基于时间常数与CFD相结合的反应器放大方法

为解决生物发酵过程放大问题,文中提出了一种基于时间常数分析与计算流体力学(CFD)相结合的生物反应器放大方法。首先根据大肠杆菌发酵过程生理代谢数据,对诱导前后两阶段氧消耗和底物消耗时间常数进行了计算。通过菌体消耗型时间常数与设备的供给型时间常数的对比分析发现,诱导前为供氧条件限制,而诱导后为混合条件限制。在菌体生长期需保证氧传递时间常数t_(mt)<4.2 s,即k_La>0.236 s~(-1);而在诱导期需保证混合时间t_m<36 s。据此,对工业规模20 t生物反应器进行了理性设计,并通过CFD方法对设计方案进行验证。结果表明:设计的反应器k_La大于0.236 s~(-1),且混合时间小于36 s,氧传递和混合性能均达到设计要求,能满足诱导型大肠杆菌高密度发酵过程的需求。     

搅拌生物反应器的结构模型、放大及搅拌器改型

搅拌生物反应器（ＳｔｉｒｒｅｄＢｉｏｒｅａｃｔｏｒ－ＳＢＲ）是最重要的生物反应器，随着生物高新技术的发展，在医药、食品、化工及环境等领域对其提出了更高的要求。为此详细评述了最近１０年在ＳＢＲ的结构模型、放大及搅拌器改型方面的进展及存在的问题，特别强调了ＳＢＲ性能研究的总体战略及具体的方法步骤。还就本学科发展的研究工作提出了建议。     

生物反应器的CFD模拟及结构设计

利用计算流体力学（CFD）软件Fluent,以多重参考系法对发酵行业中的发酵罐搅拌流场进行整体数值模拟。基于标准的κ-ε紊流模型模拟了发酵罐内的流场分布,分析了垂直面和水平面上液相流的流场分布及规律,可为搅拌器的结构设计提供参考。     

生物反应器放大因素与方法研究

搅拌式生物反应器是最重要的一类生物反应器,广泛应用于生物化工、食品、医药等领域。由于同时涉及到生物化学反应和物理过程,因此由实验室规模到工业装置设计的放大问题成为生物工程技术的关键问题之一。对搅拌式生物反应器放大过程的影响因素进行了分析,并着重讨论了反应器内的传质、传热、混合、剪切以及表观气速等因素对放大设计的影响规律。在该基础上,就生物反应器的放大方法进行了初步总结。     

搅拌生物反应器混合特性的数值模拟与实验研究

以工程流体计算软件CFX-4.4为工具,对不同规模的机械搅拌生物反应器的混合特性进行数值模拟,研究了不同操作条件下反应器混合时间的变化规律. 采用pH电极在位监测[H+]的方法实验测定混合时间. 模拟结果与实验测定值之间的误差随反应器容积增大而逐渐减小,对容积为25 m3的反应器误差小于11.6%.     

多相流和湍流模型对平板膜生物反应器模拟的影响

相分布和速度场是浸没式MBR的流体力学特征的核心,这些特征能够通过CFD的多相流模型和湍流模型低成本、高精度地分析。因此,针对浸没式MBR优化结构、缓解膜污染和降低能耗的需求,以MBR流场的快速准确模拟为目标,以国内外3家主要商用浸没式平板MBR为对象,比较了不同多相流、湍流模型对浸没式平板MBR流场、相分布和计算成本的影响,并进行了模拟验证。结果表明,3家国内外浸没式平板MBR的空间构型多根据厂家推荐值设计,其长宽比为1.37±0.63,高径比为0.97±0.23。商用平板MBR的模拟与验证结果表明:①多相流模型对相分布、流场和速度分布的影响比湍流模型更显著,且VOF模型与standard k-ε的模型组合可更为快速准确地模拟浸没式平板MBR的流场特征;②多相流模型选择是计算成本至关重要的影响因素。6核计算时,VOF模型的CPU时间为mixture模型的5.5~3.2倍,realizable k-ε的CPU时间为standard k-ε的1.0~1.1倍。     

多相流和湍流模型对平板膜生物反应器模拟的影响

相分布和速度场是浸没式MBR的流体力学特征的核心,这些特征能够通过CFD的多相流模型和湍流模型低成本、高精度地分析。因此,针对浸没式MBR优化结构、缓解膜污染和降低能耗的需求,以MBR流场的快速准确模拟为目标,以国内外3家主要商用浸没式平板MBR为对象,比较了不同多相流、湍流模型对浸没式平板MBR流场、相分布和计算成本的影响,并进行了模拟验证。结果表明,3家国内外浸没式平板MBR的空间构型多根据厂家推荐值设计,其长宽比为1.37±0.63,高径比为0.97±0.23。商用平板MBR的模拟与验证结果表明：①多相流模型对相分布、流场和速度分布的影响比湍流模型更显著,且VOF模型与standard k-ε的模型组合可更为快速准确地模拟浸没式平板MBR的流场特征;②多相流模型选择是计算成本至关重要的影响因素。6核计算时,VOF模型的CPU 时间为mixture模型的5.5~3.2倍,realizable k-ε的CPU 时间为standard k-ε的1.0~1.1倍。     

生物搅拌反应器内混合情况的CFD模拟及在发酵中的应用

用计算流体力学(CFD)方法模拟了50 L生物反应器中不同的,搅拌桨组合对搅拌流场、混合时间的影响,并从流体力学角度对生物反应器搅拌桨组合进行了优化.将模拟优化结果用于重组大肠杆菌发酵过程,结果表明,优化后的搅拌桨组合可以改善发酵罐内部的流场和气体分布,能够明显降低获得相同溶氧所需的转速和最大通气量,而菌体生物量和产酶水平也略有提高.     

环氧树脂反应器的放大设计

简述环氧树脂反应原理与对反应器设计要求。详细介绍环氧树脂反应器从引进的１１８ｍ３放大到３６ｍ３的设计计算,结果表明其基本符合实际工况要求。     

曝气膜生物反应器的CFD模拟

利用Fluent软件对曝气膜生物反应器中气液两相流动进行模拟计算,探讨了进气气泡的直径、进气速度及膜纤维束的长度等因素对膜生物反应器内液体流动、气体分布的影响.结果表明,减小气泡的直径并适当增大进气速度、膜纤维束长度可以有效提高膜生物反应器内气体的分布和液体与气体的接触,从而促进气液两相进行高效的传质.     

基于相群平衡模型的浮选气泡聚并模拟

气泡尺寸分布直接影响气浮分离效率,而聚并是导致气浮池内气泡尺寸变化的主要因素。首先用实验方法测量气浮接触区气泡尺寸分布,然后用计算流体力学方法对气泡/水两相流动及气泡聚并进行模拟,最后通过对实验和数值模拟结果进行对比建立基于相群平衡模型的浮选气泡聚并行为的模拟方法,分别运用Luo、Free molecular和Turbulent聚并模型对气浮接触区气泡聚并行为进行模拟。结果表明:Turbulent聚并模型计算所得气泡尺寸分布与实验值最接近,适合模拟接触区气泡聚并;气泡平均直径随高度升高先变大后保持不变,气泡聚并主要发生在接触区中下部;气泡的加入增强了接触区流动混乱程度,上部产生对称涡流,中下部呈由边壁向中心的水平流动。     

Development of a kinetics-integrated CFD model for the industrial scale-up of DHA fermentation using Schizochytrium sp.

In this work, a kinetics-integrated CFD model based on coupling computational fluid dynamics (CFD) and biokinetic was developed to guide the industrial scale-up for fermentation of docosahexaenoic acid (DHA). Two-substrate biokinetic equations for a 5 L bioreactor with oxygen and nitrogen source as limiting substrates were established, which were further coupled with CFD to simulate the biomass growth and lipid accumulation as well as flow field environment in the fermentation process. The coupled CFD-biokinetic model can accurately reflect the changes of each relevant variable in the 50 L bioreactor under different operating conditions. The optimal working conditions of a 35 m³ bioreactor were predicted by this model and have secured the one-step scale-up of DHA fermentation, resulting in a biomass, lipid concentration, and DHA content in lipids of 99.2 g/L, 55.7 g/L, and 52.5%, respectively. This study thus provides an effective strategy for rapid industrial scale-up of DHA production.     

基于介尺度稳定性条件的多相流曳力与群体平衡模型

介尺度结构和介尺度机制是化工、冶金、能源等过程工程中的重要科学问题。尽管多相流数理模型在过去的几十年中已取得长足进展,但仍存在准确性依赖可调参数、模型适用性有限、计算量大等问题,难以适应当前快速发展的新工艺和新过程开发的需求。实际上,基于平均化方法的多流体方程组需要若干子模型封闭,如相间作用力、聚并/破碎核函数以及湍流模型等;这些子模型决定了多流体模型的模拟准确性。从介科学角度发展介尺度物理模型为解决这些问题提供了新的思路。模型可以解析多相流非均匀结构演化的控制机制,进而改进或重构子模型。总结了基于介尺度稳定条件的两类介尺度封闭模型：一类用于封闭相间动量传递,如介尺度曳力;另一类用于封闭离散相特征参数的演化,如介尺度群体平衡模型,计算气泡或液滴尺寸。进而综述了这些模型在流化床、鼓泡塔、气升式环流反应器、搅拌槽、转定子乳化器等多相流设备中的应用,并展望了未来发展方向和关键科学问题。     

混合澄清槽数值模拟与实验研究进展

稀土是不可再生的重要战略资源,在高新技术材料中具有不可替代的战略作用。混合澄清槽具有操作稳定性好、级效率高、结构简单、易放大等优点,是稀土分离工业中使用最为广泛的萃取设备。本文概述并分析了应用于混合澄清槽模拟的数值模型,结果表明Eulerian-Eulerian多相流模型、k-?湍流模型和多参考系模型因使用简便、精度可靠、对计算机性能要求不高而被当前的研究者们大量采用。此外,针对混合澄清槽抽吸性能、混合特性和澄清特性三大重要性能指标,分别总结了影响各性能的主要参数和调控方法,分析表明在抽吸性能和混合时间方面的研究较为成熟,在液滴聚并破碎数值研究、澄清方式和改进等方面的研究相对薄弱,构建高精度网格、采用更细致分析流场时空发展趋势的大涡模拟和引入种群平衡模型等方法将是下一步深入研究混合澄清槽的重要方向。     

On the choice of mesoscale drag markers

Multiscale simulations of fluidized beds should account for the effect of sub-grid structures on drag. How to extract the features of these structures in the form of proper finite quantities, namely markers, has posed great challenges in mesoscale drag modeling. The choice of markers has seldom been investigated in terms of their rationality and adequacy. This article introduces a two-step scheme that is applied in the classic experimental approach to reflect on the choice of markers. The steady-state definitional relations of the drag correction factor are deduced from force balance equations, with emphasis on the difference between definitional relations and constitutive relations. A comparison between common drag models obtained from fine-grid simulations and corresponding definitional relations shows that the challenge in developing a general mesoscale drag model cannot be circumvented by correlating the heterogeneity index or drift velocity with the solid volume fraction, slip velocity, and gas-phase pressure gradient.     

CFD simulation of gas–liquid flow in a high-pressure bubble column with a modified population balance model

In this study, based on the Luo bubble coalescence model, a model correction factor C_e for pressures according to the literature experimental results was introduced in the bubble coalescence efficiency term. Then, a coupled modified population balance model (PBM) with computational fluid dynamics (CFD) was used to simulate a high-pressure bubble column. The simulation results with and without C_e were compared with the experimental data. The modified CFD-PBM coupled model was used to investigate its applicability to broader experimental conditions. These results showed that the modified CFD-PBM coupled model can predict the hydrodynamic behaviors under various operating conditions.     

预分布管内流场的CFD模拟及实验验证(英文)

Liquid distributor is a very import internal for distillation columns. Pre-distributor is usually set on the top of distributor for initial distribution. Fluid flow in pre-distributor is a complex system of variable mass flow with many orifices and sub-branches. Consequently, the two phase modeling of pre-distributors was carried out and the homogeneous model with free surface model was applied. The numerical method was validated by comparing with experimental data. Using the simulated results for different pre-distributors, the impacts of inflow rate, location and orientation upon the outflow distribution were investigated. Furthermore, influences of the outflow distribution for pre-distributor on liquid uniformity in trough were also analyzed. The conclusions can be adopted for the struc-tural design of liquid distributor and pre-distributor of large scale.