崔海龍 趙劍光

摘要利用計算流體力學（CFD）方法模擬主要操作參數(shù)對多級進氣平板式光生物反應(yīng)器的混合傳動、傳質(zhì)及傳光性能的影響。結(jié)果表明，當3種操作參數(shù)通氣分配比例、反應(yīng)器底部度數(shù)、隔板長度比例分別為1∶2∶3、30°、3∶2∶1時，反應(yīng)器的混合傳動性能最佳；操作參數(shù)分別為1∶3∶2、45°、3∶2∶1時，反應(yīng)器傳質(zhì)性能最佳；操作參數(shù)分別為3∶2∶1、45°、2∶2∶3時，反應(yīng)器傳光性能最佳。模擬試驗結(jié)果對平板式光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞多級進氣；光生物反應(yīng)器；傳動；傳質(zhì)；傳光；計算流體力學

中圖分類號S188；O359文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）21-031-03

微藻是一類分布廣泛，光合作用利用度高，只能在顯微鏡下才能分辨其形態(tài)的微小藻類類群。隨著對微藻研究的日益成熟，其在食品及保健品、能源、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。微藻的大規(guī)模商業(yè)化培養(yǎng)是未來微藻發(fā)展的趨勢，然而用于微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器技術(shù)不佳卻嚴重制約微藻的商業(yè)化發(fā)展[2]。近年來隨著計算流體力學（CFD）技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)在光生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域因其研發(fā)周期短、成本低、可以全面研究反應(yīng)器流場特性等優(yōu)勢而得到了廣泛應(yīng)用并取得了一定的研究成果，提高了光生物反應(yīng)器微藻培養(yǎng)性能。

研究光生物反應(yīng)器微藻培養(yǎng)性能的提升過程中，研究者必須綜合考慮反應(yīng)器性能的多個因素[3]。因此在反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計上，該研究與已有的研究光生物反應(yīng)器文獻中選擇的評價參數(shù)相同[4-8]，筆者選擇平均湍動能（ATK）作為評價反應(yīng)器混合傳動性能的指標，選擇液相體積傳質(zhì)系數(shù)（KLa）作為反應(yīng)器傳質(zhì)性能指標，選擇反應(yīng)器光照徑向速度（U）作為其傳光特性指標，對多級進氣光生物反應(yīng)器影響微藻培養(yǎng)性能的通氣分配比例、反應(yīng)器底部度數(shù)、隔板長度分配比例進行了研究。

1試驗裝置及網(wǎng)格劃分

試驗裝置及網(wǎng)格劃分見圖1，該試驗構(gòu)建了多級進氣的平板式光生物反應(yīng)器，其反應(yīng)器外圍結(jié)構(gòu)，長寬高為 250 mm×150 mm×420 mm，實際液高為400 mm，裝液體積為15 L，反應(yīng)器的外壁和導流隔板分別采用5 mm 和3 mm 厚的有機玻璃材料。反應(yīng)器隔板間隙為15 mm，隔板長度為100 mm，隔板上沿距液面的距離為30 mm。反應(yīng)器氣體分布器采用內(nèi)徑6 mm 的塑料軟管，軟管頂部開有3排直徑0.5 mm的通氣氣孔，每個通氣孔間隔1 cm，分布器的中心線與擋板下沿處于同一水平高度。

對建立的幾何模型采用網(wǎng)格劃分軟件ANSYS ICEM CFD（64bit）進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。采用流體仿真軟件ANSYS 14.4 Fluent對所建立的平板式生物反應(yīng)器模型進行模擬計算，由于出氣口的初始速度變化梯度較大，采用局部加密網(wǎng)格，為減少計算量，幾何模型Z方向取其中的1/10，兩面設(shè)為周期性界面。

2數(shù)值模擬

2.1控制方程

采用Eulerian-Eulerian多相流方法模擬氣液兩相混合流動，假定流體為連續(xù)相，分散相為不可壓縮氣體，且兩相流之間不考慮能量傳遞，也不考慮兩相之間物理化學變化，其控制方程[9]：

質(zhì)量守恒方程：

t（αqρq）+·（αqρqvq）=mpq（1）

動量守恒方程：

t（αqρqvq）+·（αqρqvqvq）=

-αqp+·τq+

Kpq（vp-vq）+mpq

vpq+mqρqg+αqρqFq

（2）

湍流模型k方程：

t（αqρqkq）+·（αqρqvqkq）=

·αqμeff，qσkkq+αqGk，q-αqρqεq+αqρqkq

（3）

湍流模型ε方程：

t（αqρqεq）+·（αqρqvqεq）=

·αqμeff，qσεεq+αq

εqkq（C1εGk，q-C2ερqεq）+αqρqkq（4）

該研究中氣含率較小，因此，升力、虛擬質(zhì)量力不是主要影響因素，式（4）中只應(yīng)用Schiller-Naumann 方法考慮曳力[5，8]的影響。

式中，Cε1、Cε2、σε、σk為湍流參數(shù)，α為相體積分數(shù)，ε為湍動能耗散率（m2/s3），μeff為有效粘度（Pa·s），mpq為第p相到q相的質(zhì)量傳遞（kg），K為相間動量傳遞系數(shù)，Gk為湍流動能產(chǎn)生項[kg/（m·s3）]。

Xue等[10]在反應(yīng)器氣液兩相流的基礎(chǔ)上，利用溶質(zhì)滲透理論和各項湍流理論建立了液相體積傳質(zhì)系數(shù)數(shù)學模型，李昱喆等[5]和王淋淋等[8]利用該液相體積傳質(zhì)系數(shù)模型對反應(yīng)器進行了模擬研究并通過試驗驗證了其準確性和可行性，該研究對于反應(yīng)器傳質(zhì)性能繼續(xù)采用該數(shù)學模型，液相體積傳質(zhì)系數(shù)可表示為：

kLa=2πDLρLεμ0.256εgdb（1-εg）（5）

式中，KLa為溶氧體積傳質(zhì)系數(shù)（s-1），d為氣泡直徑（m），εg為平均氣含率（%），μ為剪切粘度[kg/（m·s）]，ρ為流體密度（kg/m3），D為液相擴散系數(shù)（m2/s）。

2.2數(shù)值方法與邊界條件

采用標準kε模型模擬湍流，壁面附近流動選用標準的壁面函數(shù)法，設(shè)置流體為非穩(wěn)態(tài)流動。入口處邊界條件定義為速度入口，其氣相體積分數(shù)定義為1，出口處邊界條件定義為壓力出口，出口空氣回流體積分率設(shè)為1。液面上部的計算區(qū)域初始化設(shè)置氣體的體積分數(shù)為1。結(jié)合試驗觀察，氣泡大小設(shè)置為4 mm[5]。設(shè)置計算殘差收斂標準小于10-5，時間步長設(shè)定為0.001 s。隨迭代時間增加，流場逐漸趨于收斂，當質(zhì)量殘差曲線在10-3附近，其余殘差曲線分別在10-4附近且變化幅度不大，進出口界面氣體流量差距在0.1%之內(nèi)且不同監(jiān)控點變化在1%之內(nèi)，可認為流場達到收斂狀態(tài)[5，8]。

3結(jié)果與分析

3.1通氣分配比例對反應(yīng)器性能的影響在通氣率為9 L/min下對多級進氣光生物反應(yīng)器上段、中段、下段的通氣分配比例進行了研究，以反應(yīng)器的混合傳動性能平均湍動能（ATK）作為評價參數(shù)。由圖2可知，當反應(yīng)器上段、中段、下段通氣分配比例為1∶2∶3和1∶3∶2時，反應(yīng)器混合傳動性能較好，當通氣分配比例為3∶2∶1和3∶1∶2時，反應(yīng)器混合傳動性能較差，說明在多級進氣反應(yīng)器中段和下段通氣分配比例較高時，提升反應(yīng)器的混合傳動性能，當上段通氣比例分布較高時，不利于提升反應(yīng)器的混合傳動性能。

通氣分布比例對反應(yīng)器傳質(zhì)性能的影響見圖3，由圖3可知，當通氣比例為2∶1∶3時，反應(yīng)器的液相體積傳質(zhì)系數(shù)最低，反應(yīng)器的傳質(zhì)性能較差，當通氣比例在3∶1∶2時，反應(yīng)器的傳質(zhì)性能也相對較差。然而，當通氣比例在1∶3∶2和2∶3∶1時，反應(yīng)器的液相體積傳質(zhì)系數(shù)較好，由此可知，適當?shù)靥岣叻磻?yīng)器中段的通氣比例分配可以提高反應(yīng)器的傳質(zhì)性能。

由圖4可知，當通氣比例在3∶1∶2時反應(yīng)器光照方向徑向速度最好，微藻對光能的利用效率最佳。當通氣分配比例在2∶1∶3時，反應(yīng)器的傳光性能最差。最佳通氣比例下的傳光性能較最差的通氣比例下傳光性能提升了44.1%，其他通氣分配比例對反應(yīng)器傳光性能影響不大。

3.2底部度數(shù)對反應(yīng)器性能的影響

為優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)部流場，反應(yīng)器底部左右各去掉一個角，其外壁斜邊與底部形成夾角（底部度數(shù)）。反應(yīng)器的底部度數(shù)對反應(yīng)器混合傳動性能的影響見圖5。由圖5可知，隨著反應(yīng)器底部度數(shù)的增加，反應(yīng)器的平均湍動能系數(shù)逐漸降低，混合傳動性能逐漸變差。當反應(yīng)器底部度數(shù)在45°～60°時，反應(yīng)器平均湍動能變化幅度較小，當反應(yīng)器底部度數(shù)在60°～75°時，反應(yīng)器平均湍動能變化幅度較大，受反應(yīng)器底部度數(shù)的變化影響較大。

反應(yīng)器底部度數(shù)對反應(yīng)器傳質(zhì)和傳光性能的影響見圖6。由圖6可知，反應(yīng)器的液相體積傳質(zhì)系數(shù)和光照方向徑向速度變化的趨勢相差不大，都隨著反應(yīng)器底部度數(shù)先逐漸增加，當?shù)撞慷葦?shù)在45°時，兩者的數(shù)值達到最大，然后隨著底部度數(shù)的增加，逐漸降低，說明當反應(yīng)器底部度數(shù)在45°時反應(yīng)器的傳質(zhì)性能和傳光性能最佳，提高了微藻的培養(yǎng)性能。

3.3內(nèi)部隔板分段比例對反應(yīng)器性能的影響反應(yīng)器隔板分配比例對反應(yīng)器性能的影響見圖7，由圖7a和7b可知，當反應(yīng)器上段、中段、下段的隔板分配比例為3∶2∶1時，反應(yīng)器的平均湍動能參數(shù)和液相體積傳質(zhì)系數(shù)參數(shù)最高，而相對應(yīng)的當反應(yīng)器隔板的分配比例為1∶2∶3時，反應(yīng)器的平均湍動能和液相體積傳質(zhì)系數(shù)最低，說明適當提高反應(yīng)器上段隔板的分配比例可以提高反應(yīng)器的混合傳動性能和傳質(zhì)性能。由圖7c可知，當反應(yīng)器的隔板分配比例在2∶3∶1時，反應(yīng)器光照方向傳光性能最差，當隔板分配比例在2∶2∶3時，反應(yīng)器的傳光性能最佳。

4結(jié)論

該研究建立了多級進氣平板式光生物反應(yīng)器幾何模型，采用CFD技術(shù)利用Eulerian-Eulerian多相流方法模擬研究了反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流體動力學過程，研究了反應(yīng)器的通氣分配比例、反應(yīng)器底部度數(shù)、反應(yīng)器隔板分配比例對光生物反應(yīng)器混合傳動、傳質(zhì)、傳光性能的影響。

（1）多級進氣反應(yīng)器中段和下段通氣分配比例較高時，提升反應(yīng)器的混合傳動性能，其中當通氣分配比例為1∶2∶3時，反應(yīng)器混合傳動性能最佳。通氣比例在1∶3∶2時，反應(yīng)器的液相體積傳質(zhì)系數(shù)較高，當通氣分配比例為3∶1∶2時，反應(yīng)器的傳光性能最佳。

（2）隨著反應(yīng)器底部度數(shù)的增加，反應(yīng)器的平均湍動性能逐漸降低。當反應(yīng)器底部度數(shù)在45°時，反應(yīng)器的傳質(zhì)性能與傳光性能最佳。

（3）對于反應(yīng)器內(nèi)部隔板分配比例研究表明，適當?shù)靥岣吖馍锓磻?yīng)器上段隔板的分配比例可以提高反應(yīng)器混合傳動、傳質(zhì)性能，當隔板分配比例在3∶2∶1時，反應(yīng)器的混合傳動、傳質(zhì)性能最佳。當隔板的分配比例在2∶2∶3時，反應(yīng)器的傳光性能最佳。

參考文獻

[1] VIGANI M，PARISI C，RODRIGUEZCEREZO E，et al.Food and feed products from micro-algae：Market opportunities and challenges for the EU[J].Trends in Food Science & Technology，2015，42（1）：81-92.

[2] JUNYING Z H U，JUNFENG R，BAONING Z.Factors in mass cultivation of microalgae for biodiesel[J].Chinese Journal of Catalysis，2013，34（1）：80-100.

[3] PERNER I，POSTEN C，BRONESKE J.CFD optimization of a plate photobioreactor used for cultivation of microalgae[J].Engineering in Life Sciences，2003，3（7）：287-291.

[4] 林晨，李元光，王偉良，等.一種新型多節(jié)隔板-平板式光生物反應(yīng)器的數(shù)值和實驗研究[J].高?；瘜W工程學報，2009，23（2）：263-269.

[5] 李昱喆，齊祥明，劉天中，等.帶波紋隔板的平板式光生物反應(yīng)器流動特性[J].過程工程學報，2010，10（5）：849-855.

[6] WANG L，YOU X.Light-gradient mixing performance improvement of the flat plate photobioreactor with waved baffles[J].Chemical and Biochemical Engineering Quarterly，2013，27（2）：211-218.

[7] HUANG J，LI Y，WAN M，et al.Novel flat-plate photobioreactors for microalgae cultivation with special mixers to promote mixing along the light gradient[J].Bioresource Technology，2014，159：8-16.

[8] 王淋淋，尤學一.波形隔板對平板式生物反應(yīng)器傳質(zhì)及混合性能的影響[J].過程工程學報，2012，12（5）：748-753.

[9] 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2004：120.

[10] XUE S W，YIN X.Numerical simulation of flow behavior and mass transfer in internal airlift-loop reactor[J].Chemical Engineering，2006，34（5）：24-27.