一种自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法
【专利摘要】本发明公开了一种自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法，该方法针对自吸反应器的放大采用理论关系式得到吸气速率的预测模型，再结合自吸反应器的其它性能参数对反应器放大过程中的转子和罐体尺寸等进行约束，同时使用CFD模拟对所放大的反应器的参数进行验证，从而应用于工业放大中。本发明的放大方法包括以下步骤：第一步、根据放大目的对自吸式反应器罐体进行放大，一般使用几何相似的原则放大罐体；第二步、根据吸气速率的预测模型，对自吸式反应器自吸转子进行设计；第三步、构建CFD模拟的三维模型；第四步、预测；第五步、将模拟预测值与计算值进行对比，放大结束；所述的自吸式反应器为50L-100m3的反应器。
【专利说明】一种自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种自吸式反应器的放大方法，更具体地说涉及一种自吸式反应器半 理论与数值模拟相结合的放大方法。
【背景技术】
[0002] 自吸式反应器是不需要气体输送机械而能自行吸入外界气体进行气液接触的一 种反应器，它靠一种经过特殊设计的空心涡轮搅拌器，能够在进行物料混合的同时不断吸 收外界的气体，达到气液反应的目的。自吸式反应器在多相流反应器中占有特别重要的地 位，它尤其适合于高压、有腐蚀性以及反应气体有毒的情况。
[0003] 反应器内的多相流体系是一个复杂的体系，自吸式反应器作为传统的多相流反应 器，其优化和放大长期以来一直是难以解决的难题。在反应器放大过程中，传递过程是反应 器放大的核心问题，它受系统规模的影响最大，传递过程在反应器中主要依赖对流与扩散 两个因素。对生物反应系统的内在规律及影响因素进行研宄，重点解决有关质量传递、动 量传递和热量传递的问题，以便在反应器的放大过程中尽可能保持细胞的生长速率以及 产物的生成速率，这就是生物反应器的放大目的。
[0004] 自吸式反应器的放大重点是研宄其吸气性能与转子、罐体的结构参数等的关系， 这对于反应器放大过程中的流动与传质现象能提供重要的理论指导。比较重要的性质参数 有临界转速与吸气速率，对于这些参数的理论和模拟研宄，在自吸式生物反应器的放大过 程中起到重要作用。
[0005] 吸气速率预测模型是通过气体从入口到叶轮开孔的过程（单相）中，整个气相的 伯努利方程建立起来的。气体吸入的推动力是反应器上方空间的压力与叶轮开孔处局部压 力的压差。气流在吸气管、叶片开孔处由于摩擦等形成抗压降。当压差与气流产生的抗压 降相等时，即可以预测得到吸气速率。
[0006] 目前国内外对搅拌式生物反应器放大的相关研宄较多，然而对于自吸反应器放大 的研宄较少。不同规模的反应器为了确保动力学和体积相似性，适合的缩放比例无量纲常 数应该保持相等，然而由于系统中流动的复杂性，这是很难达到的，因此针对反应器放大新 方法的提出是很有必要的。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是解决上述现有技术中存在的问题与不足，提供一种自吸式反应器 半理论与数值模拟相结合的放大方法，该方法针对自吸反应器的放大采用理论关系式得到 吸气速率的预测模型，再结合自吸反应器的其它性能参数对反应器放大过程中的转子和罐 体尺寸等进行约束，同时使用CFD模拟对所放大的反应器的参数进行验证，从而应用于工 业放大中。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0009] 本发明的自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法，其包括以下步骤：
[0010] 第一步、根据放大目的对自吸式反应器罐体进行放大，一般使用几何相似的原则 放大罐体；
[0011] 第二步、根据吸气速率的预测模型，对自吸式反应器自吸转子进行设计；
[0012] 第三步、构建CFD模拟的三维模型：
[0013] 分别构建流体力学的基本控制方程、相间作用力模型、湍流封闭模型；
[0014] 第四步、预测
[0015] 将第一步、第二步设计的反应器参数输入到第三步构建的方程和模型中，进行求 解，得出自吸反应器的在不同转速下的吸气速率预测值；
[0016] 第五步、将模拟预测值与计算值进行对比，放大结束；
[0017] 所述的自吸式反应器为50L-100m3的反应器。
[0018] 本发明的自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法，其进一步的技术方 案是所述的吸气速率的预测模型构建如下：
[0019] 采用Abbot and Von Doenhoff定义的压力系数Cp，它是无因次的常数，在自吸反 应器吸气模型中转子开孔处表不为：
【权利要求】
1. 一种自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法，其特征在于包括以下步 骤： 第一步、根据放大目的对自吸式反应器罐体进行放大，一般使用几何相似的原则放大 罐体； 第二步、根据吸气速率的预测模型，对自吸式反应器自吸转子进行设计； 第三步、构建CFD模拟的三维模型： 分别构建流体力学的基本控制方程、相间作用力模型、湍流封闭模型； 第四步、预测 将第一步、第二步设计的反应器参数输入到第三步构建的方程和模型中，进行求解，得 出自吸反应器的在不同转速下的吸气速率预测值； 第五步、将模拟预测值与计算值进行对比，放大结束； 所述的自吸式反应器为50L-100m3的反应器。
2. 根据权利要求1所述的自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法，其特征 是在于所述的吸气速率的预测模型构建如下： 采用AbbotandVonDoenhoff定义的压力系数Cp，它是无因次的常数，在自吸反应器 吸气模型中转子开孔处表不为：
其中PO为中空轴进气口的压力，P2为转于叶轮开孔处的局部压力，U为叶轮开孔处的 局部液体速度； 由于叶轮转速较高，将叶轮开孔处的局部液体速度近似为开孔处叶轮的平均转速，即U=2πNr，其中，r为转子中心至开孔中心的距离，N为叶轮转速； 通过上面两个方程可以得到转子开孔处的压力P2 :
当P2 =PO时，即可得到自吸反应器的临界转速N。
当N>N。，P2〈P0时，气体开始吸入反应器内，此时在气体吸入过程中，叶轮旋转产生的压 差与气流从入口到叶轮开孔过程中压降相等，使用下列模型来计算气体吸入速率Q:
其中Q1为空口流量系数，它反映摩擦压降，A^为开孔面积。
3. 根据权利要求2所述的自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法，其特征 是在于所述的吸气速率的预测模型构建中，参数CjPC^与转子尺寸参数的关系如下：
4. 根据权利要求2所述的自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法，其特征 是在于所述的吸气速率的预测模型构建中： 设置反应器气相入口边界条件为： (1) 气含率为1，无液体存在； (2) 气相从中空轴上部进气口吸入，使用压力进口模型，进口压力为实际操作压力； (3) 液相在入口无速度； (4) 反应器器壁、自吸转子、定子、搅拌轴和反应器挡板设置为壁面，对气相采用自由滑 移，液相米用无滑移； 设置反应器出口边界条件为： 反应器出口设置在反应器上方，对液相和气相都采用压力出口模型，压力大小为实际 液面上方压力。
5. 根据权利要求1所述的自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法，其特征 是在于所述的流体力学的基本控制方程构建如下： 对于气-液两相体系，各相的连续性方程构建如下：
其中t为时间，P为密度，u为速度，α为相含率，下标g和1分别代表气相和液相； 与 _士Flrh女士4治一
故雄士门1^ - 其中P为压力，g为重力加速度，μeff为有效粘度，M1为界面作用力相； 上述的控制适合于气-液两相，两相共用同一个压力场，但速度场及其他相关流程各 不相同；此外，气液两相符合体积守恒方程： αg+α 1= 1 气相假设为理想气体，遵循理想气体守恒定律，其密度可由以下式计算：
其中PO为标准大气压，Pg.〇为标准大气压下的气相密度，H和Z分别为生物反应器内 自由液面高度和轴向位置高度。
6. 根据权利要求1所述的自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法，其特征 是在于所述的相间作用力模型构建如下： 对于气-液两相流体系，相间作用力表示如下：
右边的四项分别表示相间曳力、升力、虚拟质量力、相间湍流分散力对界面动量传输的 贡献； 对于大量气泡存在的股票过程而言，通常假设气泡总是球形的，并且忽略气泡与气泡 之间的相互作用，那么单位体积的气泡群受到的相间曳力表示为：
在本体系中，气泡可作均一的、大小不变的颗粒处理，曳力系数采用SchillerNaumann模型，表示如下：
气泡在非均匀流场中运动时，受到具有横向作用速度梯度的流场的剪切效应而产生的 升力表示为： - ~Ρβ = rHpuC!.(U/i - Ua) XOJa 本体系中对端流分散力采用LopezdeBertodano模型，表达如下：
其中CTD为湍流耗散系数，一般取0. 1，kf3为液相的湍流动能； 本体系中，自吸式反应器处于高速旋转状态，速度脉动比气泡驱动的企业两相流的速 度脉动高的多，因此不考虑虚拟质量力的作用。
7. 根据权利要求1所述的自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法，其特征 是在于所述的湍流封闭模型构建如下： 米用Yokhot和Orszag修正后的RNGk_ε模型，修正后的k_ε模型表不为：
其中，ka为湍流动能，μα为动力学粘度，εα为湍流耗散率，Cy为模型无因次系 数，ε为耗散率；Cweng= 0· 0845，Cw2RNG= 1. 68，〇 kRNG= 〇· 7179，〇 eRNG= 〇· 7179，η〇 = 4. 38,βENG= 0. 013〇
8.根据权利要求5所述的自吸式反应器半理论与数值模拟相结合的放大方法，其特征 是在于所述的的流体力学的基本控制方程构建中，设置反应器内初始条件为： (1) 液相含率为1，无气体存在，即ag= 〇,a1= 1 ; (2) 液相在反应器内初始速度设置为自动。
【文档编号】G06F17/50GK104462697SQ201410768790
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】洪厚胜, 张志强, 颜旭, 顾承真 申请人:南京工业大学