发酵罐是谷氨酸出产的关键设备，在谷氨酸发酵的过程中，透风必须适度，透风过大会导致菌体成长缓慢，过幼则会导致产品由谷氨酸变为乳酸，所以对发酵过程中氧气含量在整体和部门的节造显得尤为沉要。发酵罐是典型的搅拌反映设备，大型化是其发展趋向，同时，提高搅拌反映设备的搅拌机能一向是学者和工程技术人员的沉点钻研内容之一。选取推算流体力学技术对某钢铁厂烟气脱硫吸收塔底部浆液池的侧进式搅拌流场进行了数值模仿，钻研了搅拌转速、搅拌桨装置角度等成分对三维流场的影响法规。选取CFD数值模仿对600 m3柠檬酸发酵罐搅拌系统设计规划进行了分析，结合柠檬酸发酵工艺，综合思考搅拌轴功率、流型、传质混合能力，提出两种设计规划并进行数值模仿和传质混合能力分析，通过对比确定最优规划。针对300 m3的L-赖氨酸发酵罐搅拌器不能满足发酵工艺传质混合要求的现实情况，提出刷新规划，并选取CFD软件对刷新前后搅拌成效进行了数值模仿，了局显示刷新后的搅拌器强化了混合成效，改善了气液传质；刷新后经过46批发酵尝试，L-赖氨酸的糖酸转化率相比刷新前提高了2%，且产量更不变，最后提出了搅拌器持续刷新的方向。
笔者就某大型三搅拌桨发酵罐流场进行模仿和分析，针对存在的部门气含率较低的问题，对发酵罐结构进行了改进。
发酵罐（图1）重要由挡板、换热盘管、环形气体散布器、搅拌器及罐体等组成。对结构进行简化后创建流体域，得到分析模型如图2所示，坐标原点位于底部中心处，搅拌器几何模型如图3所示。
发酵罐重要结构参数如下：
发酵罐内径7.8 m
挡板个数3个
盘管组数6组
装液高度11.11 m
气体散布器圈数5圈
气体散布器装置高度1.37 m
底层桨装置高度1.82 m
桨直径3.3 m
斜叶桨桨叶角度45°
斜叶桨切面尺寸12.5 mm×179 mm
半圆管桨叶切面半径100 mm
桨间距3.8 m
通气孔数量80个
通气孔直径10 mm
流场模仿时所用物料及其机能参数见表1。操作前提为：通气量0.022 6 kg/m3（表观气速0.7 m/s），搅拌转速58.45 r/min。
Fluent是基于有限体积法推算的，有限体积法是在推算区域划分网格，使得每个网格周围有一个互不沉复的节造体积，将待求解的微分方程对每个节造体积积分得到离散方程。有限体积法在网格比力粗的情况下也能够积分守恒。
流体流动受物理守恒定律摆布，每个守恒定律都有其守恒方式，只管这些方程中因变量各不一样，但均反映了单元功夫、单元体积内物理量的守恒性质。若是用φ暗示各通用变量，则各节造方程能够暗示为以下通用大局：
其发展式为：
其中，ρ为流体密度；φ为通用变量，能够代表u、v、w等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。式（1）中各项顺次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。
若何更好地模仿搅拌桨和周围流体的相互作用是搅拌设备的流场模仿难题之一，笔者只调查不变流场，故选多沉参考系法（MRF）来进行处置。将推算域分成包抄桨叶的左近区域和搅拌桨之表的区域，前者选用旋转坐标系作为参考系，转速与搅拌轴的转速一样；而后者则使用静止坐标系，通过接壤面（网格进行共节点处置）上的绝对速度转化来实现两个区域的速度匹配。
利用ANSYS Fluent Meshing对发酵罐流体推算模型进行网格划分，各壁面处选取多面体网格，其余区域过渡为六面体网格，这是该软件特有的基于“马赛克”技术的Poly-Hexcore网格技术，全局预防了四面体网格的使用，能够有效削减网格数量，同时可降低伪扩散带来的影响。为了使仿真了局越发精确，对搅拌桨和气体散布器左近进行了网格加密处置，并对搅拌桨和搅拌轴壁面设置了膨胀层，这样能够得到越发正确的扭矩。最终网格总数约914万个，网格最幼正交质量大于0.2，最大扭曲率幼于0.8，网格模型如图4所示。
在Fluent中设置气体散布器上进气口为速度入口（Velocity inlet），入口速度设置为0.7 m/s；出气口设置为Degassing脱气天堑，只允许气体从此溢出；利用MRF法不用思考搅拌轴和搅拌桨的壁面类型，故其余壁面均设置为Wall；搅拌区域（3个搅拌桨地点区域）转速设置为58.45 r/min；罐内温度变动和压力变动不大，不思考这两种成分对了局的影响，故不予设置。选择尺度k-ε湍流模型进行模仿，两相流模型选择Euler-Euler模型，设置氧气为第2项，直径设置为1.5 mm，气液相间Drag模型选取grace模型，并且设置表表张力系数为0.073。求解选取Coupled算法，勾选Pseudo Transient选项，各项残差收敛尺度设为10-6，最后初始化流场进行稳态求解。
模仿稳态流场时重要关注的是发酵罐内的速度矢量场、速度场和气液两相散布。
图5a～c别离为上、钟注下3层搅拌桨左近横截面（z=7.44 m、z=5.62 m、z=1.82 m）的速度矢量图，能够看出，流体以搅拌桨动弹方向回转流动，从而使得整个发酵罐内流体在罐中心处充分混合，获得了优良的物质传递成效，利于菌种进行持续的生物化学反映。图5d、e为相互垂直纵截面（x=0 m、y=0 m）速度矢量图，能够看出，上面两层搅拌桨产生轴向流使流体沿轴向向下运动，最基层搅拌桨产生径向流使得流体径向扩散，这样中心流体速度方向向下，基层流体向周围运动，罐壁左近流体向上运动，产生的流动迅速填充到脱离的流体区域，脱离的流体又立刻参加到下一个区域，从而整体形成一个流动循环。
图6a～c别离为上、钟注下3层搅拌桨左近横截面的速度散布图，能够看出，速度周期对称散布，搅拌桨端的速度最大。图6d、e为相互垂直纵截面速度散布图，能够看出，速度场对称散布，搅拌桨下侧的速度最大，轴中央和下端地位处速度较幼，流体每经过一次搅拌桨，速度就被提高一次。
图7a～c别离为上、钟注下3层搅拌桨左近横截面的气体散布图，能够看出，搅拌桨动弹过程中，桨的尾部产生了气体散布率相对较高的景象，这种景象是产生了轻微的气穴；同时图7b中靠近轴的地位气含率较高，这是由于气体通过搅拌轴壁上浮导致的。图7d、e别离为相互垂直纵截面气体散布图，能够看出，气体散布比力均匀，出格是搅拌桨之间的气体散布，但是发酵罐底端区域的气含率比力低，这是由于径流搅拌桨产生的径向流将氧气带到桨的周围导致的，并且由于浮力的作用，氧气大多沿着各壁面向上运动；半圆管圆盘涡轮搅拌桨上方的气含率比力低，这是由于圆盘故障了左近的轴向流动，使得含有气体的发酵液不能流到这个区域内，为气体“死区”；最上层搅拌桨左近的气含率较低是整体的流动状态决定的，能够通过肯定的步骤改善；盘管下端和气体散布器左近的气含率较高，这是由于气体还未来得及在发酵液中扩散导致的，是比力正常的景象。
搅拌功率是评价和设计搅拌设备的沉要指标之一，它不只反映能量亏损，还决定着所需电动机的选型以及搅拌轴的设计。通过数值模仿求解得到的搅拌功率可由下式求出：
式中M———扭矩，N·m;
N———搅拌转速，r/min;
P———功率，W;
ω———角速度，rad/s。
从Fluent中提取出扭矩M=118981.16 N·m，通过推算得到P=728.268 kW。
气含率散布是气液搅拌反映设备设计和优化的沉要指标，不仅能够反映系统内气液分散的情况，还影响着气液传递的速度，因而在工程现实上往往通过改进搅拌器结构来改善气含率散布。本节针对原设计发酵罐流场中部门区域气含率较低的问题进行结构改进。
针对底层桨圆盘上方气含率低的问题，选取底层桨圆盘开孔结构，如图8所示。通过推算得到改进后的气体散布和流场散布如图9所示。在底层桨左近沿轴向取蹊径，提取蹊径上气含率沿发酵液深度方向的数值变动，如图10所示。结合改进前后的气体散布能够看出，圆盘开孔后圆盘上方的气含率显著提高，气体“死区”隐没。图11对比了结构改进前后的速度矢量，能够看出，底层桨圆盘的部门改进未对整体流型产生影响。
最上层桨左近气含率低是由于搅拌桨的存在，但搅拌桨是实现搅拌所必须的，不外能够扭转搅拌桨的大幼，从而改善搅拌成效。为此扭转最上层桨的直径，分析搅拌成效。设Dtop为上层桨的直径，T为发酵罐内径，分析Dtop/T=4.1÷7.8=0.526、Dtop/T=3.3÷7.8=0.423、Dtop/T=2.5÷7.8=0.321这3种情况下的气体散布和速度矢量散布。如图12所示，在上层桨左近取3条蹊径，提取3条蹊径上气含率沿发酵液深度方向的数值变动，了局如图13所示，结合图12能够看出减幼上层桨的直径有助于提升左近的气含率。从图14中能够看出，增大桨的直径会加强左近的漩涡，从而减弱整体的循环流，而减幼桨的直径则会加强中心流体的轴向流动，这也使得底层搅拌桨周围的流体越发急剧地被轴历来的流体所补充。
针对发酵罐底部气含率低的问题，在底部设置肯定倾斜角度的挡板，笔者设置挡板与下封头表表夹角为45°，同时与封头内表表保留肯定的间隙，以免形成较大的死区，如图15所示，通过扭转底部流场，改善氧气在底部的散布。如图16所示，在底部挡板处罚别作横截面A、B，提取两个截面上氧气的均匀体积分数，别离为0.001 30和0.000 91，结合改进前后的纵截面气体散布（图16）以及底部挡板处横截面气体散布（图17）能够看出，搁置挡板后底部气含率显著提高。图18对比了改进前后的速度矢量，能够看出，搁置挡板后底部流场产生了显著的变动，产生了较为显著的轴向流和漩涡，加强了湍动。
原始规划及改进规划的搅拌功率对比见表2，能够看出，在底层桨的圆盘上开孔对搅拌功率险些没有影响；减幼上层桨的直径能够降低搅拌功率，增大反之；在底部设置挡板对功率的影响也可忽略。
5.1模仿得到了发酵罐内流体流型、速度场和气含率散布，揭示了各搅拌桨的作用以及其自身结构对流场和气含率散布的影响。
5.2原设计发酵罐内流体循环流动和氧气散布都比力均匀，但底层桨圆盘上侧、上层桨左近和发酵罐底部存在气含率低的问题。
5.3对发酵罐部门结构进行了改进，发此刻底层桨圆盘上开孔有利于解除圆盘上侧的气体“死区”，适当减幼上层桨的直径能够提高上层桨左近的气含率，在底部设置肯定倾斜角度的挡板能够提高发酵罐底部的气含率。
