搅拌式反应器的模拟与优化设计.pdf

《化工装备技术》第30卷 第4期2009年 搅拌式反应器的模拟与优化设计水 ● ●I●● 银建中一。 程绍杰 贾凌云 银建伟 (1大连理工大学化工学院化工机械系 2大连理工大学环境与生命学院生物科学与工程系 3内蒙古包钢稀土高科技股份有限公司) 摘 要 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。 关键词 计算流体力学 搅拌式反应器 数值模拟 人工神经网络 优化设计 0 前言 设计和放大主要依靠经验方法，设计周期长、偏差 大等问题带来了巨大的经济损失。如何准确地描述 搅拌式反应器(StirredTankReactor，STR)因其 和模拟反应器内的混合过程及流动状况，为其优化 结构灵活、操作方式多样等特点，广泛应用于生物 设计和放大提供理论指导，是生物反应器技术研究 化工、冶金、食品、医药及环境等领域。搅拌的目 的一个重要发展方向…。2O世纪70年代以来，随 的一般分为液液混合、气泡分散、颗粒悬浮、强化 着计算流体力学 (ComputationalFluidDynamics， 传热以及加速化学反应等。根据不同的搅拌 目的， CFD)技术的发展，利用数值模拟的方法来获得搅 所确定的最佳反应器几何结构和搅拌桨型式也会有 拌式反应器内流动和混合的信息已经成为现实。该 所不同。工业中最常用的带挡板搅拌式反应器 (Baf- fledStirredTankReactor，BSTR)，结构如图1所示。 数值方法是通过建立各种条件下的基本守恒方程 (包括质量、动量以及能量方程等)，结合初始条 件、边界条件和数值计算方法，实现模拟真实过程 中各种场如流场、温度场、浓度场等的分布，以达 到对过程 的设计、优化、控制和放大的 目的。同 时，伴随着 PIV粒子成像测速技术的发展，PIV实 ··一 D ·—--· d 验所获得的大量数据，为搅拌式反应器内的数值模 E mr．--3I6 拟提供了真实可靠的依据和检验标准。可以说， ·- ．一 ． ．， CFD技术将对生物反应器的开发带来革命性的变 - · ·- - -- — - — 一 T ·——--—-—0 化 。 (a)带挡板的标准反应釜 (b)Rush(m【 涡流搅拌浆