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Rushton搅拌釜式生物反应器的γ射线CT测量及流体力学模拟计算

作　者: 曹杨
导　师: 刘跃进
学　校: 湘潭大学
专　业: 化学工程
关键词: Rushton搅拌釜式生物反应器 CT测量气含率剪切力模拟计算
分类号: TQ052
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 33次
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内容摘要

气-液搅拌釜式生物反应器早已普遍应用于生物化工领域, Rushton气-液搅拌釜式生物反应器一直被作为气液搅拌釜的典型加以研究,其中气含率大小及分布是描述气液分散好坏程度的一个基本特性。另一方面由于气-液搅拌釜中搅拌桨的运动与旋转液体的强剪切、湍动和液体循环作用对所培养的细胞有可能造成伤害,如何最大限度减小剪切力同时增加搅拌釜持气量,成为衡量搅拌釜式生物反应器设计好坏的重要考察因素。γ射线CT技术具有非接触性,对流场无干扰,可测量钢制容器里不透明、高浓度、高温、高压体系,能一次性得到二维全流场气含率断面分布,测量结果精确等优点,这些优点是其它多相流测量技术难以比拟的,因此在生物反应搅拌釜研究中实验测量方法具有重要意义。近年来,迅速发展起来的计算流体力学（CFD）也为研究生物搅拌釜内流体行为提供了有效手段。通过利用计算机数值运算能力强的特点,求解某些理论流体力学解析方法无法解决的问题,可以从亚微观角度对搅拌釜内流体力学的性质进行模拟分析,从而获得生物搅拌器内部各处的流体的行为,以及压力,速度,气含率等重要研究参数。因此本文对生物反应搅拌釜的研究采用¹³⁷Csγ射线CT测量实验研究和计算流体力学（CFD）数值模拟相结合的方法:通过实验测量直接获得生物搅拌釜内流体的流动、混合、气含率和生物代谢等反应行为,另一方面,通过计算机数值模拟获得相同实验条件下生物搅拌釜内的具体流体参数,并与CT实验测量结果进行定量,定性分析比较,从而对生物反应搅拌釜进行更加深入的研究。得到结论如下:①随着通气量增加,达到完全分散状态所需搅拌临界转速也相应增加。②通气量不变的情况下,当搅拌转速超过临界转速后,继续增大搅拌转速对气含率的贡献较小,但会使搅拌桨上方空间气含率分布变得更加不均匀;③当超过临界转速后,保持转速不变,随着通气量增加,气含率会明显增大;由于气-液生物搅拌釜中,生物细胞对气含率径向分布、剪切力有严格的要求,所以本文认为临界转速是最佳选择。因为具体每一种生物细胞都有各自的溶氧量需求,在设计搅拌釜时需要针对每种细胞的特性来设计搅拌釜的通气量,在气相完全分散状态下通气量决定了气含率大小,并确定对应的临界转速。这样既可以保证气相均匀分散又可以尽可能减小剪切力对细胞的伤害。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪言  10-23
  1.1 选题背景和研究意义  10
  1.2 影响生物化工搅拌釜性能的因素  10-13
    1.2.1 溶氧  10-11
    1.2.2 气含率分布  11-12
    1.2.3 剪切力  12-13
  1.3 搅拌釜式生物反应器实验测量方法  13-15
    1.3.1 激光多普勒技术  13-14
    1.3.2 基于差压波动特性的检测技术  14
    1.3.3 基于图像检测技术  14-15
  1.4 计算流体力学CFD模拟现状  15-19
    1.4.1 双流体模型  16
    1.4.2 相间作用力  16-18
    1.4.3 气相和液相湍动模型  18-19
  1.5 群平衡模型  19-22
    1.5.1 破碎模型  20-21
    1.5.2 聚并模型  21-22
  1.6 本课题主要研究内容  22-23
第2章搅拌釜内流体运动特性  23-30
  2.1 气泡自由上升时的运动特性  23-25
    2.1.1 单个气泡的运动特性  23
    2.1.2 多气泡上升速度  23-25
    2.1.3 气含率径向分布  25
  2.2 气泡大小  25-26
    2.2.1 气泡分布的表示方法  25
    2.2.2 气泡尺寸分布  25-26
  2.3 Rushton气-液搅拌釜  26-27
    2.3.1 搅拌釜结构尺寸  26-27
    2.3.2 圆环气体分布器  27
    2.3.3 搅拌桨  27
  2.4 三种气液分散状态与临界搅拌速度  27-30
    2.4.1 三种气液分散状态与流动区域  27-29
    2.4.2 临界搅拌速度的确定  29-30
第3章 γ射线CT测量Rushton气液搅拌釜气含率断面分布  30-38
  3.1 CT扫描实验设计  30-31
    3.1.1 气通量  30
    3.1.2 搅拌转速  30
    3.1.3 扫描高度的确定  30-31
    3.1.4 CT扫描实验设计表  31
  3.2 3/4静液高处CT扫描气含率断面分布  31-38
    3.2.1 不同临界状态  31-32
    3.2.2 不同通气量时搅拌转速的影响  32-36
    3.2.3 不同通气量下搅拌转速对气含率分布的影响  36-37
    3.2.4 结论  37-38
第4章 Rushton搅拌式生物反应器气含率断面分布模拟计算  38-57
  4.1 引言  38-39
  4.2 双流体模型  39
  4.3 相间作用力  39-42
    4.3.1 曳力系数  40-41
    4.3.2 附加质量力  41
    4.3.3 液相湍动  41-42
  4.4 PBM研究现状  42-48
    4.4.1气泡的聚并和破碎  43-44
    4.4.2 Prince and Blanch模型  44-45
    4.4.3 Luo&Svendsen模型  45-46
    4.4.4 Lehr模型  46
    4.4.5 Wang模型  46-48
  4.5 模拟计算  48-52
    4.5.1 CFX10软件平台  48-50
    4.5.2 模拟计算过程和步骤  50-52
  4.6 模拟计算结果与讨论  52-57
    4.6.1 三种临界状态的模拟  52-53
    4.6.2 不同气量不刚搅拌转速时的模拟  53-55
    4.6.3 相同气量不同搅拌转速时模拟值之间的对比  55-56
    4.6.4 结论  56-57
结论与展望  57-59
  1.结论  57-58
  2.展望  58-59
参考文献  59-63
致谢  63-64
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  64

Rushton搅拌釜式生物反应器的γ射线CT测量及流体力学模拟计算

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