側攪拌發酵罐內流場特性的模擬研究

姜 勇，鄧立康，徐光輝，林海龍

（中糧集團有限公司，北京 100020）

一、引言

攪拌發酵罐式反應器是生物法生產酒精的核心設備之一，在發酵罐內醪液通過發酵實現由單糖向酒精的轉化，該過程直接影響原料的轉化率和酒精的產率，還會影響到操作費用和后續的分離過程，因而對發酵罐的結構優化進行研究具有重要價值。

攪拌槳依據安裝位置的不同，可分為底入式、頂入式和側入式三類。酒精發酵過程，攪拌槳應該實現固體懸浮、液體混勻和氣體分散。側入式攪拌設備具有上述能力，并且具有設備費用低，功率消耗小和攪拌效果好的特點。側攪拌發酵罐中攪拌槳的選擇和安裝受諸多因素的影響，最基本的因素是介質的黏性、攪拌要求和槳造成的流動狀態。此外，還要考慮設備動力費用。

鄭曉東等研究了實驗室規模發酵罐的側入式攪拌槳的安裝位置、攪拌反應器內通氣速率、罐內固體顆粒濃度和罐內液位高度對側入式攪拌槽顆粒懸浮性能的影響。通過對功率準數、固體顆粒臨界懸浮轉速的測定，研究了側入式攪拌槳排布方式、偏轉角度、伸入長度、安裝高度等信息，得到了較優的側攪拌安裝方式。這些研究結果對指導工業設計具有一定作用，但是考慮到影響攪拌槳操作性能的因素較多，仍不能作為工業設計的直接數據。

華潤集團通過對酒精發酵罐側入式攪拌槳的安裝、操作方式的調整，在一定程度上改進了發酵罐的性能，在罐內建立了循環流動，減少了罐內物料的堆積，對抑制揮發酸的生成，提高淀粉原料的利用率具有一定的促進作用，然而仍存在很大的調整空間。

目前，對大型發酵罐的設計大多依靠經驗和分析現有工業實例的方法進行。采用實驗逐級放大的方法成本較高，采用傳統的設計方法，設計大型攪拌發酵罐存在一定的困難，常常需要中試實驗才能確定設計方案的可行。對現有裝置的改造如果憑借經驗進行，存在的風險較大。

計算流體力學（CFD，Computational Fluid Dynamics）是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象的系統所做的分析。CFD方法恰能彌補實驗方法的不足，通過不同的CFD模型可以描述不同形式、不同操作條件下攪拌體系的流動形態，進而獲得較優的設計方案和操作參數。正是由于以上優點，使用CFD軟件對化工設備進行輔助設計的方法越來越被人們所重視。

擬采用CFD方法首先對某公司現有酒精發酵罐及攪拌設備內的流場情況進行模擬。通過對現有設備的流場狀況分析，找到改進的方案以期解決固相物料沉積嚴重、物料濃度分布不均勻和罐內死角較多等問題，進一步降低發酵罐總體的功率消耗。

二、數值模擬

1.發酵罐及攪拌裝置參數

發酵罐為圓柱形，直徑11m，高度15m。位于底部的攪拌器共有四個，均勻分布，距底部0.8m。攪拌器直徑0.8m，三片槳葉，槳葉寬度為D/4，槳葉高度為D/5。工作介質為發酵液，黏度約為0.4Pa·s，密度約為930kg/m3。

2.網格劃分

依據從發酵現場實際采得的數據，建立現有裝置的三維立體模型，然后在Gambit軟件中對其進行劃分網格工作。計算中采用的是四面體非結構化網格。為了增加計算的精確度，對槳葉、交界面、近壁區采用網格加密處理。網格總數大約為51.4萬個。

3.模型選擇

將劃分好的網格導入到Fluent求解軟件中，進行邊界條件等參數的設置，而后進行計算。選用3d求解器。經分析，發酵罐內攪拌器附近區域的醪液隨著槳葉的轉動，運動速度很快，攪拌雷諾數在3.0×105，屬于湍流，但是這一情況覆蓋范圍很小，僅限于攪拌器周圍的區域；主體區域的流動狀況屬于層流，所以選用層流方程。對于攪拌器的模擬選用多參考系模型（MRF），采用穩態的方法模擬，所有固體表面上設置為壁面邊界條件（Wall）。最大迭代次數10 000，采用上風（Upwind）差分格式。

三、模擬結果與討論

1.原有設備模擬

（1）速度分布分析

通過對四個攪拌器同時工作時模擬的速度分布云圖分析得出，在主體區域內醪液的流速較大，可以維持0.3m/s以上，但是中間區域（靠近壁面處也有少量分布）存在一個低速區，速度＜0.1m/s。底部低速區的存在會造成發酵液中固形物的沉積，影響固形物的分布均勻程度及混合效果，進而影響發酵效果。

（2）流場分析

通過對發酵罐內流場模擬的速度分布矢量圖的分析得出，發酵罐底部截面上形成了一個順時針旋轉的流場，同時由于推進式攪拌器向上傾斜，推動醪液邊旋轉邊向上運動。整個流場內醪液的流動情況為攪拌器推動醪液形成一個橫截面上的循環流場，另一方面醪液在發酵罐外部循環上升，到達頂部后向中心部位螺旋式運動，從中心位置附近向下運動，直至回到發酵罐底部，形成一個循環。在罐體1/3以下的區域可見小漩渦，分析認為漩渦主要是內部和外部醪液的運動方向不同，相互影響產生的，可能會使部分醪液不能到達頂部，直接回到發酵罐下部。

（3）速度分布體積比分析

通過計算得到了不同速度區間的醪液占發酵罐總體積的百分比。其中速度小于0.05m/s的區域主要集中在發酵罐底部和頂部邊緣處，速度小于0.10m/s的區域主要是發酵罐中心區域和靠近壁面的部分。如圖1所示，在發酵罐內，速度在0.1～0.15m/s之間的區域體積最大，占總體積的51.65%；其次為速度在0.05～0.1m/s、0.15～0.2m/s、0～0.05m/s之間的區域，分別占總體積的28.22%、19.57%、0.56%。

（4）功率分析

在CFD模擬基礎上，通過建立局域坐標系利用扭矩計算功率的方法，可以得到各個攪拌器的功率，四個攪拌器的功率分布為16±0.3kW。計算結果與實際功率相比，約為實際功率的86.4%，考慮到傳動過程摩擦及其他功率消耗，計算結果基本合理。

（5）小結

通過對原有裝置進行CFD模擬，得到了發酵罐內詳細的流場信息，在此基礎上計算了各個攪拌器的功率。由發酵罐速度云圖可以看出，原設計方案存在明顯不足，主要表現在攪拌罐中心區域速度較低，速度在0～0.1m/s之間的區域，占總體積的28.78%，達不到較好的攪拌效果。改善發酵罐內的流場首先應當減少底部的低速區，避免有固含物沉積，影響發酵；其次應當盡量加強主體區域的循環速度，縮短整個循環時間，在此基礎上同時實現降低功率的目的。

2.改進方案及模擬結果分析

主要從攪拌器的安裝位置和角度入手對攪拌器的安裝方案進行改動，表1為改進方案攪拌器的安裝位置情況。

表1 改進方案攪拌器的安裝位置

（1）改進后的速度分布

通過對改進后工作時模擬的速度分布云圖分析得出，0.3m/s以上速度覆蓋范圍較原方案增大許多，中間速度小于0.1m/s的區域較原始方案明顯減少；主體區域的低速區（速度≤0.1m/s）也較原始方案有所減少，起到了很好的改進效果。

（2）改進后的流場分析

通過對改進后工作時模擬的流場矢量圖分析得出，改進方案中攪拌器兩兩結合，形成合力，推動醪液運動，形成順時針方向的循環流動，底部循環速度＞0.3m/s區域較現有攪拌配置大。

（3）改進后攪拌罐內速度分布體積比分析

圖2為改進后發酵罐內不同速度區間占發酵罐總體積的百分比。在整個發酵罐內，速度在0.1～0.15m/s之間的區域體積最大，占總體積的54.01%；其次為速度在0.15～0.2m/s、0.05～0.1m/s、0～0.05m/s之間的區域，分別占總體積的29.01%、16.16%、0.82%。其中0.1～0.15m/s和0～0.05m/s之間的區域體積變化不大。但是速度在0.15～0.2m/s之間的區域體積明顯增加，同時速度在0.05～0.1m/s之間的區域體積明顯減少，可以看到改進方案顯著提升了攪拌效果，降低了低速區域體積的同時，增加了高速區域體積，主體循環速度也有明顯增加。

（4）改進后的功率分析

通過對改進后的發酵罐建立局域坐標系并利用扭矩計算功率得到了如圖3所示的功率對比可知。改變攪拌器安裝位置，可以實現功率降低10%以上的目標。

四、結論

通過對發酵罐進行CFD數據模擬，分析發酵罐內流場的流型、速度分布等，發現原始設計方案存在明顯不足，主要表現在攪拌罐中心區域速度較低，速度在0～0.1m/s之間的區域，占總體積的28.78%，達不到較好的攪拌效果。

針對上述問題，提出了對現有攪拌設備的改造方案，主要對攪拌器的安裝位置、角度等做了調整，從而大大降低了低速區覆蓋的體積，使得發酵罐內速度分布更加均勻。速度在0.15～0.2m/s之間的高速區域體積從19.57%增加到29.01%，速度在0.05～0.1m/s之間的低速區域體積從28.22%減少到16.16%。同時通過對改造方案的模擬分析可知，此方案可以實現攪拌功率降低10%的目標，目前企業發酵罐攪拌器已經改造完成，攪拌器總功率由原來的74kW降低至60kW，攪拌器功率降低達19%。

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