側(cè)攪拌發(fā)酵罐內(nèi)流場特性的模擬研究

姜 勇，鄧立康，徐光輝，林海龍

（中糧集團有限公司，北京 100020）

一、引言

攪拌發(fā)酵罐式反應(yīng)器是生物法生產(chǎn)酒精的核心設(shè)備之一，在發(fā)酵罐內(nèi)醪液通過發(fā)酵實現(xiàn)由單糖向酒精的轉(zhuǎn)化，該過程直接影響原料的轉(zhuǎn)化率和酒精的產(chǎn)率，還會影響到操作費用和后續(xù)的分離過程，因而對發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行研究具有重要價值。

攪拌槳依據(jù)安裝位置的不同，可分為底入式、頂入式和側(cè)入式三類。酒精發(fā)酵過程，攪拌槳應(yīng)該實現(xiàn)固體懸浮、液體混勻和氣體分散。側(cè)入式攪拌設(shè)備具有上述能力，并且具有設(shè)備費用低，功率消耗小和攪拌效果好的特點。側(cè)攪拌發(fā)酵罐中攪拌槳的選擇和安裝受諸多因素的影響，最基本的因素是介質(zhì)的黏性、攪拌要求和槳造成的流動狀態(tài)。此外，還要考慮設(shè)備動力費用。

鄭曉東等研究了實驗室規(guī)模發(fā)酵罐的側(cè)入式攪拌槳的安裝位置、攪拌反應(yīng)器內(nèi)通氣速率、罐內(nèi)固體顆粒濃度和罐內(nèi)液位高度對側(cè)入式攪拌槽顆粒懸浮性能的影響。通過對功率準數(shù)、固體顆粒臨界懸浮轉(zhuǎn)速的測定，研究了側(cè)入式攪拌槳排布方式、偏轉(zhuǎn)角度、伸入長度、安裝高度等信息，得到了較優(yōu)的側(cè)攪拌安裝方式。這些研究結(jié)果對指導(dǎo)工業(yè)設(shè)計具有一定作用，但是考慮到影響攪拌槳操作性能的因素較多，仍不能作為工業(yè)設(shè)計的直接數(shù)據(jù)。

華潤集團通過對酒精發(fā)酵罐側(cè)入式攪拌槳的安裝、操作方式的調(diào)整，在一定程度上改進了發(fā)酵罐的性能，在罐內(nèi)建立了循環(huán)流動，減少了罐內(nèi)物料的堆積，對抑制揮發(fā)酸的生成，提高淀粉原料的利用率具有一定的促進作用，然而仍存在很大的調(diào)整空間。

目前，對大型發(fā)酵罐的設(shè)計大多依靠經(jīng)驗和分析現(xiàn)有工業(yè)實例的方法進行。采用實驗逐級放大的方法成本較高，采用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，設(shè)計大型攪拌發(fā)酵罐存在一定的困難，常常需要中試實驗才能確定設(shè)計方案的可行。對現(xiàn)有裝置的改造如果憑借經(jīng)驗進行，存在的風險較大。

計算流體力學(xué)（CFD，Computational Fluid Dynamics）是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD方法恰能彌補實驗方法的不足，通過不同的CFD模型可以描述不同形式、不同操作條件下攪拌體系的流動形態(tài)，進而獲得較優(yōu)的設(shè)計方案和操作參數(shù)。正是由于以上優(yōu)點，使用CFD軟件對化工設(shè)備進行輔助設(shè)計的方法越來越被人們所重視。

擬采用CFD方法首先對某公司現(xiàn)有酒精發(fā)酵罐及攪拌設(shè)備內(nèi)的流場情況進行模擬。通過對現(xiàn)有設(shè)備的流場狀況分析，找到改進的方案以期解決固相物料沉積嚴重、物料濃度分布不均勻和罐內(nèi)死角較多等問題，進一步降低發(fā)酵罐總體的功率消耗。

二、數(shù)值模擬

1.發(fā)酵罐及攪拌裝置參數(shù)

發(fā)酵罐為圓柱形，直徑11m，高度15m。位于底部的攪拌器共有四個，均勻分布，距底部0.8m。攪拌器直徑0.8m，三片槳葉，槳葉寬度為D/4，槳葉高度為D/5。工作介質(zhì)為發(fā)酵液，黏度約為0.4Pa·s，密度約為930kg/m3。

2.網(wǎng)格劃分

依據(jù)從發(fā)酵現(xiàn)場實際采得的數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)有裝置的三維立體模型，然后在Gambit軟件中對其進行劃分網(wǎng)格工作。計算中采用的是四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了增加計算的精確度，對槳葉、交界面、近壁區(qū)采用網(wǎng)格加密處理。網(wǎng)格總數(shù)大約為51.4萬個。

3.模型選擇

將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent求解軟件中，進行邊界條件等參數(shù)的設(shè)置，而后進行計算。選用3d求解器。經(jīng)分析，發(fā)酵罐內(nèi)攪拌器附近區(qū)域的醪液隨著槳葉的轉(zhuǎn)動，運動速度很快，攪拌雷諾數(shù)在3.0×105，屬于湍流，但是這一情況覆蓋范圍很小，僅限于攪拌器周圍的區(qū)域；主體區(qū)域的流動狀況屬于層流，所以選用層流方程。對于攪拌器的模擬選用多參考系模型（MRF），采用穩(wěn)態(tài)的方法模擬，所有固體表面上設(shè)置為壁面邊界條件（Wall）。最大迭代次數(shù)10 000，采用上風（Upwind）差分格式。

三、模擬結(jié)果與討論

1.原有設(shè)備模擬

（1）速度分布分析

通過對四個攪拌器同時工作時模擬的速度分布云圖分析得出，在主體區(qū)域內(nèi)醪液的流速較大，可以維持0.3m/s以上，但是中間區(qū)域（靠近壁面處也有少量分布）存在一個低速區(qū)，速度＜0.1m/s。底部低速區(qū)的存在會造成發(fā)酵液中固形物的沉積，影響固形物的分布均勻程度及混合效果，進而影響發(fā)酵效果。

（2）流場分析

通過對發(fā)酵罐內(nèi)流場模擬的速度分布矢量圖的分析得出，發(fā)酵罐底部截面上形成了一個順時針旋轉(zhuǎn)的流場，同時由于推進式攪拌器向上傾斜，推動醪液邊旋轉(zhuǎn)邊向上運動。整個流場內(nèi)醪液的流動情況為攪拌器推動醪液形成一個橫截面上的循環(huán)流場，另一方面醪液在發(fā)酵罐外部循環(huán)上升，到達頂部后向中心部位螺旋式運動，從中心位置附近向下運動，直至回到發(fā)酵罐底部，形成一個循環(huán)。在罐體1/3以下的區(qū)域可見小漩渦，分析認為漩渦主要是內(nèi)部和外部醪液的運動方向不同，相互影響產(chǎn)生的，可能會使部分醪液不能到達頂部，直接回到發(fā)酵罐下部。

（3）速度分布體積比分析

通過計算得到了不同速度區(qū)間的醪液占發(fā)酵罐總體積的百分比。其中速度小于0.05m/s的區(qū)域主要集中在發(fā)酵罐底部和頂部邊緣處，速度小于0.10m/s的區(qū)域主要是發(fā)酵罐中心區(qū)域和靠近壁面的部分。如圖1所示，在發(fā)酵罐內(nèi)，速度在0.1～0.15m/s之間的區(qū)域體積最大，占總體積的51.65%；其次為速度在0.05～0.1m/s、0.15～0.2m/s、0～0.05m/s之間的區(qū)域，分別占總體積的28.22%、19.57%、0.56%。

（4）功率分析

在CFD模擬基礎(chǔ)上，通過建立局域坐標系利用扭矩計算功率的方法，可以得到各個攪拌器的功率，四個攪拌器的功率分布為16±0.3kW。計算結(jié)果與實際功率相比，約為實際功率的86.4%，考慮到傳動過程摩擦及其他功率消耗，計算結(jié)果基本合理。

（5）小結(jié)

通過對原有裝置進行CFD模擬，得到了發(fā)酵罐內(nèi)詳細的流場信息，在此基礎(chǔ)上計算了各個攪拌器的功率。由發(fā)酵罐速度云圖可以看出，原設(shè)計方案存在明顯不足，主要表現(xiàn)在攪拌罐中心區(qū)域速度較低，速度在0～0.1m/s之間的區(qū)域，占總體積的28.78%，達不到較好的攪拌效果。改善發(fā)酵罐內(nèi)的流場首先應(yīng)當減少底部的低速區(qū)，避免有固含物沉積，影響發(fā)酵；其次應(yīng)當盡量加強主體區(qū)域的循環(huán)速度，縮短整個循環(huán)時間，在此基礎(chǔ)上同時實現(xiàn)降低功率的目的。

2.改進方案及模擬結(jié)果分析

主要從攪拌器的安裝位置和角度入手對攪拌器的安裝方案進行改動，表1為改進方案攪拌器的安裝位置情況。

表1 改進方案攪拌器的安裝位置

（1）改進后的速度分布

通過對改進后工作時模擬的速度分布云圖分析得出，0.3m/s以上速度覆蓋范圍較原方案增大許多，中間速度小于0.1m/s的區(qū)域較原始方案明顯減少；主體區(qū)域的低速區(qū)（速度≤0.1m/s）也較原始方案有所減少，起到了很好的改進效果。

（2）改進后的流場分析

通過對改進后工作時模擬的流場矢量圖分析得出，改進方案中攪拌器兩兩結(jié)合，形成合力，推動醪液運動，形成順時針方向的循環(huán)流動，底部循環(huán)速度＞0.3m/s區(qū)域較現(xiàn)有攪拌配置大。

（3）改進后攪拌罐內(nèi)速度分布體積比分析

圖2為改進后發(fā)酵罐內(nèi)不同速度區(qū)間占發(fā)酵罐總體積的百分比。在整個發(fā)酵罐內(nèi)，速度在0.1～0.15m/s之間的區(qū)域體積最大，占總體積的54.01%；其次為速度在0.15～0.2m/s、0.05～0.1m/s、0～0.05m/s之間的區(qū)域，分別占總體積的29.01%、16.16%、0.82%。其中0.1～0.15m/s和0～0.05m/s之間的區(qū)域體積變化不大。但是速度在0.15～0.2m/s之間的區(qū)域體積明顯增加，同時速度在0.05～0.1m/s之間的區(qū)域體積明顯減少，可以看到改進方案顯著提升了攪拌效果，降低了低速區(qū)域體積的同時，增加了高速區(qū)域體積，主體循環(huán)速度也有明顯增加。

（4）改進后的功率分析

通過對改進后的發(fā)酵罐建立局域坐標系并利用扭矩計算功率得到了如圖3所示的功率對比可知。改變攪拌器安裝位置，可以實現(xiàn)功率降低10%以上的目標。

四、結(jié)論

通過對發(fā)酵罐進行CFD數(shù)據(jù)模擬，分析發(fā)酵罐內(nèi)流場的流型、速度分布等，發(fā)現(xiàn)原始設(shè)計方案存在明顯不足，主要表現(xiàn)在攪拌罐中心區(qū)域速度較低，速度在0～0.1m/s之間的區(qū)域，占總體積的28.78%，達不到較好的攪拌效果。

針對上述問題，提出了對現(xiàn)有攪拌設(shè)備的改造方案，主要對攪拌器的安裝位置、角度等做了調(diào)整，從而大大降低了低速區(qū)覆蓋的體積，使得發(fā)酵罐內(nèi)速度分布更加均勻。速度在0.15～0.2m/s之間的高速區(qū)域體積從19.57%增加到29.01%，速度在0.05～0.1m/s之間的低速區(qū)域體積從28.22%減少到16.16%。同時通過對改造方案的模擬分析可知，此方案可以實現(xiàn)攪拌功率降低10%的目標，目前企業(yè)發(fā)酵罐攪拌器已經(jīng)改造完成，攪拌器總功率由原來的74kW降低至60kW，攪拌器功率降低達19%。

[1]馮學(xué)愚，唐圣云.酒精發(fā)酵速率方程的線性化表述[J].釀酒科技，2006(6)48-51.

[2]鄭曉東，黃雄斌，都榮禮.側(cè)伸式攪拌槽固液懸浮性能[J].過程工程學(xué)報，2009(9)417-423.

[3]B.N.Murthy,R.S.Ghadge,J.B.Joshi,CFD simulations of gas-liquid-solid stirred reactor:Prediction ofcritical impeller speed for solid suspension,Chemical Engineering Science,2007 (62)7184-7195.