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 of

Stirred reactor

Abstract：

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。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(Baf-fled Stirred Tank Reactor, BSTR) , 结构如图1所示。

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 Dynamics,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PIV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]。

第2章模拟方法

2.1 搅拌式反应器内CFD的发展趋势

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 的最新进展主要体现在以下几方面。

2.1.1 从结构化网格到非结构化网格

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。

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。

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[3]利用FLUENT软件使用非结构化网格计算了一种轴流式搅拌桨(LUMPPLB)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。

2.1.2 大涡模拟和直接数值模拟

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。