反应器动力学模拟分析

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流体的分类(按流体的物理性质)
（1）牛顿流体和非牛顿流体 ） （2）粘性流体和理想流体 ） （3）可压缩流体和不可压缩流体 ）
流体的粘滞性是指，流体在运动状态下抵抗剪切变形能力。 流体的粘滞性是指，流体在运动状态下抵抗剪切变形能力。流体 的剪切变形是指流体质点之间出现相对运动。 的剪切变形是指流体质点之间出现相对运动。因此流体的粘滞性是指 抵抗流体质点之间的相对运动能力。 抵抗流体质点之间的相对运动能力。 粘性流体抵抗剪切变形的能力， 粘性流体抵抗剪切变形的能力，可通过流层间的剪切力表现出来 （这个剪切力称为内摩擦力）。粘性流体在流动过程中必然要克服内 这个剪切力称为内摩擦力）。粘性流体在流动过程中必然要克服内 ）。 摩擦力做功，因此流体粘滞性是流体发生机械能损失的根源。 摩擦力做功，因此流体粘滞性是流体发生机械能损失的根源。
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桨式搅拌器
结构最简单叶片用扁钢制成，焊接或 结构最简单叶片用扁钢制成，
特点
用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2 用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2、3 或4 片，叶片形式可分为平直叶式和 折叶式两种。 折叶式两种。 主要用于流体的循环， 主要用于流体的循环，由于在同样
应用
排量下， 排量下，折叶式比平直叶式的功耗 少，操作费用低，故轴流桨叶使 操作费用低， 用较多。 用较多。
H＝C
甘油和水的混合液，可变混合比例
层流
加大流速或 减小粘性时
湍流
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管中层流与湍流的对比
层流 Re<210 0 抛物线分布
对数分布 湍流 Re>400 0 流态从层流到湍流的过渡称为转捩。 流态从层流到湍流的过渡称为转捩 转捩。 实验表明流态的转捩不是单单取决于某一个流动参数V 实验表明流态的转捩不是单单取决于某一个流动参数 , 而是取决于无量纲的相似组合参数雷诺数，记为Re 相似组合参数雷诺数 等，而是取决于无量纲的相似组合参数雷诺数，记为 ： ρVd Re = 其中：ρ为密度，V是特征速度，d是管径，是动力粘性系数
幂律方程
对于非牛顿流体的流变学行为符合幂定律公式： τ=Кγn 或者 η=Кγn-1 τ表示剪切应力，η表示液体的表观粘度（Pas）； 表示流态特性指 表示剪切应力， 表示液体的表观粘度 表示液体的表观粘度（ ）；n表示流态特性指 表示剪切应力 ）； 无量纲，其值的大小表征了该流体偏离牛顿流体的程度。 数，无量纲，其值的大小表征了该流体偏离牛顿流体的程度。对假塑 性流体： ＜ ；对于膨胀性流体： ＞ ；对于牛顿流体： ＝ 性流体：n＜1；对于膨胀性流体：n＞1；对于牛顿流体：n＝1 ；k表 表 示稠度系数，数值与液体的稠度和浓度有关， 示稠度系数，数值与液体的稠度和浓度有关，其值也可以用来表示液 体性能； 表示剪切速率 表示剪切速率（ 体性能；γ表示剪切速率（s-1）。 对公式两边取对数，则有： 对公式两边取对数，则有：lnη=lnk +(n-1)lnγ 因此对于不同浓度的酶解液，挑选合适的转子测其不同转速下的粘度， 因此对于不同浓度的酶解液，挑选合适的转子测其不同转速下的粘度， 然后带入上式，作lnη～lnNi图，分别求出n值和 值。 然后带入上式， ～ 图 分别求出 值和k值 值和 对于非牛顿流体的剪切速率公式为： 对于非牛顿流体的剪切速率公式为：γ=k Ni 其中γ表示剪切速率 表示剪切速率（ ）；k表示 表示BROOKFIELD VISCOMETER某 其中 表示剪切速率（s-1）； 表示 某 一转子在某种液体中的剪切速率计算常数； 表示某一转子下的转速 表示某一转子下的转速。 一转子在某种液体中的剪切速率计算常数；Ni表示某一转子下的转速。
实验发现，随着雷诺数增加而呈现的不同流态 层流或湍流 实验发现，随着雷诺数增加而呈现的不同流态(层流或湍流 流态 层流或湍流) 对于流动的摩擦阻力、流动损失、速度分布等影响很大。 对于流动的摩擦阻力、流动损失、速度分布等影响很大。 雷诺数的物理意义： 雷诺数的物理意义： 8 雷诺数代表作用在流体微团上的惯性力与粘性力之比。 雷诺数代表作用在流体微团上的惯性力与粘性力之比。
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螺带与螺杆搅拌器
螺带搅拌器特点是搅拌转速低，揽拌强 螺带搅拌器 度不大，对液体的作用温和，搅拌物料 破损少；液体具有很好的轴向循环流动 性能，罐内液体从上到下能高度翻动。 这种轴向流叶轮对于粘度极高的液体 (1000P.s)也可得到良好的搅拌效果，特 别适合假塑性液体和宾汉液体的混合操 作。 液体流型。当搅拌轴旋转时，螺带迫使 液体流型 液体以螺旋形轨迹沿题壁向上运动，然 后再在容器中央沿轴向下流动，形成良 好的循环流功状态。 螺秆搅拌器以使液体螺旋下降(或上升)为主， 螺秆搅拌器 加上导流筒后与螺杆搅拌器组合成垂直浸没 式螺旋输送器，形成筒内外的上下循环流， 使搅拌爆内液体从顶到底造成主体循环，实 现混合。
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涡轮式搅拌器
涡轮式搅拌器，能有效地完成几 涡轮式搅拌器，
特点
乎所有的搅拌操作， 乎所有的搅拌操作，并能处理粘 度范围很广的流体。 度范围很广的流体。
它有较大的剪切力， 它有较大的剪切力，可使流体
应用
微团分散得很细， 微团分散得很细，适用于低粘 度到中等粘度流体的混合。 度到中等粘度流体的混合。
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夹套传热及其结构
在釜体外侧， 在釜体外侧，以焊接或法兰连接的形式装
夹套传热
设各种外套，并与釜体表面形成密闭空间， 设各种外套，并与釜体表面形成密闭空间， 依靠夹套内流过蒸汽或冷却水， 依靠夹套内流过蒸汽或冷却水，来加热或 冷却釜内物料。 冷却釜内物料。
蛇形管传热
当传热面积较大，可用蛇管传热， 当传热面积较大，可用蛇管传热， 其浸在物料中，热量损失小、 其浸在物料中，热量损失小、传 热效果好，同时可减小漩涡， 热效果好，同时可减小漩涡，强 化搅拌程度
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Leabharlann Baidu
锚式搅拌器
特点
结构简单。 结构简单。 适用于粘度在100Pa s 适用于粘度在100Pas以 100Pa 下的流体搅拌， 下的流体搅拌，当流体 粘度在10～100Pa s 粘度在10～100Pas时， 10 可在锚式桨中间加一横
应用
桨叶，即为框式搅拌器， 桨叶，即为框式搅拌器， 以增加容器中部的混合。 以增加容器中部的混合。
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流体的粘性及其对流动的影响
流体的粘性与流体的粘性剪应力区别 流体的粘性是指流体抵抗剪切变形的能力， 流体的粘性是指流体抵抗剪切变形的能力，用流体的物性参数μ即动力 粘性系数代表这种能力的大小。 粘性系数代表这种能力的大小。 流体的粘性剪应力只有当流体质点之间出现相对运动时才会体现出来。 流体的粘性剪应力只有当流体质点之间出现相对运动时才会体现出来。 ），但其中不存在剪切应 例：静止容器中的甘油具有较大粘性（ 较大），但其中不存在剪切应 静止容器中的甘油具有较大粘性（ 较大）， 空气粘性较小（ 较小）但相对运动时也可能具有较大的剪切应力； 力；空气粘性较小（ 较小）但相对运动时也可能具有较大的剪切应力； 理想流体既不具有粘性（ ），运动时也不会体现出剪切应力 理想流体既不具有粘性（ =0），运动时也不会体现出剪切应力。 ），运动时也不会体现出剪切应力。
τ = A + B
du dy
n
τ
1
1 2 3 4
流体切应力与速度梯度的一般关系为： 流体切应力与速度梯度的一般关系为：
1 . τ =τ0+ du/dy，binghan流体，泥浆、血浆、牙膏等 流体， 流体 泥浆、血浆、 2 . τ = （du/dy）0.5 ，伪塑性流体，尼龙、橡胶、油漆等 伪塑性流体，尼龙、橡胶、 3 . τ = du/dy ，牛顿流体，水、空气、汽油、酒精等 牛顿流体， 空气、汽油、 4 . τ = (du/dy)2，胀塑性流体，生面团、浓淀粉糊等 胀塑性流体，生面团、 5 . τ＝0， ＝0，理想流体，无粘流体。 理想流体，无粘流体。 4
ν
6.31 = 7.31°E－ ×106 m 2 /s °E
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雷诺实验、层流与湍流
雷诺 （Osborne Reynolds，1842~1921，英国工程师 ， ， 兼物理学家，维多利亚大学（曼彻斯特）教授） 兼物理学家，维多利亚大学（曼彻斯特）教授）最早 详细研究了管道中粘性流体的流动状态及其影响因素。 详细研究了管道中粘性流体的流动状态及其影响因素。
酶解反应器计算流体力学研究
报告人： 报告人：林增祥
组会
内容
流体动力学简介 搅拌设备简介
CFD模拟简介 模拟简介 实验数据测量
酶解反应器动力学模拟
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流体力学的研究任务和研究方法
主要任务：
研究流体在静止和运动过程中所遵循的基本规律以及流体与 流体、流体与固体之间在静止和运动时相互之间作用力的计算。 基本原理 质量守恒定律，能量守恒定律，牛顿运动定律，热力学定律 研究方法： 研究方法： 理论分析 根据工程实际中流动现象的特点，建立流体运动 的方程及边界条件，运用数学工具准确地或近似地求出方程 的解。 实验研究 根据模化理论对所研究的流动进行模拟，通过观 察和测量，获得所需结果，可直接解决工程中复杂的问题， 并能发现新的流动现象。 数值计算 将流体力学方程和边界条件采用适当的方法离散 化，然后选取适当的计算方法，用计算机求解。
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推进式搅 拌器
特点
搅拌时流体的湍流程度不高， 搅拌时流体的湍流程度不高，循 环量大，结构简单，制造方便。 环量大，结构简单， 粘度低、流量大的场合， 粘度低、流量大的场合，用较小的 搅拌功率，能获得较好的搅拌效果。 搅拌功率，能获得较好的搅拌效果。
应用
主要用于液－液系混合、 主要用于液－液系混合、使温度均 在低浓度固－ 匀,在低浓度固－液系中防止淤泥 在低浓度固 沉降等。 沉降等。
=0
du dy
牛顿内摩擦力定律
du F∝A dy
dy
y
u0
u + du
u
h
y
du F = A dy
0
液体粘性示意图
x
A — 接触面积，m2 接触面积， F — 内摩擦力，N 内摩擦力， du/dy — 垂直于流动方向的速度梯度，1/s du/ 垂直于流动方向的速度梯度， — 动力粘度，Pa.s 动力粘度，Pa.
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酶解反应器的形式及特征
酶反应器的类型：根据几何形状和结构来分类，可分为罐型、管型、膜或片 型几种。按进料和出料的方式可分为分批式、半分批式与连续反应器。按其 功能结构可分为膜反应器、液—固反应器及气—液—固三相反应器三大类。
反应器 形式名称 操作方式 操作方式 特 征
搅拌罐式反 分批、半分批 反应器内的溶液用搅拌器机械混合 应器 游离酶 采用如透析膜、超滤膜、中空纤维等，只允许低分子化合物而酶不能通 分批、半分批、 超滤膜式 连续 过的膜反应器，适用于大分子底物 搅 拌 罐 式 反 分批、半分批、 用搅拌器搅拌，同定化酶或固定化微生物粒子悬浮在溶液中，粒子保留 应器 连续 在槽内 最广泛使用固定化酶及固定化微生物反应器，把固定化酶或固定化微生 固定床(填充 连续 物粒子(粒径10m至若干毫米)填充在塔内，底物溶液一般是由下向上通 固 定 化 床) 人 酶 流化床反应 靠溶液的流动动促使固定化酶或固定化微生物的粒子在床内激烈搅动、 分批、连续 器 混合 鼓泡塔式反 将固定化酶或者固定化微生物颗粒悬浮在鼓泡塔中，粒子保留塔内，适 分批、半分批 应器 用于有气体[特别是O2)参与的反应
表示粘性的大小，一般用粘度来度量。常用的粘度主要有三种，即 表示粘性的大小，一般用粘度来度量。常用的粘度主要有三种， 粘度来度量 1.动力粘度（绝对粘度） ，（单位： ，（单位 1.动力粘度（绝对粘度），（单位：Ns/m2=Pa.s=1000cp） 动力粘度 ） 2.运动粘度v=/ ，（单位 运动粘度v= 单位： 2.运动粘度v= ρ，（单位：m2/s ） 3.相对粘度 恩氏粘度） 相对粘度（ 恩氏粘度与运动粘度间有下列关系： 3.相对粘度（恩氏粘度）°E；恩氏粘度与运动粘度间有下列关系：
桨式、推进式、涡轮式和锚式搅拌器在搅拌反应设备中应用最为广泛， 据统计约占搅拌器总数的75～80％。
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搅拌反应釜结构图
1-搅拌器 2-罐体 3-夹套
4-搅拌轴 5-压出管 6-支座 7-人孔 8-轴封
9-传动装置
搅拌模式反应器又有分批式和半分批式之 分。 分批式是先将酶和底物一次装入反应器， 在适当温度下开始反应，反应达一定时问 后，将全部反应物取出。 半分批式是将底物缓慢地加入反应器中进 行反应，到一定时间后，将全部反应物取 出。当反应出现底物抑制时，需采用半分 批式操作。此类反应器不能进行酶的回收 使用，一般在反应结束后通过加热或其他 方法，使酶变性除去。反应器结构简单， 不需特殊设备，适于小规模生产。