新型搅拌桨对高粘度非牛顿流体气液分散效果的动力学研究
微生物多糖通常以可再生资源为生产原料,具有高粘度、假塑性特征,是一类应用领域广泛的大宗产品。但是其粘度高、流变行为复杂的特点严重地影响发酵过程的混合、传热和传氧,从而影响生产过程的稳定和产量。因此,开发适用于高粘度流体的搅拌和发酵设备无疑成为微生物多糖工业生产强度提高的关键。
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的出现极大的提高了搅拌混合设备的设计与应用效率。运用CFD配合设计后期针对性的实验验证可以有效的减少劳动和研究经费的投入。本工作基于上述方法对一种针对高粘度流体的搅拌桨的动力学行为进行研究,并以此为基础优化出该类搅拌桨的最佳型式,并考察更适合非牛顿流体的高效节能的搅拌系统。
首先,以浓度2％(wt),通气量1 vvm的黄原胶水溶液为搅拌模型,运用CFD技术对对称锯齿双斜叶涡轮搅拌桨(Symmetric Sawtooth Double Pitch Blade Turbine,SPT)结构进行优化。结果表明,桨叶片开口夹角的尺寸对SPT混合及气液分散性能有显著影响。综合考虑搅拌功耗,泵送流量,气含率,溶氧体积传质系数以及氧传质效率等因素,发现桨叶片开口夹角60°时,SPT整体表现最优。
然后,在前期研究的基础上,对比了优化过的SPT与六直叶圆盘涡轮(Disk Turbine,DT)在不同转速和通气速率下的搅拌效果,考察了两种桨搅拌时体系内液相流变行为及传氧性能。结果表明,在考察的操作范围内,SPT比DT单位体积功率普遍节省35％左右,SPT氧传质效率比DT高出10％以上。
最后,研究了三层组合桨在高粘度流体体系中的搅拌表现。桨型包括SPT、DT和四叶旋桨式搅拌桨(KSX)及其不同组合。实验结果显示,在设计的6种搅拌桨组合中,SPT-KSX-KSX组合所提供的氧传质效率最高,比传统的DT-DT-DT搅拌系统提高23％。同时,6组实验的模拟值与实验值相对误差均小于10％。通过分析实验数据发现,尽管SPT-KSX-KSX搅拌体系所产生的溶氧体积传质系数不是最高,但是其相对低的功耗表现足以弥补上述不足,使得该搅拌系统在高粘度发酵工业中形成潜在的成本优势。
计算流体力学;群落平衡方程;新型搅拌桨;发酵设备
江南大学
硕士
生物化工
詹晓北
2010
中文
TQ920.5
2011-08-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）