计算流体力学在模拟生化反应器中的应用研究

计算流体力学是生化反应器模拟研究的重要手段，简述了流体力学理论研究概况及其在搅拌式生物反应器，气升式生物反应器中的应用，并指出了进一步研究的方向。     

流动结构对化学反应速率的影响

介绍了具有新型流场结构的"空化撞击流"的概念及其提出的背景;阐述了"空化撞击流"的三大特性;分析了空化撞击流技术对反应动力学的促进作用;用实验的方法研究了空化撞击流流场结构对化学反应动力学的影响规律。通过实验验证了关于空化撞击流流场对化学反应速率影响的推断。实验依次在普通喷嘴撞击流反应装置、空化自激脉冲喷嘴空化撞击流反应装置、低速搅拌反应装置和高速搅拌反应装置中进行。由实验结果可见,使用空化撞击流反应器时,反应速率常数分别比使用撞击流反应器、高速搅拌反应器和低速搅拌反应器高出13.42%、27.46%和33.82%,而且空化撞击流反应器的能耗更低。因此,利用空化撞击流技术确实可以有效提高化学反应速率。     

泰勒流反应器的流动及反应特性

利用由静态混合器、喷嘴和分气盒组成的新型布气装置在搅拌釜式反应器中诱导生成泰勒流,对反应器流动特性及反应特性进行了实验研究。结果表明,与常规搅拌釜式反应器相比,泰勒流反应器内物料流动更加接近于平推流流型,泰勒流的生成在反应器内构建出局部平推流区域,降低了物料返混程度。反应器反应性能因流动特性改变而得以增强,相同实验条件下,在泰勒流反应器中进行的蔗糖水解反应转化率比在常规搅拌釜式反应器中高出26.7%。在一定操作范围内,局部平推流区域和反应转化率均随搅拌转速或进气量的增加而增大。泰勒流反应器可简化为平推流区和全混流区并联的流动模型,推导出了反应转化率与平推流区域占反应器总体积比率之间的关联关系。     

搅拌气升式生物反应器的研究进展

搅拌气升式反应器作为一种新型高效的生物反应器,因为其独特的优势而越来越受到重视,具有良好的研究和应用前景.概述了搅拌气升式反应器的国内外研究进展,着重评述了搅拌气升式反应器相比于传统机械搅拌式反应器和气升式反应器的所体现出的优点,详细介绍和分析了该新型反应器的基本结构、流体力学性质及相关的重要表征参数,并对其在生物发酵和化工行业中的应用和发展进行了回顾和展望.     

一种连续流反应器内射流耦合搅拌流的混合特性

连续式搅拌反应器采用连续化工艺,可以保证生产过程的连续性,相较于传统反应器而言,连续式反应器内流场更复杂,进料口射流对于流场的影响较为明显。对传统的双层搅拌桨结构的微波反应釜进行连续化改造,基于计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)方法对不同射流方案下反应器内醇油混合液的流动及混合特性进行了数值模拟,得到反应器内混合液的流动特性和混合时间特征。结果表明：射流通过直接影响射流区的流场和改变反应器内的循环涡流位置间接影响全局流动;射流方向对于反应器内流型影响更大,逆时针射流时反应器内的速度梯度大,流体之间的剪切作用更强,混合性能最佳,相较于传统的间歇式搅拌反应器,混合时间缩短了33%。     

气升式环流反应器的研究进展

就气升式环流反应器的类别、操作条件和几何结构对环流反应器内两相流体力学行为的影响规律进行了评述。根据环流反应器的流体力学特性和传质特性指出了环流反应器的应用领域及要求。列举了环流反应器在工业上的应用实例。     

单槽双桨不对称搅拌反应器内循环速度研究

反应器内循环速度是不对称搅拌反应器研究中的一个重要流体力学参数,对流体的流动行为和相间传质有重要影响。通过实验研究了搅拌雷诺数对反应器内循环速度及循环比的影响,结果表明:搅拌雷诺数增大使得内循环速度、循环比随之增大。基于该搅拌器的结构和特点,建立了流体循环速度数学模型,并且数值模拟结果与实验数据吻合良好。     

搅拌反应器内计算流体力学模拟技术进展

综述了计算流体力学(CFD)技术应用在搅拌反应器的进展情况。重点对搅拌反应器内流动场模拟的各种处理方法,包括"黑箱"模型法、内外迭代法、多重参考系法和滑移网格法,进行了介绍与评价,指出了各种方法所具有的特点及存在的问题。阐述了搅拌反应器内CFD技术的发展方向,并就国内的研究现状进行了简单概述。     

搅拌式反应器的模拟与优化设计

综述了计算流体力学（CFD）技术在搅拌式反应器中的研究进展。着重讨论了搅拌式反应器中流场的模拟方法,包括“黑箱”模型法、内外迭代法、多重参考系法和滑移网格法,并指出了CFD技术的发展方向。在该基础上,对反应器内流场的数学模型进行了介绍与评价。最后提出应用人工神经网络技术与遗传算法,优化生物反应的工艺操作条件,并结合CFD技术,实现生物反应器的结构优化,从而达到对生物反应系统整体优化的目的,以指导实验与工业生产。     

撞击流反应器流场数值模拟及其混合性能优化

利用数值模拟方法分析多喷嘴对称撞击流反应器内部流场以优化反应器结构。研究不同喷嘴数和进料条件对撞击流反应器内速度场、湍流特性及混合效果的影响。结果表明,不同喷嘴数撞击流反应器内流速分布为双峰型,等流速工况下速度梯度随喷嘴数增加而减小,高剪切力分布范围随喷嘴数增加先增大后减小。通过分析湍流尺度分布发现小尺度涡旋主要集中在撞击区,而大尺度涡旋主要集中在发展区,且四喷嘴撞击流反应器平均剪切应力及涡旋尺寸梯度最大,四喷嘴结构更有利于增强流体湍动强度并强化混合。撞击流反应器内平均湍动能随喷嘴数增加先增大后减小,其中四喷嘴撞击流反应器内平均湍动能最大。当撞击流反应器为四喷嘴结构时,其混合效果最好,完全混合时间最短为22 s。在本研究工况内四喷嘴结构为撞击流反应器混合的最优结构。     

液体喷射环流反应器在液相催化氧化制备芴酮中的应用

以液体喷射环流反应器为氧化反应装置,液相催化氧化芴制备芴酮。通过考察物料循环速度、反应温度、催化剂用量和溶剂的含水量等因素对芴酮收率的影响,得出最佳氧化反应条件。     

Investigation of the local specific energy dissipation rates in a jet‐zone loop reactor for halogenation of ketones

Within the framework of process intensification there is a growing demand for novel reactor technologies. For the improvement of halogenation of ketones a jet‐zone loop reactor (JZR) is used, which leads to an enormous increase in yield and selectivity compared to stirred vessels (Kutschera et al., 2008 ). This JZR is a special jet loop reactor with high specific mass transfer performance and good macromixing behaviour. It is obvious that there is direct relation between the reaction and the hydrodynamics in the reactor. Despite several aspects of hydrodynamics in jet loop reactors have been investigated, the essential flow characteristics behind a two‐component jet are not sufficiently understood. In these investigations, the flow field in the jet zone of the JZR was analysed by 2D particle image velocimetry (PIV) and the kinetic energy dissipation rate ε was determined from the spatial gradients of the fluctuating velocity.     

The Preparation of Imidacloprid in a Jet Loop Reactor

A new process for the direct combination of 2-chloro-5-chloromethylpyridine and 2-nitroiminoimidazolidine under benzyltriethylammonium chloride (BTEAC) as the catalyst and butanone as the solvent to yield imidacloprid in an 11.5 L jet loop reactor was developed. Five main reaction conditions including reaction temperature, molar ratio of BTEAC to 2-nitroiminoimidazolidine, concentration of 2-nitroiminoimidazolidine, jet liquid flow rate, and the ratio of the inside diameter of the draft tube to that of the reactor were investigated and optimized. The average molar yield and purity of imidacloprid increased to approximately 80% and 92% under the optimum operating conditions, respectively. Finally, a comparison of the efficiency for the preparation of imidacloprid between the jet loop reactor and the stirred tank reactor under the same operating conditions was conducted.     

The Preparation of Imidacloprid in a Jet Loop Reactor

A new process for the direct combination of 2-chloro-5-chloromethylpyridine and 2-nitroiminoimidazolidine under benzyltriethylammonium chloride (BTEAC) as the catalyst and butanone as the solvent to yield imidacloprid in an 11.5 L jet loop reactor was developed. Five main reaction conditions including reaction temperature, molar ratio of BTEAC to 2-nitroiminoimidazolidine, concentration of 2-nitroiminoimidazolidine, jet liquid flow rate, and the ratio of the inside diameter of the draft tube to that of the reactor were investigated and optimized. The average molar yield and purity of imidacloprid increased to approximately 80% and 92% under the optimum operating conditions, respectively. Finally, a comparison of the efficiency for the preparation of imidacloprid between the jet loop reactor and the stirred tank reactor under the same operating conditions was conducted.     

液固环流反应器反应-再生系统结构对液固流动的影响与窜液分析

液固环流反应器以导流筒作为反应室,环隙作为再生室,从而将反应一再生系统集成于一个反应器之中,颗粒分别依靠射流卷吸力和自身重力围绕着导流筒壁上下循环。今采用互相关技术在不同的分布板环管内径、导流筒高度和直径、喷嘴内径条件下,测量了反应器内颗粒速度和浓度分布。实验结果表明,上述结构尺寸分别减小,导流筒内的颗粒速度和浓度均有所提高。但是,环隙中的颗粒流动规律并不完全与导流筒内的一致。最后,探讨了窜液量对反应再生效果的影响,推导出其理论控制模型,并进行了模拟计算。     

下喷式环流反应器环隙气含率影响因素

下喷式环流反应器是一种用于强化气-液两相反应过程的新型装置，虽然已在工业上有了较广泛的应用，但对其理论研究远未成熟，其工业装置的设计仍依赖于实验和经验。本文借助实验室自制实验装置，对下喷式环流反应器环隙气含率的影响规律进行了研究。首先，对喷射器的吸气量进行了测量，获得了不同条件下喷射器最大吸气量的性能曲线；在此基础上，分别研究了气相流量、液相流量以及喷射器安装位置对环隙气含率的影响规律。结果表明：气相流量和液相流量对气含率具有重要的影响，随着气相流量和液相流量的增大，气含率快速提高，而喷嘴位置对气含率的影响相对较小；考虑到增加气相流量和液相流量所需要的能耗和设备代价，通过增加液相流量来达到提高气含率的目的是优选方案。     

气液喷射式磺化反应器的应用研究

用喷射式磺化反应器分别对脂肪酸甲酯、烷基苯、重烷基苯、脂肪醇、脂肪醇聚氧乙烯醚和α 烯烃等原料进行了SO3气相磺化/硫酸化反应,研究了反应器主要结构参数对产品质量的影响,并与膜式反应器作了比较。结果表明:喷射磺化反应器制备的烷基苯磺酸、脂肪酸甲酯磺酸的产品质量与膜式磺化反应器相当,制备的重烷基苯磺酸盐产品质量稳定,降低原油/水界面张力的能力优于膜式磺化器制备的产品,但在磺化α 烯烃、硫酸化脂肪醇和脂肪醇聚氧乙烯醚时转化率低于90%,产品质量明显不及膜式反应器。从两种反应器的传质、传热机理及效率,不同有机原料的SO3磺化机理及反应速度等方面对以上现象进行了分析和讨论,认为喷射式磺化反应器适用于脂肪酸甲酯、烷基苯、重烷基苯的磺化,目前的结构参数不适用于α 烯烃、脂肪醇和脂肪醇聚氧乙烯醚的磺化/硫酸化反应,需要进一步调整,改善传质效率。     

环路反应装置与搅拌釜装置生产十二烷基二甲基叔胺的比较

给出了采用自行开发的胺化催化剂在环路反应装置和搅拌釜装置中生产十二烷基二甲基叔胺的中试结果 ,在相同催化剂下 ,与搅拌釜相比环路反应装置反应时间可缩短 5 0 %以上 ,反应选择性提高 1% ,具有明显的经济效益     

上喷式环流反应器中影响整体气含率的因素探讨

基于甲苯三氧化硫磺化反应工艺的需要，设计了一种分布式多喷嘴新型结构的上喷式环流反应器。测定了表现气速，单位体积功耗、静液位和两相喷嘴结构分布等对反应器平均整体气含率的影响，在试验数据的基础上，得到了各参数间的关联式，结果表明，分布式喷嘴结构可获得较佳性能。     

带导流筒的下喷环流反应器的模拟及研究

本文通过引入二维拟均相κ－ε模型方程,建立了描述气液下喷环流反应器内管流区流体流动规律的数学模型,并进行了求解,模型值与试验值吻合较好。以空气－水－玻璃球为研究物系,对有导流筒的下喷式环流反应器中局部液相性能进行了较深入研究,并分析了各种参数对反应器内流体流动状况的影响