搅拌式反应器的模拟与优化设计
摘要
在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的基础上，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。在此基础上, 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Simulation and optimization design of
Stirred reactor
Abstract：
Base on the overview of computational fluid dynamics (CFD) technology in the stirred reactor research,we focused on the mixing reactor simulation of the flow field, including "black box" model of law, internal and external iteration, multiple reference frame method and the sliding mesh method, and pointed out the direction of development of CFD technology. On these basis,we described and evaluated the reactor flow mathematical model.We concludes with the application of artificial neural network and genetic algorithm to optimize the process operating conditions, biological response, and results combined CFD technology to achieve optimization of the structure of the bioreactor, so as to achieve overall optimization of the bioreactor system aims to guide experiments and industrial production.
Keyword: computational fluid dynamics, stirred reactor, numerical simulation, artificial neural networks, optimization
第1章前言
搅拌式反应器( Stirred Tank Reactor, STR)因其结构灵活、操作方式多样
等特点, 广泛应用于生物化工、冶金、食品、医药及环境等领域。搅拌的目的一般分为液液混合、气泡分散、颗粒悬浮、强化传热以及加速化学反应等。根据不同的搅拌目的,所确定的最佳反应器几何结构和搅拌桨型式也会有所不同。工业中最常用的带挡板搅拌式反应器(Baf-fled Stirred Tank Reactor, BSTR) , 结构如图1所示。
图1搅拌式反应器结构特征尺寸
尽管搅拌式反应器的结构比较简单, 但反应器内的流体流动和混合过程却很复杂。由于反应器的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。如何准确地描述和模拟反应器内的混合过程及流动状况, 为其优化设计和放大提供理论指导, 是生物反应器技术研究的一个重要发展方向[1]。20世纪70年代以来,随着计算流体力学( Computational Fluid Dynamics,CFD)技术的发展,利用数值模拟的方法来获得搅拌式反应器内流动和混合的信息已经成为现实。该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, P IV实验所获得的大量数据, 为搅拌式反应器内的数值模拟提供了真实可靠的依据和检验标准。可以说,CFD技术将对生物反应器的开发带来革命性的变化[2]。
第2章模拟方法
2.1 搅拌式反应器内CFD的发展趋势
随着计算机计算能力的不断提高, 以及在湍流模型和计算方法等方面的不断改善, 尤其是大型通用CFD软件的日趋成熟。CFD方法用于研究搅拌式反应器内
的流动显示出强大的生命力, 越来越多的研究者开始关注并涉足CFD领域。近年来, 在研究搅拌式反应器内的流动方面, CFD 的最新进展主要体现在以下几方面。
2.1.1 从结构化网格到非结构化网格
在CFD研究中, 对几何体进行建模与网格划分的前处理过程是很重要的。网格划分将直接影响到以后的求解计算过程, 高质量的网格容易收敛,从而减少机时, 提高计算精度。
随着CFD研究的不断深入, 需要解决的问题不再局限于简单的几何构型, 需要对各种复杂的结构进行研究。然而要对复杂几何构型进行结构化网格划分非常困难, 有时甚至是不可能的。鉴于此,可以采用简化构型的方法使其可以适应结构化网格, 这显然不是令人满意的方法。结构化网格在很大程度上限制了CFD在工业中的应用。
近年来人们逐渐重视研究另一类网格———非结构化网格。非结构化网格的基本思想基于如下假设: 四面体是三维空间最简单的形状, 任何空间区域都可以被四面体单元所填满, 即任何空间区域都可以被以四面体为单元的网格所划分。由于非结构网格舍去了结构化网格节点的结构性限制, 易于控制网格单元的大小、形状及网格点的位置, 因此比结构化网格具有更大的灵活性, 对复杂外形的适应能力非常强。正因为如此, 非结构网格技术在20世纪80年代末、90年代初得到了迅速的发展。
非结构网格在汽车、航天等领域的应用已经比较广泛, 在化工方面尤其是搅拌式反应器方面的应用还很少。1998 年Naude[3]利用FLUENT软件使用非结构化网格计算了一种轴流式搅拌桨(LUMPPLB)的三维流场, 并将计算结果和实验数据进行了比较。计算采用了多重参考系(MRF) 法, 由于MRF法是稳态计算, 计算中考虑了三种不同的桨叶和挡板的相对位置, 对三个计算结果取平均值后再与实验数据进行比较。
2.1.2 大涡模拟和直接数值模拟
对湍流问题最真实的描述是直接求解N-S方程, 即直接数值模拟(DNS) 。但是受到计算机计算能力的限制, 现在还只能计算低雷诺数和简单几何条件的问题, 到解决工程实际问题还有距离。
大涡模拟方法最早是由气象学家Smagornky[4]在1963年提出的, 所研究的问题是全球天气预报问题。后来这种方法被应用于解决工程问题。大涡模拟的基本思想是包括脉动运动在内的湍流瞬时运动通过某种滤波方法分解成大尺度运动和小尺度运动两部分。大尺度量通过数值求解运动微分方程直接计算出来; 小尺度运动对大尺度运动的影响将在运动方程中表现为类似雷诺应力一样的应力项, 称之为亚格子雷诺应力。将通过建立模型来模拟, 成为亚格子尺度模型( Subgrid Scale Mode) 。从一定意义上讲, 大涡模拟是介于直接数值模拟与一般模式理论之间的折中物。
2.1.3 多相流动的数值模拟
对搅拌式反应器内多相体系流动场的研究还很缺乏, 但在近几年的发展却非常迅速。Morud[5]计算了Rushton涡轮的气液两相流动场, 并将计算的气相速度与LDA测量结果进行了比较, 桨叶区径向速度结果吻合较好, 轴向速度计算结果偏高。Friberg[6]将Morud的计算从二维扩展到三维, 在三个方向均得到了较好的计算结果, 而且在计算中还捕捉到了位于叶轮后方的气穴。最近, Wu采用欧拉- 拉格朗日法计算了双层涡轮桨搅拌槽内的气液两相流动, 其计算结果虽然没有与实验数据进行定量比较, 但该方法却是令人鼓舞的。
2.2 搅拌式反应器的模拟方法
CFD技术的每一次发展都可以从模拟搅拌式反应器的应用中体现出来。搅拌式反应器内的流场是非常复杂的, 从数值模拟的观点来看, 模拟搅拌式反应器所面临的挑战是液面、槽壁、挡板、搅拌桨和搅拌轴所围成的流动域是随时间变化的, 这是与化工过程中其它反应器的一个差别。为了解决旋转的桨叶与静止的挡板之间的相互作用, 许多研究者提出了各自不同的解决方法。这个过程就是CFD技术不断发展完善的过程。这些方法主要有:“黑箱”模型法、内外迭代法、多重参考系法和滑动网格法等。
2.2.1“黑箱”模型法
“黑箱”模型法( Impeller Boundary Condition,IBC), 又称搅拌桨边界条件法, 作为最早的模拟搅拌式反应器的方法, 它是将叶轮扫过的区域从计算域中扣除, 而叶轮产生的搅拌流动场以实验数据作为边界条件代替。1982 年Harvery[7]第一次采用这种方法计算了涡轮搅拌桨的二维流动场, 并与实验数据
作了对比, 取得了一定成功。可以看出, 这种基于实验的数值模拟方法, 其局限性在于: 边界条件的确定一般离不开实验数据; 一套桨叶区域边界条件只能用于与实验条件几何相似的体系。受这些条件的限制, CFD 仍然不能成为独立的设计工具。
2.2.2 内外迭代法
图2 内外迭代法Σ1—内域Σ2—外域
1994 年B rucato[8]提出了“内外迭代法”( Inner - OuterMethod, IO)。它是将计算域分成内、外两个重叠的区域, 如图2所示。内域Σ1包括旋转的桨叶, 外域Σ2包括静止的挡板, 内域的计算在以搅拌桨速度旋转的参考系内进行, 外域的计算在静止坐标系下进行, 通过在两个区域间的交替迭代计算最终获得整个计算域的收敛结果。内外迭代法比起“黑箱”模型法有了很大的进步, 不再需要实验数据, 实现了搅拌反应器流动场的整体模拟。通过对某些搅拌桨流动场的计算, 证明该方法完全可以用于搅拌式反应器流动场的数值模拟。但计算时仍然需要试差迭代, 收敛速度慢, 所以未能被商业软件采用, 在一定程度上限制了该方法的普及应用。
2.2.3 多重参考系法
1994年Luo[9]提出了一种稳态流动场的计算方法, 它采用两个参考系进行计算, 桨叶所在区域是以桨叶速度旋转的参考系, 其它区域使用静止参考系, 用来计算叶轮区以外的流动场。与内外迭代法的区别在于多重参考系法(Multi - Reference Frame, MRF)划分的两个区域没有重叠的部分, 不再需要内外迭代过程, 两个不同区域内速度的匹配直接通过在交界面上的转换来实现, 因而使计算变得更加简单。使用这种方法计算了直叶涡轮搅拌桨的三维流动场, 计算结果
与Yianneskis[10]的实验数据吻合较好。1997年Weetman[11]利用该方法计算了A310搅拌桨的流动场。作为搅拌式反应器流动场计算的通用方法, MRF方法被添加到了FLUENT软件中, 使得该方法得到了普遍的应用。
2.2.4 滑移网格法
1987年Yianneskis等在实验中发现, 由于桨叶和挡板的周期作用, 叶轮所产生的流场也是周期性的, 而且桨叶附近的流动场主要包含了叶片所产生的尾涡。采用稳态的计算方法显然不能完全真实反映这种流动场, 只有采用非稳态的计算方法。1993年Luo[12]提出了滑移网格法( Sliding Grid, SG)。这种方法与多重参考系法网格划分法相同, 将计算域分成分别包含旋转的桨叶和静止的挡板两个区域。所不同的是, 采用滑移网格法时, 在两个区域交界面处有网格之间的相对滑动他们在STAR - CD 软件中采用这种方法计算了六直叶涡轮的流动场, 并与实验结果和一种稳态计算结果进行了比较, 该方法的模拟结果较好。滑移网格法最大的不足在于计算时需要大量的CPU时间以及复杂的后处理过程。文献中报道的算例多是在大型机或中型机上进行计算的。
2.3 优化设计
2.3.1 工艺优化
为了提高生物反应生产水平, 人们首先考虑的是菌种选育或基因工程构建, 往往忽视了生物反应器中工程问题所必须加以考虑的工艺和过程的优化。在得到一个高产菌株后, 随后的逐级放大与优化基本上是以最佳工艺控制点为依据, 采用人工经验为主的静态操作, 在方法上基本以正交试验为基础。
随着对细胞大规模培养技术的深入研究和对以分批培养为主要对象的发酵过程参数的时变性、多样性、耦合性和不确定性的认识, 建立了以过程动力学为基础的数学模型[13,14] , 引进了一系列现代控制理论, 其中有神经元网络、遗传算法、静态和动态优化、系统识别、自适应控制、专家系统、模糊控制、直到各种混沌现象的研究, 以实现工艺过程优化。这种适应发酵过程非线性特征的研究方法对细胞大规模培养技术研究的深入开展以及提高学术研究水平起到很大的推进作用。
人工神经网络(ANN)简称神经网络, 是由大量的简单处理单元广泛连接构成的复杂网络系统。由于人工神经网络具有自学习、高容错和高度非线性描述能力
等特点, 因此在许多领域得到了广泛的应用。银建中[15-17]等应用ANN技术对超临界CO2流体萃取沙棘籽油过程进行了动力学模拟, 建立了超临界流体萃取( SCFE)过程的人工神经网络模型。原华山[18]等将ANN技术应用于对超临界流体密度的预测, 获得了精确的计算结果。遗传算法(GA)是借鉴生物的自然选择和遗传进化机制而开发出的一种全局优化自适应概率搜索算法。目前遗传算法已广泛应用于许多实际问题。赵启明[19]采用遗传算法与人工神经网络技术(GA - ANN)相结合, 建立了一种氧化铁红产品质量预报与生产工艺优化模型。尹芳华[20]等用ANN 的反向传播(BP)算法建立了生物柴油转化率神经网络预测模型, 结合遗传算法对模型进行优化, 得到了最佳生物柴油制备条件。
2.3.2 结构优化
搅拌式反应器的结构包括搅拌釜结构、搅拌器型式和挡板结构。20世纪40年代, 通过对不同结构、尺寸反应器的研究, 提出了搅拌式反应器设计的标准化[21],即搅拌桨叶尺寸标准D /T = 0.33、挡板宽度标准B / T = 0.0833, 并广泛采用Rushton涡流搅拌桨。但标准化搅拌反应器的结构、尺寸及搅拌器型式并不一定最优, 标准叶轮结构、标准挡板也未必能适用特定的工艺要求。因此对于不同的混合目的, 所选用的搅拌釜结构、搅拌桨型式和挡板的放置方式也都会有所不同。结合CFD技术, 研究不同物系、不同反应釜结构、不同搅拌桨型式对生物反应的影响, 已成为生物技术工艺改进的一种有效途径。蒋啸靖[22]等应用CFD技术模拟了50L 搅拌式生物反应器中不同的搅拌桨组合对搅拌流场、混合时间的影响, 对搅拌桨组合进行了优化, 并将模拟优化结果用于重组大肠杆菌发酵过程, 得到了和实际发酵相一致的结果。赵卫宁[23]等模拟了搅拌式反应器内搅拌桨叶位置对肌苷发酵过程的影响, 从流体力学角度对反应器进行了结构优化, 提高了肌苷产率。
第3章结论
通过应用CFD技术模拟搅拌式反应器内的流场已经取得了很大进展, 推动了反应器的结构优化设计, 加速了新型高性能生物反应器的开发; 结合人工神经网络技术及遗传算法, 着重研究生物反应系统的内在规律, 实现了对生物反应器内生物反应的工艺过程优化。只有将结构优化与工艺过程优化相结合, 才能真正达到对生物反应系统的整体优化, 从而指导实验与工业生产。
参考文献
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在培养液和工艺未优化情况下 细胞悬浮培养密度可达 2.5 X 107cells/ml 一个50L纸片载体灌注系统的体积产量相当于1200个大转瓶的生产车间！ 20-40ml 模拟反应器系统用于工艺优化研究。 https://www.doczj.com/doc/762058475.html, 激流式灌注反应器 激流式灌注反应器配合激流式生物反应器使用，采用新型外循环式纸片灌注培养工艺，以纸片作为载体，利用激流式细胞培养器控制溶氧、pH、温度等细胞生长条件。
◆ 激流式灌注反应器细胞生长数据 ● 蛋白抗体生产用纸片载体灌注式不同细胞生长密度×纸片载体总重量 细胞名称5L灌注系统（细胞数/克载 体×载体总重量150克）50L灌注系统（细胞数/克载体× 载体总重量1200克） 150L灌注系统（细胞数/克载体 ×载体总重量3600克） CHO-K1 13.7×108cells/g×150g 16.4×108cells/g×1200g 正在进行中 CHO-S 21.0×108cells/g×150g 25.0×108cells/g×1200g 18.0×108cells/g×3600g 结论：一个150L纸片载体灌注系统连续灌注和丰收一个月的体积产量相当于一个国际水平的1500L的大型流加悬浮 培养罐。 优势：一次性使用纸片灌注系统，工艺简单，细胞生存活力特别稳定，适合于发展中国家大规模蛋白质和抗体药物生产。 ● 疫苗生产用纸片载体灌注式不同细胞生长密度×纸片载体总重量 细胞名称 5L灌注系统（细胞数/克载体 ×载体总重量150克） 50L灌注系统（细胞数/克载 体×载体总重量1200克） 150L灌注系统（细胞数/克载 体×载体总重量3600克） VERO（人） 6.0×108cells/g×150g 6.5×108cells/g×1200g 正在进行中 MDCK（人） 5.0×108cells/g×150g 正在进行中 正在进行中 Marc145（兽） 3.5×108cells/g×150g 正在进行中 正在进行中 ST1（兽） 4.0×108cells/g×150g 正在进行中 正在进行中 DF-1（鸡） 2.5×108cells/g×150g 正在进行中 正在进行中 CIK（鱼） 1.0×108cells/g×150g 正在进行中 正在进行中 EPC（鱼） 1.2×108cells/g×150g 正在进行中 正在进行中 结论：1、一个50L纸片载体灌注系统的体积产量相当于1200个大转瓶的生产车间，特别适合于大规模人用、兽（包括鸡和鱼）疫苗生产。同时，也是适合烈性传染病（例如禽流感和SARS）国家和军队的疫苗应急生产方法。 2、低成本、一次性使用，适合于发展中国家大规模疫苗生产的全部中国制造的高端生物反应器。 优势：1、由于一次性使用纸片灌注系统细胞密度特别高，所以细胞之间生长的相互支持力度大，生存活力特别强。 2、与使用转瓶和微载体冲洗和酶消化的接种方法相比，一次性使用纸片灌注系统细胞容易冲洗和酶消化，所 以解决了逐级放大的接种问题。 3、实现DO、pH、温度等培养条件的自动控制 ◆ 激流式灌注反应器的优势 ● 系统无气升装置、鼓泡或搅拌器，使剪切力最小化。 ● 培养液以一定流速流过纸片，供给贴壁依赖性细胞所需养分，在细胞周围形成稳定的流体轨道，可提供细胞生 长、交流和形成的三维结构。 ● 新型纸片适用于多种细胞系，可提供传统培养模式（转瓶等）无法比拟的细胞吸附面积，更利于细胞吸附和生 长。 ● 可解决贴壁培养放大问题，且空间占用少、操作简便、条件要求低。 ● 一次性纸片灌注培养系统用后就弃，可避免交叉污染、缩短批间处理周期，无需清洗、消毒、验证，极大地提 高工作效率。 ● 灌注袋事先经过γ射线照射，即拆即用。灌注袋也适用于5L,50L,150L激流式反应器。 激流式灌注反应器培养体系能力比一般反应器高出20倍，是细胞商业化培养、疫苗工业大规模生产的首选。
简介 什么是Process Flowsheet Process Flowsheet（流程图）可以简单理解为设备或其一部分的蓝图.它确定了所有的给料流,单元操作,连接单元操作的流动以及产物流.其包含的操作条件和技术细节取决于Flowsheet 的细节级别.这个级别可从粗糙的草图到非常精细的复杂装置的设计细节. 对于稳态操作,任何流程图都会产生有限个代数方程。例如，只有一个反应器和适当的给料和产物，方程数量可通过手工计算或者简单的计算机应用来控制。但是，当流程图复杂程度提高，且带有很多清洗流和循环流的蒸馏塔、换热器、吸收器等加入流程图时，方程数量很容易就成千上万了。这种情况下，解这一系列代数方程就成为一个挑战。然而，叫做流程图模拟的电脑应用专门解决这种大的方程组，Aspen PlusTM，ChemCadTM，PRO/IITM。这些产品高度精炼了用户界面和网上组分数据库。他们被用于在真是世界应用中，从实验室数据到大型工厂设备。 流程模拟的优点 在设备的三个阶段都很有用：研究&发展，设计，生产。在研究&发展阶段，可用来节省实验室实验和设备试运行；设计阶段可通过与不同方案的对比加速发展；生产阶段可用来对各种假设情况做无风险分析。 流程模拟缺点 人工解决问题通常会让人对问题思考的更深，找到新颖的解决方式，对假设的评估和重新评估更深入。流程模拟的缺点就是缺乏与问题详细的交互作用。这是一把双刃剑，一方面可以隐藏问题的复杂性使你专注于手边的真正问题，另一方面隐藏的问题可能使你失去对问题的深度理解。 历史 AspenPlusTM在密西根大学 界面基础 启动AspenPlus，一个新的AspenPlus对象有三个选项，可以Open an Existing Simulation，从Template开始，或者用BlankSimulation创建你的工作表。这里选择blank simulation。
釜式反应器的应用、技术进展 什么是釜式反应器？一种低高径比的圆筒形反应器，用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程。器内常设有搅拌（机械搅拌、气流搅拌等）装置。在高径比较大时，可用多层搅拌桨叶。在反应过程中物料需加热或冷却时，可在反应器壁处设置夹套，或在器内设置换热面，也可通过外循环进行换热。 工业应用，釜式反应器按操作方式可分为：①间歇釜式反应器,或称间歇釜。操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。②连续釜式反应器,或称连续釜。可避免间歇釜的缺点，但搅拌作用会造成釜内流体的返混。在搅拌剧烈、液体粘度较低或平均停留时间较长的场合，釜内物料流型可视作全混流，反应釜相应地称作全混釜。在要求转化率高或有串联副反应的场合，釜式反应器中的返混现象是不利因素。此时可采用多釜串联反应器,以减小返混的不利影响，并可分釜控制反应条件。③半连续釜式反应器。指一种原料一次加入，另一种原料连续加入的反应器，其特性介于间歇釜和连续釜之间。间歇式反应器操作灵活，易于适应不同操作条件和产品品种，适用于小批量、多品种、反应时间较长的产品生产。间歇釜的缺点是：需有装料和卸料等辅助操作，产品质量也不易稳定。但有些反应过程，如一些发酵反应和聚合反应，实现连续生产尚有困难，至今还采用间歇釜。 有搅拌器的釜式设备是化学工业中广泛采用的反应器之一，它可用来进行液液均相反应，也可用于非均相反应，如非均相液相、液固相、气液相、气液固相等。普遍应用于石油化工、橡胶、农药、染料、医药等工业，用来完成磺化、硝化、氢化、烃化、聚合、缩合等工艺过程，以及有机染料和医药中间体的许多其他工艺过程的反应设备。聚合反应过程约90%采用搅拌釜式反应器，如聚氯乙烯，在美国70%以上用悬浮法生产，采用10~1503m 的搅拌反应器：德国氯乙烯悬浮聚合采用的是2003m 的大型搅拌釜式反应器：中国生产聚氯乙烯，大多采用13.53m 、333m 不锈钢或复合钢板的聚合釜式反应器，以及73m 、143m 的搪瓷釜式反应器。又如涤纶树脂的生产采用本体熔融缩聚，聚合反应也使用釜式反应器。在精细化工的生产中，几乎所有的单元操作都可以在釜式反应器中进行。 釜式反应器的技术进展 1、大容积化，这是增加产量、减少批量生产之间的质量误差、降低产品成本的有效途径和发展趋势。染料生产用反应釜国内多为6000L 以下，其它行业有的达30m3；国外在染料行业有20000～40000L ，而其它行业可达120m3。 2、反应釜的搅拌器，已由单一搅拌器发展到用双搅拌器或外加泵强制循环。反应釜发展趋势除了装有搅拌器外，尚使釜体沿水平线旋转，从而提高反应速度。 3、以生产自动化和连续化代替笨重的间隙手工操作，如采用程序控制，既可保证稳定生产，提高产品质量，增加收益，减轻体力劳动，又可消除对环境的污染。 4、合理地利用热能，选择最佳的工艺操作条件，加强保温措施，提高传热效率，使热损失降至最低限度，余热或反应后产生的热能充分地综合利用。热管技术的应用，将是今后反应釜发展趋势。>
夹套搅拌反应器设计(DOCX 30页)
夹套搅拌反应器设计 课程设计说明书设计题目夹套搅拌反应器设计 学生 学号 专业班级 指导老师耿绍辉 化工设备基础 Nefu.20121228
夹套搅拌反应器设计 目录 第一章设计方案简介 1.1反应釜的基本结构 1.2反应釜的机械设计依据 第二章反应釜机械设计的内容和步骤 第三章反应釜釜体的设计 3.1 罐体和夹套计算 3.2厚度的选择 3.3设备支座 3.4手孔 3.5选择接管、管法兰、设备法兰 第四章搅拌转动系统设计 4.1转动系统设计方案 4.2转动设计计算：定出带型、带轮相关计算 4.3选择轴承 4.4选择联轴器 4.5罐体搅拌轴的结构设计、搅拌器与搅拌轴的连接结构设计4.6电动机选择 第五章绘制装配图 第六章绘制大V带轮零件图 第七章本设计的评价及心得体会 第八章参考文献
夹套搅拌反应器设计 第一章设计方案简介 搅拌设备在石油、化工、食品等工业生产中应用范围很广，尤其是化学工业中，很多的化工生产或多或少地应用着搅拌操作，化学工艺过程的种种物理过程与化学过程，往往要采用搅拌操作才能得到好的效果。搅拌设备在许多场合时作为反应器来应用的，而带搅拌的反应器则以液相物料为特征，有液-液、液-固、液-气等相反应。 搅拌的目的是：1、使互不相溶液体混合均匀，制备均匀混合液、乳化液、强化传质过程；2、使气体在液体中充分分散，强化传质或化学反应；3、制备均匀悬浮液，促使固体加速溶解、浸取或发生液-固化学反应；4、强化传热，防止局部过热或过冷。所以根据搅拌的不同目的，搅拌效果有不同的表示方法。 搅拌操作分为机械搅拌和气流搅拌。气流搅拌是利用气体鼓泡通过液体层，对液体产生搅拌作用，或使气泡群以密集状态上升借所谓气升作用促进液体产生对流循环。与机械搅拌相比，仅气泡的作用对液体所进行的搅拌时比较弱的，所以在工业生产，大多数的搅拌操作均是机械搅拌。本设计实验要求的就是机械搅拌搅拌器设备的设计遵循以下三个过程：1根据搅拌目的和物理性质进行搅拌设备的选型。2在选型的基础进行工艺设计与计算。3进行搅拌设备的机械设计与费用评价。在工艺与计算中最重要的是搅拌功率的计算和传热计算。 1.1反应釜的基本结构
第三章生物反应器 1、何谓生物反应器？生物反应器可分成哪些类？ 答：生物反应器：指使用生物催化剂进行生物反应的设备，这类设备可满足和调控微生物、动物细胞、植物细胞和微藻细胞达到最适生长和最佳产物合成的环境，可大规模培养微生物、动物细胞、植物细胞和微藻细胞以获得其代谢产物或生物体，在生物反应过程中具有中心的作用。 生物反应器的分类：（1）按几何形状或结构特征：釜（罐）式、管式、塔式、膜式等（2）按生物催化剂类型不同：有酶催化反应器、细胞生物反应器（3）按供氧需求：厌氧、好氧（4）按所需混合与能量输入方式：机械搅拌式、气升式、喷射环流式（5）按操作方式：间歇式、连续式、半连续式（6）生物催化剂在反应器中分布方式：生物团块生物反应器、膜生物反应器（7）按生物催化剂在反应器的流动和混合状态：全混流型、活塞流型（8）按发酵培养基质的物流状态：液态生物反应器、固态生物反应器 2、搅拌装置有哪些类？如何配置搅拌装置才能达到比较理想的混合效果？ 涡轮式搅拌器、旋桨式搅拌器 目前普遍采用多层轴流型与径流型组合式搅拌器。一般在底层进气口附近设径向流型搅拌器，多采用平叶、半圆叶或弧叶以利于气泡粉碎，强化氧的传递。底层以上设轴向流型搅拌器，多采用四宽叶螺旋叶轮、箭叶、斜叶等以强化混合效果，以达到最佳搅拌效果。 3、自吸式生物反应器的特点是什么？ 答：自吸式发酵罐是一种不需另行通入压缩空气，而依靠特殊的吸气装置自行吸入无菌空气并同时完成液体和气体的混合对流实现溶氧传质的发酵罐。 4、试述机械搅拌自吸式生物反应器的吸气原理。 答：电动机启动前，搅拌器浸没在发酵液中，转子和定子内充满料液。启动搅拌点机后，搅拌轴带动转子高速旋转，液体、空气在离心力的作用下，被甩向叶轮外缘；在转子中心处形成负压，转子转速愈大，所造的负压也愈大，吸风量也越大。转子的搅拌在液体中产生的剪切力又使吸入的空气粉碎成细小的气泡，均匀分散在液体之中。、
长江大学工程技术学院课程设计 题目：________________________________ 学生：_________________________________ 系部：_________________________________ 专业班级：_________________________________ 指导教师：_________________________________ 辅导教师：_________________________________ 时间：______________至_________________
《搅拌釜式反应器设计条件》 工艺条件 管 口 工艺条件图
1. 确定筒体的直径和高度 根据反应釜的设计要求，由于液－液相类型选取H/D i =1.3 得，由 D i ≈3 /4Di H V π= 33 .125 .34??π＝1.47m 圆整到标准公称直径系列，选取筒体直径D i ＝1400mm 。 查附录得，DN ＝1400mm 时标准椭圆封头高度h 1=350mm 直边h 2=25mm ，计算得每米高筒体的V 1＝1.539m 3，表面积V h =0.398m 3 H= 1V V V h -=539 .1398.025.3-=1.853m 筒体高度圆整为H ＝1800m 于是H/D=1.285 核查结果符合原定范围内。 2. 确定夹套的直径和高度 夹套的内径 D j =D i +100=1500mm （符合压力容器公称直径系列要求） H j = 4 4.1398 .085.0*25.32 ?-π=1.537m 选取夹套H j =1600mm 则H 0=H －Hj=200mm 这样便于筒体法兰螺栓的装拆 验算夹套传热面积 F ＝F 1H j +F n =9.27 m 2>7.1m 2 即夹套传热面积符合设计要求 3. 确定夹套的材料和壁厚 夹套选取Q235－A 的材质，可以知道板厚在4.5～16mm ，设计温度在150℃时Q235－A 的许用应力[σ]t =113MPa ，因为有夹套有
生物反应器 指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。生物反应器的结构、操作方式和操作条件的选定对生物化工产品的质量、收率（转化率）和能耗有密切关系。生物反应器的设计、放大是生化反应工程的中心内容，也是生物化学工程的重要组成部分。 分类从生物反应过程说，发酵过程用的反应器称为发酵罐；酶反应过程用的反应器则称为酶反应器。另一些专为动植物细胞大量培养用的生物反应器，专称为动植物细胞培养装置。 发酵罐发酵罐若根据其使用对象区分，可有：嫌气发酵罐、好气发酵罐、污水生物处理装置等。其中嫌气发酵罐最为简单，生产中不必导入空气，仅为立式或卧式的筒形容器，可借发酵中产生的二氧化碳搅拌液体。 若以操作方式区分，有分批操作和连续操作两种。前者一般用釜式反应器，后者可用连续搅拌式反应器或管式及塔式反应器。好气发酵罐按其能量输入方式或作用原理区分，可有： ①具有机械搅拌器和空气分布器的发酵罐这类发酵罐应用最普遍，称为通用式发酵罐。所用的搅拌器一般为使罐内物料产生径向流动的六平叶涡轮搅拌器，它的作用为破碎上升的空气泡和混合罐内的物料。若利用上下都装有蔽板的搅拌叶轮，搅拌时在叶轮中心产生的局部真空,以吸入外界的空气,则称为自吸式机械搅拌发酵罐。 ②循环泵发酵罐用离心浆料泵将料液从罐中引出，通过外循环管返入罐内。在循环管顶端再接上液体喷嘴，使之能吸入外界空气的,称喷射自吸发酵罐。 ③鼓泡塔式发酵罐以压缩空气为动力进行液料搅拌，同时进行通气的气升发酵罐。目前，世界所发展的大型发酵罐是英国卜内门化学工业公司的发酵罐，它以甲醇为原料生产单细胞蛋白的压力循环气升发酵罐,其直径为7m，高为60m，总容量为 2300m□，自上至下有5000～8000 个喷嘴进料。目前，还有些发酵产品，如固体曲等，使用专门设计的能调节温、湿度的旋转式固体发酵装置。 生产甲烷（沼气）用的是嫌气发酵罐，也称消化器或沼气发生器，这种发酵罐装有搅拌器，顶部有的有浮顶。 污水生物处理装置中，最简单的是曝气池，装有表面曝气叶轮。为了节省占地面积，开发了一种利用气升式发酵罐原理的深井式污水处理池或大至 20000m□的多循环管式曝气装置。此外，还有生物滤池和生物转盘等装置，把能降解污水中有害物质的菌或原生动物，以生物膜的形式附在填料或转盘上。 酶反应器可分游离酶及固定化酶反应器两大类。 ①游离酶反应器以水溶液状态与底物反应。若为分批釜式反应器，酶就不能回收；若用连续釜式反应器并附有一个能把大分子的酶留在系统内的超滤装置则可使酶连续使用。也可将酶液置于用超滤材料制成的U形管或中空纤维管中,并将其置于釜式或管式反应器进行操作，这样也可使酶连续使用。后者接近连续管式反应器。 ②固定化酶反应器除了和化学反应器类似的固定床反应器和流化床反应器外，还有多种特殊设计。例如：将酶固定在惰性膜片上，再卷成螺旋状置于反应器中,或将酶固定在中空纤维的内壁制成反应器；也可将固定化酶置于金属网框中进行酶反应。在反应中产气(如CO2)严重时，可考虑采用多层酶反应器。采用固定化细胞时的反应器，基本上和固定化酶反应器相同，但在好气培养时要便于空气导入和废气排出。
搅拌釜式反应器课程设计任务书 一、设计内容安排 1. 釜式反应器的结构设计 包括：设备结构、人孔数量及位置，仪表接管选择、工艺接管管径计算等。 2. 设备壁厚计算及其强度、稳定性校核 3. 筒体和裙座水压试验应力校核 4. 编写设计计算书一份 5. 绘制装配图一张（电子版） 二、设计条件 三、设计要求 1.学生要按照任务书要求，独立完成塔设备的机械设计； 2.根据设计计算书、图纸及平时表现综合评分。 四、设计说明书的内容 1.符号说明 2.前言 （1）设计条件； （2）设计依据； （3）设备结构形式概述。 3.材料选择 （1）选择材料的原则； （2）确定各零、部件的材质；
（3）确定焊接材料。 4.绘制结构草图 （1）按照工艺要求，绘制工艺结构草图； （2）确定裙座、接管、人孔、控制点接口及附件、内部主要零部件的轴向及 环向位置，以单线图表示； （3）标注形位尺寸。 5.标准化零、部件选择及补强计算： （1）接管及法兰选择：根据结构草图统一编制表格。内容包括：代号，PN,DN, 法兰密封面形式，法兰标记，用途）。补强计算。 （2）人孔选择：PN,DN,标记或代号。补强计算。 （3）其它标准件选择。 6.结束语：对自己所做的设计进行小结与评价，经验与收获。 7.主要参考资料。 【设计要求】： 1.计算单位一律采用国际单位； 2.计算过程及说明应清楚； 3.所有标准件均要写明标记或代号； 4.设计计算书目录要有序号、内容、页码； 5.设计计算书中与装配图中的数据一致。如果装配图中有修改，在说明书中要注明变更； 6.设计计算书要有封面和封底，均采用A4纸，正文用小四号宋体，行间距1.25倍，横向装订成册。
A S P E N L U S反应器模 拟教程 文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
简介 什么是Process Flowsheet Process Flowsheet（流程图）可以简单理解为设备或其一部分的蓝图.它确定了所有的给料流,单元操作,连接单元操作的流动以及产物流.其包含的操作条件和技术细节取决于Flowsheet的细节级别.这个级别可从粗糙的草图到非常精细的复杂装置的设计细节. 对于稳态操作,任何流程图都会产生有限个代数方程。例如，只有一个反应器和适当的给料和产物，方程数量可通过手工计算或者简单的计算机应用来控制。但是，当流程图复杂程度提高，且带有很多清洗流和循环流的蒸馏塔、换热器、吸收器等加入流程图时，方程数量很容易就成千上万了。这种情况下，解这一系列代数方程就成为一个挑战。然而，叫做流程图模拟的电脑应用专门解决这种大的方程组，Aspen PlusTM，ChemCadTM，PRO/IITM。这些产品高度精炼了用户界面和网上组分数据库。他们被用于在真是世界应用中，从实验室数据到大型工厂设备。 流程模拟的优点 在设备的三个阶段都很有用：研究&发展，设计，生产。在研究&发展阶段，可用来节省实验室实验和设备试运行；设计阶段可通过与不同方案的对比加速发展；生产阶段可用来对各种假设情况做无风险分析。 流程模拟缺点 人工解决问题通常会让人对问题思考的更深，找到新颖的解决方式，对假设的评估和重新评估更深入。流程模拟的缺点就是缺乏与问题详细的交互作用。这是一把双刃剑，一
方面可以隐藏问题的复杂性使你专注于手边的真正问题，另一方面隐藏的问题可能使你失去对问题的深度理解。 历史 AspenPlusTM在密西根大学 界面基础 启动AspenPlus，一个新的AspenPlus对象有三个选项，可以Open an Existing Simulation，从Template开始，或者用BlankSimulation创建你的工作表。这里选择blank simulation。 Aspen PlusTm的模拟引擎独立于它的图形用户界面（GUI）。你可以在一个电脑上使用GUI创建你的模拟，然后运行连接到另一个电脑的模拟引擎。这里我们使用Local PC模拟引擎。缺省值不变。点击OK。 下一步就是Aspen PlusTM主应用窗口——空白的流程图窗口。先熟悉下界面。 状态信息Flowsheet Not Complete一直持续到完整的流程描述进入窗口，完成后状态信息会变为Required Input Incomplete（所需输入未完成）。一个模拟只有在状态信息显示Required Input Complete（所需输入完成）时才能运行。对于最简单的流程图，必须有两股物流，一个FEED，一个PRODUCT，连接到单元操作设备，叫做REACTOR。 模型库工具条（Model Library Toolbar）：这个工具条包含Aspen Plus不同操作单元的内置模型。 文件有三种保存模式：Aspen Plus文件，Aspen Plus备份文件和模板。 Aspen Plus文件可保存结果和运行信息，但这是个二进制文件；备份文件则是标准的ASCII文本文件。如果你是Aspen Plus专家，你可以直接在文件中更改，并作为输入从
第39卷第3期2011年3月化学工程 CHEMICAL ENGINEERING （CHINA ）Vol．39No．3Mar．2011 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51006047） 作者简介：闻建龙（1962—），男，教授，主要从事二相流动理论及应用的研究；赵松峰（1986—），男，硕士研究生，主要从事二相流研究， E-mail ：zhaosf123@126．com 。 新型气力搅拌式生物反应器的实验研究 闻建龙，赵松峰，张 星，张静文 （江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江212013） 摘要：为了研制培养微生物和动植物细胞或组织的生物反应器，采用微孔橡胶膜片装置使产生的搅拌剪切力较低，以满足溶氧需求较高、介质密度较高、同时具有较高黏度的液体介质的搅拌要求。实验过程中，对生物反应器进行了流动特性观察、 压力损失、反应器内含气率及溶氧质量浓度的测量等实验，选取了综合性能较好的微孔橡胶膜片。结果表明：这种生物反应器产生的气泡比较均匀， 供氧效率高，且具有较好的介质混合性能，对反应器内的液体介质无机械的剪切破坏。与传统机械式搅拌生物反应器相比，具有明显的优点，可应用于对介质剪切性能要求较高的中小型反应器。 关键词：气力搅拌；生物反应器；微孔橡胶膜片；含气率；混合性能中图分类号：TQ 021．1 文献标识码：A 文章编号：1005- 9954（2011）03-0059-04Experimental study on new pneumatic stirring bioreactor WEN Jian-long ，ZHAO Song-feng ，ZHANG Xing ，ZHANG Jing-wen （College of Energy and Power Engineering ，Jiangsu University ，Zhenjiang 212013，Jiangsu Province ，China ）Abstract ：In order to culture the cell of the microbe and flora or fauna ，a new membrane bioreactor was developed．The microporous rubber membrane was used for lowering the stirring shear force to meet the stirring demand for the fluid media with rich dissolved oxygen ，high density and high viscosity．In this experiment ，the flow characteristic ，pressure loss ，gas holdup and dissolved oxygen mass concentration for the reactor were investigated ，and the microporous rubber membrane with better comprehensive properties was selected．The result indicates that this kind of membrane bioreactor is featured by homogeneous air bubble ，high rate of oxygen supply ，good properties of blending and no mechanical shear damage on the liquid medium in the reactor．Compared with the conventional mechanical string membrane bioreactor ，the reactor has obvious advantages and can be widely used in the medium-size and small-size reactors that have higher requirement for the shear properties of medium． Key words ：pneumatic stirring ；bioreactor ；microporous rubber membrane ；gas holdup ；mixed properties 生物反应器是实现生物技术产品的关键技术，是连接原料和产物的桥梁。生物反应器分为：通过机械搅拌输入能量的机械式生物反应器，利用气体喷射动能的气升式生物反应器和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器。目前使用最广泛的仍是机械搅拌式生物反应器。机械式搅拌器存在能耗高、径向剪切力大、容易伤害菌体等局限性。随着生物技术的发展，为满足溶氧需求较高、介质密度较高、同时具有较高黏度的液体介质搅拌的要求，需要在较低的剪切力条件下培养微生物和动植物细胞或组织来获取生物制品的场合。以气体喷射动能的气力搅拌式生物反应器，能克服以上局限，用于细 胞培养、生物发酵等场合［1］ 。 1 反应器实验装置 实验采用橡胶膜片微孔气体分布器的生物反应 器（见图1），是一种新型的气力搅拌式反应器［2］ 。反应器结构简单，内部无运动部件。由压缩空气提供能量，依靠含气泡液体与纯液体的密度差造成的 升力使气液二相充分混合，实现均匀搅拌过程［3］ 。反应器的关键部件是橡胶膜片微孔气体分布器，本文对反应器进行了实验观察与测量，选取最佳开孔尺寸及方式的橡胶膜片（见图2）。使用添加剂，改变实验用水的动力黏度和表面张力，以模拟真实生
连续搅拌釜式反应器设 计 内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）
学院：化工学院 专业：化学工程与工艺
目 录 一、设计任务 某工段需要每天生产8吨乙酸丁酯。以乙酸和丁醇为原料，要求乙酸的转化率大于等于50%.其中原料中乙酸的浓度l/L 0.00175km o A0 C 。设计一反应器以达到要求。
二、确定反应器及各种条件 选用连续釜式反应器（CSTR ），选用螺旋导流板夹套，取5.0Af =X ，查文献资料得：可取反应温度为100℃，反应动力学方程为 )min)7.4L/(kmol 1( C 2 A ?==k k r A （A 为乙酸）搅拌釜内的操作压力为 MPa 1.0p cr =；夹套内为冷却水，入口温度为30℃，出口温度为40℃，工 作压力MPa 2.0'p cr =; 反应方程为： 三、反应釜相关数据的计算 1.体积 由于该反应为液相反应，物料的密度变化很小，故可近似认为是恒容过程。 原料处理量：54.73L/min 3284.07L/h 0.001750.5 1 11624109Q 30==????= 反应器出料口物料浓度： km ol/L 000875.0)5.01(00175.0-1Af A0A =-?==）（X C C 反应釜内的反应速率：kmol/L 10332.1000875.04.17522A A -?=?==kC r 空时：min 69.6510332.15 .000175.0/Q V 5 A Af A0A A A00r =??==-== -r X C r C C τ 理论体积：L 21.359569.6573.54Q V 0r =?==τ
搅拌反应器毕业设计 目录 1绪论 (5) 1.1研究目的及意义 (5) 1.1.1危害 (5) 1.1.2毒理学资料及环境行为 (5) 1.2研究内容 (6) 1.3国内外研究的状况 (6) 2．反应器桨叶的选择 (8) 2.1框式搅拌器 (8) 2.2三叶后掠式 (8) 3．反应器零部件的计算 (9) 3.1行星搅拌器 (9) 3.2搅拌功率计算 (9) 3.2.1框式搅拌器功率计算 (9) 3.2.1.1影响搅拌功率的因素 (10) 3.2.1.2行星轴自转叶轮功率 (10) 3.2.1.3搅拌功率的修正 (11) 3.2.2后掠式叶轮搅拌功率计算及转速...错误！未定义书签。 3.2.2.1搅拌功率的计算...............错误！未定义书签。 3.2.2.2循环特性的计算...............错误！未定义书签。 3.3轴径计算...............................错误！未定义书签。 3.3.1行星轴主轴计算.................错误！未定义书签。 3.3.1.1轴采用实心轴计算.............错误！未定义书签。 3.3.1.2扭矩和弯矩合成计算轴..........错误！未定义书签。 3.3.1.3刚度计算....................错误！未定义书签。 3.3.2行星轴轴径计算.................错误！未定义书签。 3.3.2.1轴采用实心轴计算.............错误！未定义书签。 3.3.2.2按扭矩和弯矩合成计算轴........错误！未定义书签。 3.3.2.3刚度计算....................错误！未定义书签。 3.3.3横轴径计算.....................错误！未定义书签。 3.3.3.1采用实心轴计算...............错误！未定义书签。 3.3.3.2按扭矩和弯矩合成计算轴........错误！未定义书签。
生物反应器 生物反应器，是指利用自然存在的微生物或具有特殊降解能力的微生物接种至液相或固相的反应系统。目前研究得最多的两种反应器是“升降机型反应器”和“土壤泥浆反应器”。升降机型反应器是通过水相的流动来提供适当的营养、碳源和氧气，从而达到降解土壤中污染物质的目的。与固相系统相比，生物反应器能够在更短的时间内将污染物进行有效降解。该生物反应器技术已经应用于有机污染土壤的生物修复中。通过研究生物反应器，我们可以了解到：可以知道为达到一定的生产目的需要多大的生物反应器，确定什么样的结构更好；其次，对已有的生物反应器进行分析，达到优化的目的；还有就是分析各种生物反应器的数据，从而对细胞的生长、代谢等过程有更加深入的理解，生物反应器是工程学的一部分也是化学工程的一个分支，加上成本低.、设备简单、效率高、产品作用效果显著、减少工业污染等优点使他能够在很多方面都有着重要的应用，如改良乳汁品质、生产药用蛋白、外源基因在动物体内的位点整合问题、.乳蛋白基因表达组织特异性问题、目的蛋白的翻译后修饰问题、转基因表达产物的分离和纯化问题、转基因的技术与方法问题、伦理道德问题等诸多方面。 生物反应器经历了三个发展阶段：细菌基因工程、细胞基因工程、转基因动物生物反应器。转基因动物生物反应器的出现之所以受到人们极大的关注，是因为它克服了前两者的缺陷，即细菌基因工程产物往往不具备生物活性，必须经过糖基化、羟基化等一系列修饰加工后才能成为有效的药物，而细胞基因工程又因为哺乳动物细胞的培养条件要求相当苛刻、成本太高而限制了规模生产。另外，转基因动物生物反应器还具有产品质量高、容易提纯的特点。一般把目的片段在器官或组织中表达的转基因动物叫做动物生物反应器。几乎任何有生命的器官、组织或其中一部分都可以经过人为驯化为生物反应器。从生产的角度考虑，生物反应器选择的组织或器官要方便产物的获得，例如乳腺、膀胱、血液等，由此发展了动物乳
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目录 第 1 章反应器设计 (1) 1.1 反应器设计概述 (1) 1.2 反应器的选型 (1) 第 2 章催化剂 (3) 2.1 催化剂的选择 (3) 2.2 催化剂失活的原因 (3) 2.3 催化剂再生的方法 (3) 第 3 章丙烷脱氢反应器 (4) 3.1 主反应及副反应方程式 (4) 3.2 反应机理 (4) 3.3 动力学方程 (4) 3.3.1 催化反应动力学模型 (4) 3.3.2 失活动力学 (5) 3.4 反应器设计思路说明 (6) 3.4.1 反应条件 (6) 3.4.2 反应器类型的选择 (7) 3.4.3 反应器数学模拟 (7) 3.4.4 反应器体积的计算 (7) 3.5 催化剂设计 (11) 3.5.1 催化剂用量 (11) 3.5.2 催化剂来源 (11) 3.5.3 催化剂的装填 (11) 3.6 反应器内部结构设计 (11) 3.6.1 催化剂床层开孔 (11) 3.6.2 催化剂分布器 (12) 3.6.3 气体分布器 (12) 2
3.7 反应器管口计算 (12) 3.7.1 进料管(以第一台反应器为例) (12) 3.7.2 出料管 (13) 3.7.3 吹扫空气入口 (13) 3.7.4 催化剂进料口 (13) 3.7.5 催化剂出口 (13) 3.7.6 排净口 (13) 3.7.7 人孔 (14) 3.7.8 催化剂床层固定钢 (14) 3.8 加热炉 (14) 3.9 机械强度的计算和校核 (14) 3.9.1 反应器材料的选择 (14) 3.9.2 反应器筒体厚度的选择 (14) 3.9.3 反应器封头厚度的计算 (15) 3.9.4 液压试验校核 (16) 3.9.5 反应器强度校核 (16) 3.9.6 反应器封头的选择 (25) 3.10 设计结果总结(以第一台反应器为例) (26) 第 4 章乙炔选择性加氢反应器 (26) 4.1 概述 (26) 4.2 反应方程式 (27) 4.3 催化剂的选用 (27) 4.4 设计简述 (27) 4.5 在Polymath中的模拟与优化 (29) 4.6 选择性加氢反应器总结 (30) 第 5 章参考文献 (30) 3
第九章反应器设计 9.1 概述 (1) 9.2反应器的分类和结构特点 (3) 9.3 发酵罐设计与分析 (6) 9.5 其他反应器 (13) 9.1 概述 生物反应器是指一个能为生物反应提供适宜的反应条件，以实现将原料转化为特定产品的设备，是生物技术产业化的核心。 生物反应器设计的主要内容包括：（1）反应器选型，即根据生产工艺要求、反应及物料的特性等因素，确定反应器的操作方式、结构类型、传递和流动方式等；（2）设计反应器结构，确定各种结构参数，即确定反应器的内部结构及几何尺寸、搅拌器形式、大小及转速、换热方式及换热面积等；（3）确定工艺参数及其控制方式，如温度、压力、pH、通气量、底物浓度、进料的浓度、流量和温度等。生物反应器设计的基本要求： （1）避免将必须蒸汽灭菌的部件与其它部件直接相连； （2）法兰应尽量少； （3）尽可能采用焊接连接，焊接部位要充分抛光； （4）避免产生凹陷和裂缝； （5）设备各部件能分别进行灭菌； （6）反应器的接口处用蒸汽封口； （7）阀门要易清洗，易使用，易灭菌； （8）反应器内易保持一定正压； （9）为便于清洗，反应器主体部分应尽量简单。 反应器的设计以及工程放大，主要采用数学模型法，即利用数学模型来分析、研
究生化反应过程中的现象和规律，即用数学语言表达过程中各种变量之间的关系。 数学模型的建立：以生物反应器为研究对象，将其中的生化反应过程分解为生化反应、传递过程及流体流动与混合等子过程，并分别进行研究，通过物料衡算和热量衡算将各子过程的相关参数进行关联和偶合，即对动力学方程、物料衡算及热量衡算式联立求解，从而得到所研究的生化反应过程规律的解析表达形式。另一方面，由于生化反应过程极为复杂，往往对过程的机理研究得不透彻或有些问题尚不清楚，在这种情况下，就必须结合一定的经验模型，即在一定条件下由实验数据进行数学关联并拟合而得到的模型。
一、在体积为V 的反应器中进行液相等温反应P A →，已知反应速率为 2 A A kC r =-，求： （1）当CSTR 中的转化率为0.5时，若将反应器改为同体积的PFR ，反应条件不变，则转化率为多少？（9分） （2）当CSTR 中的转化率为0.5时，若将反应器体积增大10倍，反应条件保持不变，则转化率为多少？（9分） 二、在一个等温活塞流反应器中，发生不可逆气相基元反应A 2B →。反应物A 和稀释剂C 以等摩尔比加入，A 的转化率为90%。如果A 的摩尔进料流率减少一半，假设C 的进料流率保持不变，那么A 的转化率为多少？（18分） 三、有如下平行反应： 其动力学方程分别为：8 .15.02B A P C C k r =，3.01B A S C C k r =，其中121==k k ， （1）当A 和B 的初始浓度为L mol C C B A /1500==，均从反应器入口加入，计算A 的转化率为0.5时的瞬时选择性。（5分） （2）对该平行反应，采用怎样的操作方式可以提高反应过程的选择性？（10分） 四、假设某实验室有一非理想化学反应器，请问如何对这个反应器进行分析，如何求该反应器中反应物的转化率？（14分） 五、在球形催化剂上进行一级不可逆反应P A →，催化剂的粒径为 2.4mm ，气流主体中A 的浓度为1mol/m 3，测得单位床层表观反应速率 (－r A )obs ＝2.77×10-5 mol/(cm 3.s)，组分A 在颗粒内有效扩散系数为0.15cm 2/s ，外部传质系数为K G ＝30cm/s 。请问： （1）外扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？（5分） （2）内扩散对反应过程是否有影响？可通过什么途径来消除该影响？（10分） 六、下表为转框反应器中测得的气固催化反应动力学数据： B A +) (P 主反应) (S 副反应
搅拌式反应器的模拟与优化设计 摘要 在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的基础上，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。在此基础上, 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Simulation and optimization design of Stirred reactor Abstract： Base on the overview of computational fluid dynamics (CFD) technology in the stirred reactor research,we focused on the mixing reactor simulation of the flow field, including "black box" model of law, internal and external iteration, multiple reference frame method and the sliding mesh method, and pointed out the direction of development of CFD technology. On these basis,we described and evaluated the reactor flow mathematical model.We concludes with the application of artificial neural network and genetic algorithm to optimize the process operating conditions, biological response, and results combined CFD technology to achieve optimization of the structure of the bioreactor, so as to achieve overall optimization of the bioreactor system aims to guide experiments and industrial production. Keyword: computational fluid dynamics, stirred reactor, numerical simulation, artificial neural networks, optimization 第1章前言 搅拌式反应器( Stirred Tank Reactor, STR)因其结构灵活、操作方式多样