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微藻在食品、医药、化工环保、生物能源以及其它领域具有巨大价值,而当前微藻培养很难向规模化商业应用提供连续、充足和低廉生物量,因此研究微藻培养技术,特别是反应器技术,对实现高效低成本的规模培养至关重要。平板式反应器是一类用于微藻培养的封闭式反应器,由于反应器内部流动和传质的复杂性,对其设计及放大仍主要依赖专家经验,缺少理论指导,且耗资巨大,设计周期长,因此对反应器内流动和传质的研究显得十分迫切。本文利用CFD(Computational Fluid Dynamics)对平板式反应器流场特性做了深入研究,以期为高密度微藻培养提供性能优良的反应器及技术参数。
本文首先利用Fluent软件,采用Eulerian-Eulerian模型,模拟了平板式反应器气液两相流场,经网格独立性测试,确立了网格划分数量。并通过模拟结果与实验结果的比较,验证了CFD模拟结果的可靠性。
Scenedesmus dimorphus在不同隔板平板式反应器内的培养实验表明,内部加装单竖直隔板的平板式反应器比无隔板反应器可获得更高的生物量产率,表明隔板确实改善了反应器内部流场状况。在通气率O.1～0.6 vvm下,模拟结果表明单隔板将流场分为升液区和降液区,液体围绕隔板循环流动,液速随通气率的增加而增大。气泡主要集中在升液区,平局气含率和KLa随通气量增加近线性增大。
在通气率0.3 vvm下,隔板位置对流动和传质有明显影响,当降液区与升液区流道横截面积比Ad/Ar小于0.5时,升液区观察到大涡旋和气泡群的摆动。当Ad/Ar=2时,获得最大液体体积传质系数为2.65x10-3 s-1。隔板长度的变化对液体流型并没有明显改变,对平均气含率和KLa影响甚微,但对升液区和降液区的流速有影响,当隔板长度为0.28 m时,升流区和降液区液速最大。
双竖直隔板比单竖直隔板提高了平板式反应器流场液速,但对平均气含率和KLa没有明显影响。在反应器内部安装波纹隔板后,双波纹隔板比双竖直隔板平板式反应器平均气含率提高了14.9％,传质系数提高了14.6％。模拟云图和矢量图表明双波纹隔板平板式反应器与竖直双隔板平板式反应器流场相似,液体在升液区和降液区之间形成了良好的循环,升液区液速快,降液区液速相对较慢。气泡主要分布在升液区。随通气率的增加,液相速度、平均气含率和液相体积传质系数均近似线性增加。
波纹隔板加强了反应器气液传质能力,KLa与波纹双隔板平板式反应器单位体积能量输入之间存在良好的线性关系,在较低的单位体积能量输入下可获得较高的KLa。
综合考察液相体积传质系数KLa、平均气含率εg和液体在降液区和循环一周时间比θ,通过CFD模拟确定了双波纹隔板平板式反应器一个较优的结构为Ad/Ar=1.62,ho=260 mm,h1=20mm,其中参数ho,h1主要影响着反应器内的传质效果。