶片宽/槽径 比、叶片截面形状对NP、NC的影响，以及夹 套和内冷管的传热作了系统的研究。
反应器放大设计
29
混合参数的冷模研究
叶片截面 d/D
板截面 0.5
园角矩形 0.5
椭园
0.5
扁园
0.5
三叶后掠式叶轮的特性参数
b/D
生物反应器内搅拌器的优化设计
０ 引 言
搅 拌效 果好 、 能耗 小 是搅 拌设 备 追 求 的 目标 ． 如何 准确 地得 到搅 拌罐 内 的 流场 、 用 何 种 型 式 选
２） ］
．
图 ２ Ａ３ ５搅 拌 器 ｌ
Ｆｉ ２ Ａ ３１ ｕ ｂｎｅ ａ ｉａ ｏ ｇ． ｔ ｒ ｉ ｇ ｔ ｔ ｒ ５
由于现代 发 酵 罐 的规 模 不 断 扩 大 ， 靠 单 层 光 桨 叶或 桨 叶 型 式 已 经 不 能 满 足 工业 生 产 的 需 要 ，
舒 安 庆 ， ： 物 反 应 器 内搅 拌 器 的 优 化 设 计 等 生
器 往往难 以处 于最 佳 工 作 状 态 ． 如 选 用 的 电机 例
ＭＲ Ｆ方法 是基 于稳 态 流 场 的计 算 方法 ， 它是 采 用旋 转 坐标 系 和静 止坐 标 系两 个参 考 系分别 进 行计 算 ， 由于 两个 参考 系没有 重 叠 的 区域 ， 故不 需 要 进行 内外迭 代 ， 而 减 少 了计 算成 本 ． 从 因此本 文 选 用 ＭＲ Ｆ方法进 行模 拟 ， 计算 区域 分 为两个 区 将
３ 中国通用机械 工程 总公 司， ． 北京 １ ０ ５ ；。 ０ ０ ０ ４ 湖南 智河化 工技 术设 备 有限公 司， 湖南 岳 阳 ４ ４ ０ ） １ ０ ０
摘 要 ： 述 了生 物 搅 拌 器 的 桨 叶 型 式 ， 用 计 算 流 体 力 学 软 件 对 发 酵罐 内 的流 场 进 行 了数 值 模 拟 ． 对 某 抗 简 利 针
搅拌式反应器的模拟与优化设计
搅拌式反应器的模拟与优化设计摘要在综述了计算流体力学(CFD)技术在搅拌式反应器中的研究进展的基础上，着重讨论了搅拌式反应器中流场的模拟方法, 包括“黑箱”模型法、内外迭代法、多重参考系法和滑移网格法, 并指出了CFD技术的发展方向。
在此基础上, 对反应器内流场的数学模型进行了介绍与评价。
最后提出应用人工神经网络技术与遗传算法, 优化生物反应的工艺操作条件, 并结合CFD技术, 实现生物反应器的结构优化, 从而达到对生物反应系统整体优化的目的, 以指导实验与工业生产。
关键词计算流体力学，搅拌式反应器，数值模拟，人工神经网络，优化设计Simulation and optimization design ofStirred reactorAbstract：Base on the overview of computational fluid dynamics (CFD) technology in the stirred reactor research,we focused on the mixing reactor simulation of the flow field, including "black box" model of law, internal and external iteration, multiple reference frame method and the sliding mesh method, and pointed out the direction of development of CFD technology. On these basis,we described and evaluated the reactor flow mathematical model.We concludes with the application of artificial neural network and genetic algorithm to optimize the process operating conditions, biological response, and results combined CFD technology to achieve optimization of the structure of the bioreactor, so as to achieve overall optimization of the bioreactor system aims to guide experiments and industrial production.Keyword: computational fluid dynamics, stirred reactor, numerical simulation, artificial neural networks, optimization第1章前言搅拌式反应器( Stirred Tank Reactor, STR)因其结构灵活、操作方式多样等特点, 广泛应用于生物化工、冶金、食品、医药及环境等领域。
侧进式搅拌反应器内流场的数值模拟
侧进 式搅 拌反 应器 内流场 的数 值模 拟
张 林 进 ， 陈 功 国 ， 叶 旭 初
（ 京工 业 大学材 料科 学与 工程 学 院 材料 化 学 工程 国家重 点 实验 室。 江 苏 南京 ２０ ０ ） 南 １０ ９
摘要：采用 汁靠流体力学 （ Ｆ Ｃ Ｄ）技术对某钢铁』 烟气脱硫吸收塔底部浆液池的侧进式搅 拌流场进行 了数 【 ’ 模拟，
１几何模型和模拟方法
１ ． 何模型 Ｉ几
几何模 型是 按照某钢铁厂 烟气脱硫吸 收塔底 部浆液池 的实 际尺 寸建立 的，浆液池及搅拌 桨结构如 图 １
所 示 。浆液池底 部为平 底 ，直径 Ｉ ８ ｍ，液位高度为 ５ ｍ，在距 离底面 ｌ ５ｍ 的平 面上周 向分布 ５台侧进 式 － ２
搅 拌器 ，其 中 １ ５ 搅 拌器 的周 向分布角为 ９ 。 与 拌 ０ ，其余相邻搅拌 器之间 的周 向分布角均为 ６ ． 。循环浆 ７。 ５
液 进 几位于 ｌ 与 ５ 搅 拌器之 间，中心高度为 １ ≠ ｝ ｝ ｝ ． ｍ，浆液 出几位于 ２ 搅 拌器附近 ，中心高度为 Ｏ５ ０ ≠ ｝ ． ｍ，在 ２
．
迅速 增 加 ， 当转 速 人于 等 ＿ ２ ／ ｎ州 ，该处 速 率接 近 或 达到 ・ｒ 上 速 率 的最 人 位 ，有 利 避 免 ｌ心 区底 部 的 ：１０ ｒ ｍｉ Ｉ 心线 Ｊ ｌ Ｉ 固相 沉 积 。随着 芹偏 加度 的增 人 ，－心 漩 涡 区域 外 扩 ，ｔ心 线 上底 部 的速 牢 有 所 减 小 ．而 相 邻 桨 叶之 问 下 部 的速 率 Ｉ 一 Ｉ 一 略有 增 ＿ 。下偏 角 度 的增 大 ，使得 卡邻 桨 Ⅱ之 下部 的速 率 略 有减 小 ，而 过 大的 下 偏 角度 使 得搅 拌 桨 丰作 用 无法 『 Ｊ Ｉ Ｊ Ｈ １ 直 接 作用 到 支撑 村 内部 ， 导致 ・Ｉ 上 底 部的 速 减 小 。 『 线 ． 年
生物反应器的混合特性与优化
生物反应器的混合特性与优化在生物工程和生物技术领域，生物反应器是至关重要的设备，其性能直接影响着生物过程的效率和产物质量。
其中，混合特性是生物反应器的一个关键参数，对细胞生长、代谢产物生成以及反应过程的稳定性都有着深远的影响。
因此，深入研究生物反应器的混合特性并进行优化具有重要的意义。
生物反应器中的混合主要包括物料的混合和热量的传递。
物料混合的均匀程度决定了反应物在反应体系中的分布，进而影响反应的速率和选择性。
如果混合不均匀，局部可能会出现反应物浓度过高或过低的情况，导致副反应的发生或者反应效率的降低。
热量传递的效果则关系到反应体系温度的均匀性，温度的波动可能会影响酶的活性、细胞的生理状态甚至导致细胞死亡。
在实际应用中，不同类型的生物反应器具有不同的混合特性。
搅拌式生物反应器通过搅拌桨的旋转来实现混合，其混合效果受到搅拌桨的类型、转速、安装位置等因素的影响。
气升式生物反应器则利用气体的上升和循环来促进混合，气体流速和分布器的设计对混合性能起着关键作用。
此外，还有流化床式生物反应器等，它们各自具有独特的混合特点和适用范围。
为了准确描述生物反应器的混合特性，研究人员采用了多种方法和指标。
其中，停留时间分布（RTD）是一种常用的方法。
通过向反应器中注入示踪剂，并监测其在体系中的浓度变化，可以得到停留时间分布曲线，从而分析混合的程度和特征。
混合时间也是一个重要的指标，它表示达到一定混合程度所需的时间。
另外，功率消耗和传热系数等参数也能从不同角度反映生物反应器的混合性能。
了解了生物反应器的混合特性，接下来就是如何对其进行优化。
优化的目标通常是提高混合效率、降低能耗、增强反应的稳定性和产物质量。
在搅拌式生物反应器中，可以通过优化搅拌桨的设计来实现。
例如，采用新型的搅拌桨结构，如多层桨叶、倾斜桨叶等，能够改善流场分布，提高混合效果。
调整搅拌桨的转速也是一种常见的方法，但需要注意的是，转速过高可能会导致剪切力过大，对细胞造成损伤。
ASPENPLUS反应器的模拟与优化课件
REquil — 模型参数
REquil 模块有四组模型参数：
1、模型设定 (Specifications)
2、化学反应 (Reactions)
3、收敛
(Convergence)
4、液沫夹带 (Entrainment)
19
模型设定包含操作条件设定和有效相态设定：
1、操作条件 (Operation Conditions) (1) 压力； (2) 温度/蒸汽分率/热负荷
若在示例中的原料气中加入25 kmol/hr 的氮气，并考虑氮与氢结合生 成氨的副反应，求反应器出口物流中 CH4和NH3的质量分率。如果氮为惰性 组份，结果有什么变化？
42
Gibbs反应器的评价
▪ 优点：
n 可避免写出化学计量方程的必要性（只 需要规定可能的产物）
n 容易构造多相和同时存在相平衡的计算 问题
C O H 2 O C2O H 2
原料气中甲烷与水蒸汽的摩尔比为14，流 量为100 kmol/hr。若反应在恒压及等温条件下 进行，系统总压为0.1013 MPa，温度为750 ℃， 当反应器出口处达到平衡时，CO2和H2的产量
是多少？反应热负荷是多少？与Requil 的结果
进行比较。
41
深入讨论：
ASPENPLUS反应器的模 拟与优化
目录
n 生成能力类反应器
化学计量反应器 (RStoic) 产率反应器 (RYield)
n 平衡类反应器
平衡反应器 (REquil) 吉布斯反应器 (RGibbs)
n 动力学类反应器
全混流反应器 (RCSTR) 平推流反应器 (RPlug) 间歇式反应器 (Rbatch)
28
RGibbs —— 模型设定
搅拌釜反应器的流场模拟与优化设计研究
搅拌釜反应器的流场模拟与优化设计研究第一章：引言搅拌釜反应器是化工、制药、食品等工业领域中常用的设备，也是实现反应过程的关键设备之一。
其主要功能是通过搅拌设备在反应过程中将反应液混合均匀，达到理想的反应速率。
在搅拌釜反应器设计中，流场模拟是一种重要的工具，可以通过流动分析和数值计算等方法优化设计，使其反应过程更加高效、安全、稳定，具有重要的工程意义。
本文将从理论原理、模拟方法、优化设计、结尾呈现原创的研究结果等角度入手，阐述搅拌釜反应器的流场模拟与优化设计研究。
第二章：理论原理搅拌釜反应器的流场研究是以流体力学为基础的。
在搅拌釜反应器内壁上产生了大量的涡流、流动、湍流、涡漩等现象。
其中，湍流是指流体的非线性、非定常流动，通常伴随着涡旋和流体的弹性变形。
流体湍流的产生和发展与流体速度、密度、粘度等流体本身因素、壁面粗糙度、角度、湍流度等壁面因素都与密切相关。
第三章：模拟方法针对搅拌釜反应器的流体力学数学表达式，可以采用CFD（计算流体力学）方法进行模拟计算。
CFD方法是一种基于数值分析方法的流体力学计算，通过将物理模型转化为数学模型，对流体流动、传热传质、化学反应以及质量传递等过程进行数值模拟计算。
CFD方法具有计算精准、节约资源、提高效率等优势，被广泛应用于流体力学研究领域。
在进行搅拌釜反应器流场模拟时，需要采用适当的模型进行建模，并根据实际情况选择合适的计算方法和求解策略，对物理模型进行数值模拟。
第四章：优化设计搅拌釜反应器的优化设计是指通过模拟计算结果，运用CFD 方法进行分析、优化和设计，以达到改进设备性能的目的。
在进行优化设计时，应结合实际情况，从减小阻力、降低能耗、提高混合质量、优化流量场、改进搅拌器等方面入手，对搅拌釜反应器进行整体设计和改进。
第五章：结论本文探究了搅拌釜反应器流场模拟与优化设计的研究，并通过CFD方法进行模拟计算和优化设计。
通过对模拟结果的分析，得出了搅拌釜反应器的混合效果、流场形态、涡流特性、湍流度等性能参数，并进行了合理优化设计，提高了设备的效率和性能。
化学工程学中的反应器设计与优化
化学工程学中的反应器设计与优化反应器是化学工程学中至关重要的设备，用于进行化学反应以转化原料为所需产品。
合理的反应器设计与优化能够显著提高反应效率、降低能耗、优化产物选择以及改进产品质量。
在本文中，我将向大家介绍一些常见的反应器设计原则和优化方法，以及它们在化学工程中的应用。
1. 反应器设计原则在进行反应器设计之前，首先需要明确反应的特性以及实验结果。
以下是一些反应器设计的基本原则：1.1 反应动力学：了解反应速率、反应转化率以及副产物生成情况，以便选择合适的反应机制和工艺。
1.2 热平衡：确保反应温度在合适的范围内，避免副反应的产生或催化剂失活。
1.3 高选择性：通过选择合适的反应条件和控制反应物的浓度，提高目标产物的选择性。
1.4 良好的传质与传热性能：保证反应物和热量在反应器中的传递有效，并减少质量传递的限制。
2. 反应器类型及应用根据反应物的性质和反应条件的不同，化学工程中常见的反应器类型包括：2.1 批量反应器：适用于小规模反应或需要对反应物进行处理的情况。
2.2 连续流动反应器：适用于大规模生产或连续反应过程的情况，具有较高的反应效率。
2.3 固定床反应器：适用于气体相反应和吸附过程，常见于催化剂反应。
2.4 搅拌槽反应器：适用于液态反应，可通过搅拌来提高传质和传热性能。
3. 反应器的优化方法为了提高反应器效率并降低生产成本，反应器的优化成为研究重点。
以下是一些常见的反应器优化方法：3.1 流程模拟与优化：通过建立反应动力学模型和流程模拟软件，优化反应物的流程和条件，以达到最佳操作参数。
3.2 催化剂的选择和改进：通过催化剂的优化选择或制备新的催化剂，提高反应选择性和活性。
3.3 反应体积的优化：优化反应器的尺寸和体积，以提高反应效率并降低能耗。
3.4 传热与传质性能的改进：改善反应器的传热和传质性能，提高反应速率和选择性。
3.5 投料方式的优化：选择合适的投料方式，确保反应物的均匀分布和充分混合。
流体力学在搅拌器设计中的应用
流体力学在搅拌器设计中的应用搅拌器是一种常见的设备，广泛应用于化工、制药、食品等各个领域。
它通过机械运动将液体、气体或固体颗粒混合均匀，实现反应物质的剪切、混合、分散和传质等过程。
在搅拌器设计中，流体力学是一门重要的学科，通过对流体流动的研究，可以优化搅拌器的结构和性能，提高搅拌效果。
一、流体流动特性分析为了更好地理解流体在搅拌器中的行为，我们需要对流体流动的特性进行分析。
流体的流动可以分为层流和湍流两种状态。
层流是指流体在搅拌器中的流动呈现层层叠加的状态，流速相对较低，流动路径规则，流体粘度对流动的影响较大。
湍流则是指流体在搅拌器中的流动呈现无规则的旋转、变向运动，流速较高，流体粘度对流动的影响较小。
此外，流体在搅拌器中的流动还受到物料的性质、搅拌器的工作条件以及搅拌器结构等因素的影响。
例如，流体的黏稠度和密度会影响流体的流动速度和分布；搅拌器的转速和叶片形状会影响搅拌器所产生的剪切力和破碎力；搅拌器的容器形状和尺寸会影响流体的流向和流速分布。
二、流体力学模拟与优化设计为了更好地设计和改进搅拌器，流体力学模拟成为一种重要的方法。
通过数值模拟软件，可以对搅拌器内的流体流动进行仿真计算，得到流速、流动路径、剪切力等参数的分布情况。
通过对这些参数的分析，可以进一步优化搅拌器的结构，提高搅拌效果。
在流体力学模拟中，通常采用拉格朗日方法或欧拉方法进行计算。
拉格朗日方法以流体中的微小质点为计算对象，通过追踪这些质点在流体中的运动来推导流场的变化。
欧拉方法则以固定的网格节点为计算对象，通过计算流体在每个节点上的性质来推导流场的变化。
这两种方法各有优劣，可以根据实际情况选择合适的方法进行模拟分析。
通过流体力学模拟，在搅拌器设计中可以进行参数优化。
例如，可以通过改变搅拌器的尺寸、叶片形状、转速等参数，来寻找最优的搅拌效果。
同时，还可以通过改变搅拌器容器的形状和尺寸，来调整流体的流动路径，提高混合效果。
通过不断的模拟与优化，可以设计出更加高效、能耗更低的搅拌器。
搅拌釜式反应器计算流体力学模拟的开题报告
搅拌釜式反应器计算流体力学模拟的开题报告题目：搅拌釜式反应器计算流体力学模拟一、研究背景及意义搅拌釜式反应器是一种常见的化学反应器，广泛应用于化工、制药、食品等领域。
为了提高反应器的效率及产品质量，需要对反应器内部的流动状况进行深入研究。
计算流体力学模拟是一种有效的研究反应器内部流动的方法。
通过模拟反应器内流体的运动及物质传递过程，可以获取反应器内部的流场信息，从而优化反应器的设计，提高反应器的生产效率及产品质量。
本研究旨在通过计算流体力学模拟，探究搅拌釜式反应器内部流动的特性，并寻求优化反应器设计的方案，为化工、制药、食品等领域的反应器设计与优化提供理论支持。
二、研究内容及方法（一）研究内容1. 建立搅拌釜式反应器的计算流体力学模型；2. 模拟反应器内的流动及物质传递过程；3. 分析反应器内部的流场特性，如速度场、压力场、浓度场等；4. 优化反应器的设计参数，如搅拌速度、搅拌器形状、反应器尺寸等；5. 验证模拟结果的可靠性。
（二）研究方法1. 使用计算流体力学软件建立搅拌釜式反应器的模型；2. 进行数值模拟获取反应器内部的流场信息；3. 结合实验数据对模拟结果进行验证；4. 通过模拟数据进行反应器的优化设计。
三、预期成果1. 建立搅拌釜式反应器的计算流体力学模型，并模拟反应器内部流动；2. 分析模拟结果，探究反应器内部的流场特性；3. 提出优化反应器设计的方案；4. 以论文的形式呈现研究结果。
四、进度安排1. 研究文献的收集与阅读（2周）；2. 建立搅拌釜式反应器的计算流体力学模型（4周）；3. 模拟反应器内的流动及物质传递过程，并验证模拟结果（6周）；4. 分析反应器内部的流场特性，并提出优化反应器设计的方案（4周）；5. 撰写论文及完善研究成果（4周）。
五、参考文献1. Wu, C., Wei, G., & Yu, L. (2016). Hydrodynamics and mixing performance in a stirred tank with surface-mounted baffles: A CFD study. Chemical engineering science, 150, 134-149.2. Yang, D., Wang, D., Zhang, G., & Sun, Z. (2014). A computational fluid dynamics simulation of solid-liquid mixing in a stirred tank with the Rushton impeller. Chemical engineering science, 115, 200-209.3. 李明煜, 赵琳琳, 赵明佳, & 刘衡. (2017). 旋转放颗砂搅拌釜内流场数值模拟. 液态物理, 32(1), 24-29.4. 史盼如, 王淑娴, 杨春花, & 杜路源. (2019). 多段平板叶轮搅拌釜内颗粒输运及混合性能的数值模拟. 化学工程, 47(3), 293-300.。
聚合氯化铝反应器设计与搅拌技术优化
聚合氯化铝反应器设计与搅拌技术优化在水处理领域，聚合氯化铝广泛用于混凝剂。
为了提高聚合氯化铝反应器的效率和混凝过程的稳定性，设计一个合理的反应器结构以及优化搅拌技术尤为重要。
本文将探讨聚合氯化铝反应器的设计原则和搅拌技术的优化方法。
一、聚合氯化铝反应器的设计原则聚合氯化铝反应器的设计应考虑以下几个方面：反应器尺寸、反应器的稳定性、受力分析、温度控制以及成本效益等。
1. 反应器尺寸反应器尺寸应根据处理水量和聚合氯化铝的需求量来确定。
常见的反应器类型包括批处理反应器和连续流动反应器。
在设计反应器尺寸时，需要充分考虑反应器内的液体流动和反应物质的混合程度。
2. 反应器的稳定性反应过程中的稳定性对于聚合氯化铝的质量和反应器的寿命有着重要影响。
反应器应具备良好的进料均匀性和出料稳定性，避免可能出现的混凝剂浓度变化过大的问题。
3. 受力分析在聚合氯化铝反应器的设计过程中，需要进行受力分析，以确保反应器结构的稳定性和可靠性。
受力分析包括反应器内外压力、温差引起的热应力以及搅拌器引起的力等。
4. 温度控制聚合氯化铝反应器中的温度控制是保证反应效果和反应器稳定运行的重要因素。
通过适当设置加热装置和温度传感器，实现温度的自动控制可以提高聚合氯化铝的质量。
5. 成本效益在设计聚合氯化铝反应器时，要考虑到成本效益。
反应器的造价、运行维护费用以及能耗都应在可接受范围内，并且要与预期的水处理成本相匹配。
二、搅拌技术的优化方法搅拌是聚合氯化铝反应过程中的重要环节，它直接影响反应剂的混合均匀性和反应效果。
以下是几种常用的搅拌技术优化方法。
1. 选用合适的搅拌设备选择合适的搅拌设备是优化搅拌技术的关键。
在聚合氯化铝反应器中，常用的搅拌设备有机械搅拌器、气体搅拌器和流体搅拌器等。
根据反应器的规模和反应物质的特性，选择适合的搅拌设备以保证反应物的均匀混合。
2. 控制搅拌速度和时间搅拌速度和时间对聚合氯化铝反应的质量和效率有重要影响。
搅拌式生物反应器的模拟、优化设计与放大研究的开题报告
搅拌式生物反应器的模拟、优化设计与放大研究的开题报告一、研究背景及意义：生物技术已成为当今世界生产和资源利用的重要手段，其中搅拌式生物反应器作为一种最常见的生物反应器具有着广泛的应用。
搅拌式生物反应器主要用于微生物发酵、细胞培养、生物酶制备等领域，具有混合效果好、气液传质高、生物体积浓度均匀、操作方便等特点。
对于搅拌式生物反应器的设计及操作控制，其直接影响反应器的发酵效率、产品产量、产品质量等重要参数。
因此，针对搅拌式生物反应器的模拟、优化设计与放大研究具有重要意义，有助于提高生产效率和产品质量，为生物工程领域的发展做出贡献。
二、研究内容：1.搅拌式生物反应器的运行原理和特点进行分析，并对其进行数学模型建立和仿真分析，验证模型的正确性。
2.针对不同类型的微生物、不同反应物质进行搅拌式生物反应器的优化设计，研究不同操作参数对反应器的影响，如搅拌速度、通气量、温度、pH等，确定最佳的反应条件。
3.根据优化结果，进行实验放大验证。
针对实验结果进行数据处理、分析和模型修正，完善模型的可靠性。
4.探究搅拌式生物反应器的动力学特征，建立控制模型，开发新型反应控制策略，实现反应器的自动控制。
三、研究方法：1.理论分析方法：对搅拌式生物反应器的原理、反应机制和影响因素进行理论分析，建立数学模型，并对模型进行仿真分析和验证，为实验设计提供基础。
2.实验研究方法：针对理论分析得到的结果展开实验研究，通过对反应器不同条件下的反应物的投入、产物的收集等实验操作，获得反应的具体数据，为模型修正和控制策略的制定提供数据支撑。
3.数值模拟方法：根据实验数据修正反应器的数学模型，进行数值模拟，获得反应器的运行状态和控制结果，为实验研究与理论分析提供支持。
四、研究进展：在搅拌式生物反应器研究方面取得了一定进展，已建立数学模型和仿真模拟方法，同时开展了一系列实验研究，对反应器运行参数及控制策略进行了探索。
但是，在数学模型的修正方面还存在难点问题，同时搅拌式生物反应器的动力学特征等方面的深入探索还有待发挥。
化学反应工程中的反应器设计与优化
化学反应工程中的反应器设计与优化一、引言化学反应工程是化学工程领域中的重要分支，涉及到化学反应的设计、优化和操作。
在化学反应过程中，反应器的设计和优化起着至关重要的作用。
本文将重点讨论化学反应工程中的反应器设计与优化的相关内容。
二、反应器的选择与分类1. 反应器的选择不同的化学反应需要不同类型的反应器来实现。
根据反应系统的特点，可以选择批式反应器、连续流动反应器或循环反应器等。
批式反应器适用于小批量生产或试验规模；连续流动反应器适用于大规模生产和连续加料；循环反应器适用于反应速率较慢的反应。
2. 反应器的分类根据反应器内部流动状态的不同，可以将反应器分为混合反应器和非混合反应器。
混合反应器是指在反应器内部有较好的流动混合，以提高反应效率；非混合反应器则是指反应物在反应器内保持一定程度的分离，以控制反应条件。
三、反应器设计的关键参数1. 反应器体积反应器体积是指反应器内部容纳反应物和产物的容积大小。
反应器体积的选择应考虑到反应速率、产物生成速度以及反应物的浓度等因素。
较大的反应器体积可以提高反应的收率和产量，但也会增加反应器的投资和运行成本。
2. 反应温度和压力反应温度和压力是决定化学反应速率和平衡态的重要因素。
通过调整反应温度和压力，可以达到反应速率的最大化和产物选择性的优化。
在设计反应器时，需要考虑到反应物的热稳定性、高温高压条件下的反应速率、产物的热稳定性等因素。
3. 反应物浓度反应物浓度是化学反应中最常用的操作变量之一。
较高的反应物浓度可以提高反应速率和反应选择性，但也会增加混合和传质的难度。
在反应器设计中，需要平衡反应速率、反应热、传质速率等因素，选择合适的反应物浓度。
四、反应器设计的优化方法1. 传热优化传热是化学反应工程中的重要环节之一。
通过优化反应器的传热方式和传热介质，可以提高反应器的传热效率和反应速率。
常用的传热优化方法有改变传热方式、增加传热面积和提高传热介质的流速等。
2. 混合优化混合是混合反应器中的重要过程，影响着反应物的接触和反应速率。
化学工程中的反应器设计和优化方法
化学工程中的反应器设计和优化方法化学工程是一门研究化学过程的学科，其目的是将原料转化为有用的产品。
在化学工程中，反应器是一个至关重要的设备，用于控制和促进化学反应的进行。
反应器的设计和优化是化学工程师必须面对的重要任务之一。
本文将介绍一些常见的反应器设计和优化方法。
一、反应器设计反应器设计是指根据反应物的性质和反应条件，确定反应器的类型、尺寸和操作参数，以实现预期的反应效果。
常见的反应器类型包括批式反应器、连续流动反应器和混合流动反应器。
1. 批式反应器批式反应器是最简单的反应器类型，适用于小规模生产和实验室研究。
在批式反应器中，反应物一次性加入反应器中，反应发生后，产物一次性取出。
批式反应器的优点是操作简单，适用于多种反应类型。
但由于反应物只能一次性加入，反应时间较长，产能较低。
2. 连续流动反应器连续流动反应器是一种持续不断地将反应物输入反应器，产物输出的反应器。
连续流动反应器可以分为管式反应器和搅拌槽反应器。
管式反应器是将反应物通过管道连续输入反应器，产物通过管道连续输出。
搅拌槽反应器是将反应物连续输入搅拌槽中，产物连续输出。
连续流动反应器的优点是反应时间短，产能高。
但操作较复杂，对反应物的控制要求较高。
3. 混合流动反应器混合流动反应器是将两种或多种反应物分别输入反应器，通过混合后进行反应。
混合流动反应器可以分为完全混合和不完全混合两种类型。
完全混合反应器是指反应物在反应器内充分混合，反应均匀进行。
不完全混合反应器是指反应物在反应器内不完全混合，反应发生在混合界面上。
混合流动反应器的优点是反应均匀，反应速度快。
但由于反应物需要在反应器内混合，设备成本较高。
二、反应器优化反应器优化是指通过改变反应器的结构和操作参数，提高反应器的效率和产能。
反应器优化可以通过以下几个方面进行。
1. 反应器结构优化反应器结构优化是指通过改变反应器的形状和尺寸，提高反应物的混合程度和反应效率。
常见的反应器结构优化方法包括增加搅拌器数量和改变反应器形状。
优化高级氧化技术的反应器设计原理
优化高级氧化技术的反应器设计原理引言：高级氧化技术是一种重要的水处理技术，通过利用氧化剂产生的自由基来降解水中的有机物和污染物。
反应器是高级氧化技术实施过程中的关键设备，其设计原理对反应效果起到至关重要的作用。
本文将探讨优化高级氧化技术的反应器设计原理，以期提高反应效率和降低成本。
一、反应器类型选择在高级氧化技术中，常用的反应器类型包括搅拌式反应器、固定床反应器和流动床反应器等。
不同类型的反应器具有不同的特点和适用范围。
在选择反应器类型时，需考虑反应物质的特性、反应速率以及反应器的尺寸和操作要求等因素，以确保反应器能够更好地满足反应需求。
二、氧化剂的选择与投加方式高级氧化技术中常用的氧化剂包括臭氧、过氧化氢和高价态氧等。
在反应器设计中，需根据反应物质的特性和需求选择合适的氧化剂，并确定其投加方式。
氧化剂的选择和投加方式直接影响反应器的反应效率和运行成本。
三、反应器内部结构设计反应器的内部结构设计对反应效果具有重要影响。
在设计过程中，需考虑传质和传热的效果，以提高反应物质与氧化剂的接触效率。
常见的设计手段包括增加反应器的表面积、采用填料或增加搅拌装置等，以增强物质间的传质和传热效果。
四、反应器的操作参数控制反应器的操作参数对反应效果和经济性具有重要影响。
在实际运行过程中，需根据反应物质的特性和反应速率确定适宜的操作参数，如温度、压力、pH值和氧化剂投加量等。
合理的操作参数控制可以提高反应效率，降低能耗和成本。
五、反应器的尺寸设计反应器的尺寸设计直接影响反应物质的停留时间和反应效果。
在设计过程中，需根据反应物质的特性和反应速率确定合适的反应器体积和尺寸。
过小的反应器尺寸会导致停留时间不足，反应不完全；过大的反应器尺寸则会增加成本和能耗。
因此，合理的反应器尺寸设计是优化高级氧化技术的关键。
结论：通过合理选择反应器类型、氧化剂和投加方式，设计反应器的内部结构和操作参数，以及确定合适的反应器尺寸，可以有效优化高级氧化技术的反应器设计，提高反应效率和降低成本。
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关键词 计算流体力学 搅拌式反应器 数值模拟 人工神经网络 优化设计
0 前言
搅拌式反应器 ( Stirred Tank Reactor, STR )因其 结构灵活、操作方式多样等特点 , 广泛应用于生物 化工、冶金、食品 、医药及环境等领域。搅拌的目 的一般分为液液混合、气泡分散 、颗粒悬浮 、强化 传热以及加速化学反应等 。根据不同的搅拌目的 , 所确定的最佳反应器几何结构和搅拌桨型式也会有 所不同。工业中最常用的带挡板搅拌式反应器 (Baf2 fled Stirred Tank Reactor, BSTR) , 结构如图 1所示。
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搅拌式反应器的模拟与优化设计
式反应器所面临的挑战是液面 、槽壁 、挡板 、搅拌 桨和搅拌轴所围成的流动域是随时间变化的 , 这是 与化工过程中其它反应器的一个差别 。为了解决旋 转的桨叶与静止的挡板之间的相互作用 , 许多研究 者提 出 了 各 自 不 同 的 解 决 方 法 。这 个 过 程 就 是 CFD 技术不断发展完善的过程 。这些方法主要有 : “黑箱 ”模型法 、内外迭代法 、多重参考系法和滑 动网格法等 。 111 “黑箱 ”模型法 ( Impeller Boundary Condition,
图 1 搅拌式反应器结构特征尺寸
尽管搅拌式反应器的结构比较简单 , 但反应器 内的流体流动和混合过程却很复杂 。由于反应器的
1 搅拌式反应器的模拟方法
CFD 技术的每一次发展都可以从模拟搅拌式 反应器的应用中体现出来 。搅拌式反应器内的流场 是非常复杂的 , 从数值模拟的观点来看 , 模拟搅拌
3 863计划资助项目 , 编号 2007AA02Z230。 3 3 银建中 , 男 , 1964年 9月生 , 博士 , 副教授 。大连市 , 116012。
非结构网格在汽车 、航天等领域的应用已经比 较广泛 , 在化工方面尤其是搅拌式反应器方面的应 用还很少 。 1998 年 Naude[ 9 ] 利用 FLU EN T 软件使 用非结构化网格计算了一种轴流式搅拌桨 (LUM PP LB )的三维流场 , 并将计算结果和实验数据进行了 比较 。计 算 采 用 了 多 重 参 考 系 (MRF ) 法 , 由 于 MRF 法是稳态计算 , 计算中考虑了三种不同的桨 叶和挡板的相对位置 , 对三个计算结果取平均值后 再与实验数据进行比较 。 11512 大涡模拟和直接数值模拟
设计和放大主要依靠经验方法 , 设计周期长 、偏差 大等问题带来了巨大的经济损失 。如何准确地描述 和模拟反应器内的混合过程及流动状况 , 为其优化 设计和放大提供理论指导 , 是生物反应器技术研究 的一个重要发展方向 [ 1 ] 。20世纪 70年代以来 , 随 着计 算 流 体 力 学 ( Computational Fluid Dynam ics, CFD )技术的发展 , 利用数值模拟的方法来获得搅 拌式反应器内流动和混合的信息已经成为现实 。该 数值方法是通过建立各种条件下的基本守恒方程 (包括质量 、动量以及能量方程等 ) , 结合初始条 件 、边界条件和数值计算方法 , 实现模拟真实过程 中各种场如流场 、温度场 、浓度场等的分布 , 以达 到对过程的设计 、优化 、控制和放大的目的 。同 时 , 伴随着 P IV 粒子成像测速技术的发展 , P IV 实 验所获得的大量数据 , 为搅拌式反应器内的数值模 拟提供了真实可靠的依据和检验标准 。可以说 , CFD 技术将对生物反应器的开发带来革命性的变 化 [2]。
随着计算机计算能力的不断提高 , 以及在湍流 模型和计算方法等方面的不断改善 , 尤其是大型通 用 CFD 软件的日趋成熟 。 CFD 方法用于研究搅拌 式反应器内的流动显示出强大的生命力 , 越来越多 的研究者开始关注并涉足 CFD 领域 。近年来 , 在 研究搅拌式反应器内的流动方面 , CFD 的最新进
《化工装备技术 》第 30卷 第 4期 2009年
1
搅拌式反应器的模拟与优化设计 3
银建中 3 3 1 程绍杰 1 贾凌云 2 银建伟 3
(1 大连理工大学化工学院化工机械系 2 大连理工大学环境与生命学院生物科学与工程系 3 内蒙古包钢稀土高科技股份有限公司 )
摘 要 综述了计算流体力学 (CFD )技术在搅拌式反应器中的研究进展 。着重讨论了搅拌式 反应器中流场的模拟方法 , 包括 “黑箱 ”模型法 、内外迭代法 、多重参考系法和滑移网格 法 , 并指出了 CFD 技术的发展方向 。在该基础上 , 对反应器内流场的数学模型进行了介绍 与评价 。最后提出应用人工神经网络技术与遗传算法 , 优化生物反应的工艺操作条件 , 并结 合 CFD 技术 , 实现生物反应器的结构优化 , 从而达到对生物反应系统整体优化的目的 , 以 指导实验与工业生产 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
《化装备技术 》第 30卷 第 4期 2009年
3
展主要体现在以下几方面 。 11511 从结构化网格到非结构化网格
计算 , 证明该方法完全可以用于搅拌式反应器流动 场的数值模拟 。但计算时仍然需要试差迭代 , 收敛 速度慢 , 所以未能被商业软件采用 , 在一定程度上 限制了该方法的普及应用 。 113 多重参考系法 (Multi - Reference Frame, MRF)
1994年 Luo[ 5 ]提出了一种稳态流动场的计算方 法 , 它采用两个参考系进行计算 , 桨叶所在区域是 以桨叶速度旋转的参考系 , 其它区域使用静止参考 系 , 用来计算叶轮区以外的流动场 。与内外迭代法 的区别在于多重参考系法划分的两个区域没有重叠 的部分 , 不再需要内外迭代过程 , 两个不同区域内 速度的匹配直接通过在交界面上的转换来实现 , 因 而使计算变得更加简单 。使用这种方法计算了直叶 涡轮 搅 拌 桨 的 三 维 流 动 场 , 计 算 结 果 与 Yian2 neskis[ 6 ]的实验数据吻合较好 。 1997 年 W eetman[ 7 ] 利用该方法计算了 A310搅拌桨的流动场 。作为搅 拌式反应器流动场计算的通用方法 , MRF方法被 添加到了 FLUENT软件中 , 使得该方法得到了普遍 的应用 。 114 滑移网格法 ( Sliding Grid, SG)
对湍流问题最真实的描述是直接求解 N - S方 程 , 即直接数值模拟 (DNS) 。但是受到计算机计算 能力的限制 , 现在还只能计算低雷诺数和简单几何 条件的问题 , 到解决工程实际问题还有距离 。
大涡 模 拟 方 法 最 早 是 由 气 象 学 家 Smagorn2 sky[ 10 ]在 1963 年提出的 , 所研究的问题是全球天 气预报问题 。后来这种方法被应用于解决工程问 题 。大涡模拟的基本思想是包括脉动运动在内的湍 流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度运动和
对搅拌式反应器内多相体系流动场的研究还很 缺乏 , 但在近几年的发展却非常迅速 。Mo rud[ 11 ]计 算了 Rushton涡轮的气液两相流动场 , 并将计算的 气相速度与 LDA 测量结果进行了比较 , 桨叶区径 向速度结果吻合较好 , 轴向速度计算结果偏高 。 Friberg[ 12 ]将 Mo rud 的计算从二维扩展到三维 , 在 三个方向均得到了较好的计算结果 , 而且在计算中 还捕捉到了位于叶轮后方的气穴 。最近 , W u[ 13 ]采 用欧拉 - 拉格朗日法计算了双层涡轮桨搅拌槽内的 气液两相流动 , 其计算结果虽然没有与实验数据进 行定量比较 , 但该方法却是令人鼓舞的 。
近年来人们逐渐重视研究另一类网格 ———非结 构化网格 。非结构化网格的基本思想基于如下假 设 : 四面体是三维空间最简单的形状 , 任何空间区 域都可以被四面体单元所填满 , 即任何空间区域都 可以被以四面体为单元的网格所划分 。由于非结构 网格舍去了结构化网格节点的结构性限制 , 易于控 制网格单元的大小 、形状及网格点的位置 , 因此比 结构化网格具有更大的灵活性 , 对复杂外形的适应 能力非常强 。正因为如此 , 非结构网格技术在 20 世纪 80年代末 、90年代初得到了迅速的发展 。
在 CFD 研究中 , 对几何体进行建模与网格划 分的前处理过程是很重要的 。网格划分将直接影响 到以后的求解计算过程 , 高质量的网格容易收敛 , 从而减少机时 , 提高计算精度 。
随着 CFD 研究的不断深入 , 需要解决的问题 不再局限于简单的几何构型 , 需要对各种复杂的结 构进行研究 。然而要对复杂几何构型进行结构化网 格划分非常困难 , 有时甚至是不可能的 。鉴于此 , 可以采用简化构型的方法使其可以适应结构化网 格 , 这显然不是令人满意的方法 。结构化网格在很 大程度上限制了 CFD 在工业中的应用 。