工业规模搅拌反应器中高粘假塑性流体气液传质过程的研究

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1、分类号：TQ027学号：201500369023硕士学位论文工业规模搅拌反应器中高粘假塑性流体气液传质过程的研究InvestigationsofGas-LiquidMassTransferProcessforHighViscosityPseudoplasticFluidinIndustrialScaleStirredReactor研究生姓名：郭莉指导教师：徐世艾教授学科门类：工学专业名称：化学工程与技术论文提交日期：2018年4月24日分类号：TQ027学号：201500369023硕士学位论文工业规模搅拌反应器中高粘假塑性流体气液传质

2、过程的研究InvestigationsofGas-LiquidMassTransferProcessforHighViscosityPseudoplasticFluidinIndustrialScaleStirredReactor研究生姓名：郭莉指导教师：徐世艾教授学科门类：工学专业名称：化学工程与技术论文提交日期：2018年4月24日烟台大学硕士学位论文摘要搅拌设备是工业生产中的常用设备，被广泛应用于化工生产、食品发酵和造纸等行业。特别是在食品发酵中，搅拌釜式反应器更是成为应用最为广泛的一种反应器。黄原胶溶液属于一种假塑性流体，其发酵

3、过程在机械搅拌式反应器中进行，但在发酵过程中，发酵液粘度的大幅度变化影响了反应器内的溶氧、传质和混合效果，严重制约了黄原胶的工业化生产。本文借助计算流体力学（CFD）商用软件Fluent15.0，以1.0wt%黄原胶溶液为工作介质，在有无盘管的条件下分别研究了装有最大叶片式（MB）搅拌器和三层六直叶圆盘涡轮（TT）搅拌器的工业规模反应器内黄原胶溶液的相间传质和混合效果。希望通过本研究改善黄原胶发酵过程中遇到的问题，并为高粘流体的气-液混合提供理论指导和数据支撑。研究内容及主要结论如下：首先，为获得各搅拌器在不同条件下的基础数据，在不通气

4、的工况下对其单相体系进行计算，选择RNGk-模型处理主流域的湍动，桨叶区域的处理采用了多重参考系法。结果表明：MB搅拌器在搅拌过程中形成整体“大循环”的流型结构，TT搅拌器在每个桨叶的上下各形成一个循环。随着搅拌转速的增加，两种搅拌器的单位体积功耗、排液量、剪切速率均有所增加，且高剪切速率及高排液区主要集中在桨叶区。加入盘管后，盘管及釜壁附近的流型变得较为复杂，同时，搅拌器的单位体积功耗和剪切率提高，排液量有些下降。其次，向上述体系中通入气体，进一步研究气-液两相混合过程。采用Euler-Euler模型处理气-液两相流问题、气泡的破

5、碎和聚并采用群平衡模型描述。结果表明：通入气体后，介质表观密度下降，单位体积功耗降低。在相同单位体积功耗下，随着通气量的增加，反应器内的气含率增加，气泡直径变大，TT搅拌器的气液传质系数大于MB搅拌器。加入盘管后，盘管的存在加大了流体阻力，促进了气泡的破碎，有利于相间传质。反应器内单位体积功耗及气液传质系数增大，反应器内气泡直径减小。增加功耗，流体湍流程度加剧，气泡在较强的湍动能作用下发生I摘要破碎。反应器内平均气泡尺寸减小，气含率升高，其气液传质系数也随之增大，但TT搅拌器的气液传质系数仍然大于MB搅拌器。关键词：计算流体力学（CFD

6、）；工业规模；假塑性流体；气液传质II烟台大学硕士学位论文AbstractStirredequipmentisamostfrequentlyusedequipmentinindustrialproduction.Itiswidelyusedintheindustryofchemicalproduction,foodfermentationandpapermaking.Especiallyinfoodfermentation,stirredreactorisoneofthemostwidelyusedreactors.Xanthangum

7、solutionisakindofpseudo-plasticfluidanditsfermentationprocessiscarriedoutinamechanicallystirredreactor.However,duringthefermentationprocess,agreatchangeintheviscosityoffermentationbrothaffectedthedissolutionofoxygen,masstransferandmixinginthereactor,seriouslylimitingthei

8、ndustrializationproductionofxanthangum.Inthispaper,thereactorsaredesignedintotwotypes,withorwithoutheli