新型攪拌槳對高粘度非牛頓流體氣液分散效果的動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、微生物多糖通常以可再生資源為生產(chǎn)原料,具有高粘度、假塑性特征,是一類應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的大宗產(chǎn)品。但是其粘度高、流變行為復(fù)雜的特點(diǎn)嚴(yán)重地影響發(fā)酵過程的混合、傳熱和傳氧,從而影響生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和產(chǎn)量。因此,開發(fā)適用于高粘度流體的攪拌和發(fā)酵設(shè)備無疑成為微生物多糖工業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)度提高的關(guān)鍵。
　　 計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)的出現(xiàn)極大的提高了攪拌混合設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用效率。運(yùn)用CFD配合設(shè)計(jì)后

2、期針對性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以有效的減少勞動(dòng)和研究經(jīng)費(fèi)的投入。本工作基于上述方法對一種針對高粘度流體的攪拌槳的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行研究,并以此為基礎(chǔ)優(yōu)化出該類攪拌槳的最佳型式,并考察更適合非牛頓流體的高效節(jié)能的攪拌系統(tǒng)。
　　 首先,以濃度2％(wt),通氣量1 vvm的黃原膠水溶液為攪拌模型,運(yùn)用CFD技術(shù)對對稱鋸齒雙斜葉渦輪攪拌槳(Symmetric Sawtooth Double Pitch Blade Turbine,SPT)結(jié)構(gòu)進(jìn)行

3、優(yōu)化。結(jié)果表明,槳葉片開口夾角的尺寸對SPT混合及氣液分散性能有顯著影響。綜合考慮攪拌功耗,泵送流量,氣含率,溶氧體積傳質(zhì)系數(shù)以及氧傳質(zhì)效率等因素,發(fā)現(xiàn)槳葉片開口夾角60°時(shí),SPT整體表現(xiàn)最優(yōu)。
　　 然后,在前期研究的基礎(chǔ)上,對比了優(yōu)化過的SPT與六直葉圓盤渦輪(Disk Turbine,DT)在不同轉(zhuǎn)速和通氣速率下的攪拌效果,考察了兩種槳攪拌時(shí)體系內(nèi)液相流變行為及傳氧性能。結(jié)果表明,在考察的操作范圍內(nèi),SPT比DT單位體積

4、功率普遍節(jié)省35％左右,SPT氧傳質(zhì)效率比DT高出10％以上。
　　 最后,研究了三層組合槳在高粘度流體體系中的攪拌表現(xiàn)。槳型包括SPT、DT和四葉旋槳式攪拌槳(KSX)及其不同組合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在設(shè)計(jì)的6種攪拌槳組合中,SPT-KSX-KSX組合所提供的氧傳質(zhì)效率最高,比傳統(tǒng)的DT-DT-DT攪拌系統(tǒng)提高23％。同時(shí),6組實(shí)驗(yàn)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值相對誤差均小于10％。通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),盡管SPT-KSX-KSX攪拌體系所產(chǎn)生