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微藻培养平板式反应器流动与传质的数值模拟

作　者: 李昱喆
导　师: 刘天中；齐祥明
学　校: 中国海洋大学
专　业: 水产品加工与贮藏工程
关键词: 微藻平板式反应器流体流动 kLa CFD
分类号: Q943.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

微藻在食品、医药、化工环保、生物能源以及其它领域具有巨大价值,而当前微藻培养很难向规模化商业应用提供连续、充足和低廉生物量,因此研究微藻培养技术,特别是反应器技术,对实现高效低成本的规模培养至关重要。平板式反应器是一类用于微藻培养的封闭式反应器,由于反应器内部流动和传质的复杂性,对其设计及放大仍主要依赖专家经验,缺少理论指导,且耗资巨大,设计周期长,因此对平板式反应器内流动和传质的研究显得十分迫切。本文利用CFD（Computational Fluid Dynamics）对平板式反应器流场特性做了深入研究,以期为高密度微藻培养提供性能优良的反应器及技术参数。本文首先利用Fluent软件,采用Eulerian-Eulerian模型,模拟了平板式反应器气液两相流场,经网格独立性测试,确立了网格划分数量。并通过模拟结果与实验结果的比较,验证了CFD模拟结果的可靠性。Scenedesmus dimorphus在不同隔板平板式反应器内的培养实验表明,内部加装单竖直隔板的平板式反应器比无隔板反应器可获得更高的生物量产率,表明隔板确实改善了反应器内部流场状况。在通气率0.1～0.6 vvm下,模拟结果表明单隔板将流场分为升液区和降液区,液体围绕隔板循环流动,液速随通气率的增加而增大。气泡主要集中在升液区,平均气含率和kLa随通气量增加近线性增大。在通气率0.3 vvm下,隔板位置对流动和传质有明显影响,当降液区与升液区流道横截面积比Ad/Ar小于0.5时,升液区观察到大涡旋和气泡群的摆动。当Ad/Ar =2时,获得最大液体体积传质系数为2.65×10-3 s-1。隔板长度的变化对液体流型并没有明显改变,对平均气含率和kLa影响甚微,但对升液区和降液区的流速有影响,当隔板长度为0.28 m时,升流区和降液区液速最大。双竖直隔板比单竖直隔板提高了平板式反应器流场液速,但对平均气含率和kLa没有明显影响。在反应器内部安装波纹隔板后,双波纹隔板比双竖直隔板平板式反应器平均气含率提高了14.9%,传质系数提高了14.6%。模拟云图和矢量图表明双波纹隔板平板式反应器与竖直双隔板平板式反应器流场相似,液体在升液区和降液区之间形成了良好的循环,升液区液速快,降液区液速相对较慢。气泡主要分布在升液区。随通气率的增加,液相速度、平均气含率和液相体积传质系数均近似线性增加。波纹隔板加强了反应器气液传质能力,kLa与双波纹隔板平板式反应器单位体积能量输入之间存在良好的线性关系,在较低的单位体积能量输入下可获得较高的kLa。采用液相体积传质系数、平均气含率和液体在降液区和循环一周时间比三个参数研究了新型双波纹隔板平板式反应器流场特性,提出了一个较优的结构为A_d/A_r = 1.62,h₀= 260 mm,h₁= 20 mm,其中参数h₀,h₁主要影响着反应器内的传质效果。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章前言  11-25
  1.1 微藻概述  11-15
    1.1.1 微藻的主要特点  11-12
    1.1.2 微藻研究发展历史  12-13
    1.1.3 微藻的应用  13-14
    1.1.4 微藻培养现状及存在问题  14-15
  1.2 微藻生物反应器的研究  15-18
    1.2.1 开放式反应器  15-16
    1.2.2 封闭式反应器  16-18
  1.3 微藻生物反应器研究的常见性能参数  18-20
    1.3.1 气含率  18-19
    1.3.2 液速  19
    1.3.3 液体体积传质系数kLa  19-20
  1.4 生物反应器的 CFD 数值模拟  20-22
    1.4.1 计算流体力学简介  20
    1.4.2 CFD 在生物反应器上的应用  20-21
    1.4.3 两相流模拟  21-22
  1.5 本课题研究的意义及内容  22-25
    1.5.1 研究意义  22-23
    1.5.2 研究内容  23-25
第二章平板式反应器模型建立及实验测定  25-35
  2.1 实验装置及工作原理  25-26
    2.1.1 实验装置  25-26
    2.1.2 工作原理  26
  2.2 数值模拟方法  26-30
    2.2.1 模型建立  26-28
    2.2.2 模型参数设定  28-29
    2.2.3 数值求解方法  29-30
  2.3 实验及数值计算结果与讨论  30-34
    2.3.1 收敛性分析  30
    2.3.2 网格数量对计算影响分析  30-32
    2.3.3 气液流场数值模拟结果与分析  32-34
  2.4 小结  34-35
第三章单隔板平板式反应器流动和传质特性的研究  35-52
  3.1 实验装置及方法  35-37
    3.1.1 实验装置和仪器  35
    3.1.2 藻种与培养  35-36
    3.1.3 实验参数测定  36-37
  3.2 数值模拟方法  37
  3.3 结果与讨论  37-51
    3.3.1 单隔板和无隔板平板式反应器对微藻培养的影响分析  37-38
    3.3.2 通气率对单隔板平板式反应器性能影响分析  38-42
    3.3.3 液位高度对单隔板平板式反应器性能影响分析  42-45
    3.3.4 隔板位置对单隔板平板式反应器性能影响分析  45-48
    3.3.5 隔板长度对单隔板平板式反应器性能影响分析  48-51
  3.4 小结  51-52
第四章双隔板平板式反应器流动和传质特性的研究  52-63
  4.1 实验装置及方法  52-53
    4.1.1 实验装置  52-53
    4.1.2 实验方法  53
  4.2 模拟方法  53
    4.2.1 数学模型  53
    4.2.2 物理模型  53
    4.2.3 数值求解条件  53
  4.3 结果与讨论  53-61
    4.3.1 隔板数对平板式反应器性能影响分析  53-55
    4.3.2 隔板形式对平板式反应器性能影响分析  55-56
    4.3.3 通气率对双波纹隔板平板式反应器性能影响分析  56-60
    4.3.4 结构参数对双隔板平板式反应器性能的影响分析  60-61
  4.4 小结  61-63
第五章结论与展望  63-65
符号说明  65-67
参考文献  67-72
致谢  72-73
个人简历  73
硕士期间所取得研究成果  73

微藻培养平板式反应器流动与传质的数值模拟

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