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1、1引言气升式反应器被广泛地由于其优良的热与质量传递特性，结构简单，易于操作的使用在许多生物处理应用，如合成气发酵和废水处理1。气升式反应器的两种基本分类是内部循环和外部的环管反应器。内部回路反应器是一种改性的泡罩塔（BC ），该已被细分为一个提升管和降液通过加入一个挡板或导流管的。外部环流反应器（ ELALR ）是由一个立管和一个是与两个水平连接器（参照图1 ），由此提升管被放气连接在一起的降液管的，而在降液管是没有的。如在提升管和液体在降液管中的气泡的混合物之间的密度差的缘故，液体循环的发展2。气升式反应器优于传统的泡罩塔反应器由于定向井液循环，从而有利于对剪切敏感的生物的培养;作为一个结果

2、，这些反应器被广泛用于生物化学工业3。气升式反应器流体力学进行了实验和计算研究了扩大规模和设计考虑。在气升式反应器满度试验是昂贵的，因此，更符合成本效益的方法是通过使用经过验证的计算流体动力学（CFD）模型。已经有进行实验 4-12 广泛的研究，并进行了计算 3,8,13 一些研究，提供了一个更好地了解外部环流反应器流体力学。 Bentifraouine等。 4研究了一种气 - 液分离器和液体高度上ELALR的全局动力学参数的影响。该研究显示，两个开口在提升管和降液管之间的最佳连接点能够加倍液体循环速度，并降低30的气含率。 GAVRILESCU和Tudose 6观察到降液管到提升管的横截面面

3、积之比影响气含率由于液体循环速度的几何比率的影响。 Merchuk和Stein 7测得的局部气含率和液体再循环率在气升式反应器中，并确定所测量的液体的流速和气体流量之间和本地气体速度和该混合物的总流速之间的关系。斯内普等。 5进行了实验，研究液相性质和分布器的设计在一个ELALR的影响，并发现该朱伯和芬德利漂移流模型适合提升管气含率数据的异质流型，但未能预测气含率数据的过渡流动制度。 Dhaouadi等。 9 计算流体力学和在ELALR传热实效果，并发现，增加固含率导致了液体的速度和热transfer.Other研究人员，如Zhang等人的减少。 10及彩12测量的不同的反应器结构和操作条件上

4、的外部环流反应器的流体动力学参数的影响。例如， Choi等人 12 发现增加降液管到提升管的横截面面积之比增大了液体循环速度和降液管的气含率和降低提升管气含率和混合时间。对于计算研究，两种方法通常用于鼓泡塔的预测是欧拉 - 欧拉模型或欧拉 - 拉格朗日模型。欧拉 - 欧拉模型将分散的（气泡）和连续（液）相如互连续体，并描述在文献1418欧拉框架气相和液相的议案。在欧拉 - 拉格朗日模型中，连续相是在欧拉表示描述，而分散相被视为离散的气泡，每个气泡通过解运动方程为单个气泡19-21跟踪。作者22预viously表明，通过使用欧拉 - 欧拉twofluid模型，气含率和气体速度的预测是较好的一致性

5、与文献报道的鼓泡塔流实验，提供适当的湍流模型和网格分辨率被使用。外部环流反应器采用欧拉 - 欧拉模型 3,8,13 的数值模拟进行了调查，并没有发现文学上的气升式反应器流体力学欧拉 - 拉格朗日模拟。 Wang等人。 8 进行使用欧拉 - 欧拉方法的圆柱形外循环气升式反应器的二维稳态模拟和显示，侧向力和相间动荡对预测流体动力学行为不可忽视的影响。此外，曹等人。 13进行的矩形外部环流反应器的三维瞬态仿真和得到的预测动力学参数和实验之间良好的一致性，但在高气体流速制度。 Roy等人。 3 进行了圆柱形ELALR三维稳态模拟，发现在CFD欧拉 - 欧拉预测气含率，液体轴向速度和混合时间与实验结果之

6、间的协议。但应注意的是， Wang等人8和Cao等。 13除了数值模拟进行的实验。在本工作中，在一个ELALR气液流动动力学在2和3 dimensions.The席勒-瑙曼阻力系数模型使用CFDLib23是用于模拟的，以及所采用的湍流模型可以是与气泡的气泡压力模型诱发动荡（BP+比特）24,25或多相K-_模型26,27根据流动制度。适当的有效的气泡直径是基于参数化研究，二维和三维模拟的表观气速决定。时间和空间的平均气含率在提升管和降液管从模拟计算和比较，以实验测量为同一geometry.Predictions为提升管表观液体速度和体积密度的不同的ELALR也与实验进行比较。目的是验证与实验数

7、据的模拟，以确定一组合适的模型参数和混合比反应器的操作模式。2实验方法在本研究中使用的ELALR的示意图如图1所示。该ELALR包括两个主要部分，一个2.4米浇铸丙烯酸冒口与10.2厘米内径（ID）和一个2.4米浇铸丙烯酸降液用2.5cm内径，基于所述横截面区域AR= 1的纵横比 16。降液管和立管部分都具有两个13.3厘米长，2.5厘米内径连接丙烯酸管位于H= 5到127厘米，其中H为反应器高度曝气板的上方。最初unaerated液面高度为H142.2厘米（14冒口直径）的所有实验。气体通过具有被均匀地分布在整个板面积，以产生2.22的开放区域比率1毫米直径的孔的不锈钢板分配器注入在提升装置

8、底座。气体正压室位于曝气板块之下，充满了大玻璃珠（即大理石），以促进气体均匀分布到立管。提升管和降液管部分的顶部连接在一起，用球阀（阀乙图1中的），因为它们进入塔放空，这允许气体流动的可能性了降液管。的闸阀（图1中阀A）是安装在降液管部分的中间，这样，当关闭时，ELALR近似于半间歇鼓泡塔。因此，降液管3的配置是可能的并且在本研究中所引用：两个降液管闸阀和泄关闭（BC模式为泡罩塔），所述闸门阀打开，排气阀关闭（封闭vent_ CV模式，并且两个闸阀口是否打开）OV模式开vent_。两个质量流量计，用于测量气体流速以覆盖低和高气体流速范围内，在那里气体被过滤的压缩空气。两个压力传感器被安装在立管

9、和位于H = 10.2厘米和110.5厘米。的倾斜U形管压力计连接到与位于H = 5厘米， 67.13厘米连接降液管部分。该质量流量计和压力换能器被连接到一个计算机控制的数据采集系统。平均进气流量和提升板部的压力是从在1000 Hz.Gas滞留在提升管部分（ _GR ）的频率取在2秒间隔测量计算出被测量的两个压力传感器之间，并且从反应器中的压力降来确定假设加速度影响可以忽略1。正如由Merchuk和Stein 7 ，加速度通常贡献不到1 的总气含率的测量。在非常高的气体流速，加速效果将占到总气含率的2-3 。由于最大表观气体速度为20厘米/秒，而忽略加速度的影响是合理的。因此，在该反应器中的总

10、压力降对应于静水压头;在这种情况下，其中_P是在两个压力传感器的平均局部压力之间的差值时Ug_0和_PO是相应的平均压力差时高层=0（即，该液体静水压头）。气含率在下降管部（_d）是使用倾斜的U形管压力计测量，并通过在压力计的水柱高度的变化，假设加速度的影响可忽略不计测定。表面液体速度（UL）是跟踪在本研究中剩余的水动力参数。因为UL不能被直接测量，它是从线性液体速度（VI）中，气含率的知识来确定。降液管的液体空塔速度（ULD）的测定使用示踪技术测定的降液管的液体的线速度（VLD）和数学关系，以可测量的VLD转换为ULD通常完成的。示踪技术是基于确定它需要一个给定的示踪剂的旅行的一组距离的时间

11、。对于这项工作，氯化钾盐作为示踪剂被选中，和导电性的电极，用于测量它需要一个注射盐溶液的旅行过去的两个固定位置在降液管28,29的时间。的表观液体速度在下降管（ULD）和立管（ULR）由以下分析计算关系1：其中Vld的是三次独立实验，每个实验涉及采取的兴趣和_gd气体速度是对应的降液管的气含率50 VLD数据点的平均值。需要注意的是在50次测量结束时，系统排干，冲洗和再充满淡水，并且50Vld测量的平均值通常变化小于2。测量不确定度估计继Figliola和比斯利30提供的方法。与本科有关的典型的不确定性是_1-5，而对应于最低的速度测量较大的不确定性。对应的绝对气含率的不确定性估计约为_0.0

12、01-0.015。其他实验细节可以在别处找到29。3数值配方3.1控制方程。该代码CFDLib，在洛斯阿拉莫斯国家实验室23,31开发了一种多相仿真库，用来解决在这项研究中两相流动控制方程。双流体欧拉 - 欧拉模型被用来表示每个相作为连续体的互穿，并且守恒方程质量和动量的每个阶段都合奏平均。变量_代表无论是连续_liquid water_相c或分散（气泡）阶段D。相连续性方程_，而忽略了传质，是相动量方程是_其中标识了相位相反。该条款对等式的右边。 4表示，从左至右，压力梯度，有效的剪切应力，界面动量交换（拖动和虚拟质量力），以及重力。封闭模型界面动量交换和湍流效应我们接下来讨论。3.2界面动

13、量交换。公式中的界面动量交换条件。 4为每个阶段包括阻力和虚拟质量力条款。用于气体（d）和液体的动量交换系数（C）阶段被建模为其中CD为阻力系数。虚拟质量力有限体积法模拟成和0.5的系数被用于球形气泡32。虚拟海量力模型的质量惯性加入到液相的气泡通过液体的连续移动。建议席勒和瑙曼风阻系数模型33是落实到CFDLib，其中，Re=_c_ud-uc_db _c是根据一个特征（有效）气泡直径，两相之间的滑动速度，液体密度与液体的动态粘度的气泡雷诺数。3.3湍流模型。湍流度的连续相和分散相是基于由第一柏等人提出的标准的多相的k-_方程的变形形式。 23和由Padial等进行详细说明。 27来计算湍流在

14、一个slipproduction能量项的形式，在气 - 液界面。改进的K-_方程式在这里只用于高气速流动，如由文献22在以往的工作。的方程湍流动能和湍流耗散，分别是再次，下标_和代表两个不同的阶段。前三个方面对等式的右边。 8 占湍流动能的扩散，平均流剪切生产湍动能和衰减。这些条款是相同的，出现在单相湍流 34 术语。公式中剩余的两个词。 8 为生产汹涌能量从阶段和湍流能量的阶段之间交流之间的滑动。 9帐户的湍流扩散，平均流速梯度产生项，并均匀耗散项，分别为。最后一组等式条款。 9 描述了生产湍流耗散的界面动量传递的效果（参见式（ 5 ） ） 。湍流参数正在使用K- _湍流模型，标准的经验值设定，其中C1_ = 1.44 ， C2_ = 1.92 ， C_ = 0.09 ， _ = 1.0 ，和_ = 1.3 34 ，进一步的细节已经由律师等讨论人。 22。3.4泡沫压力模型。气相压力由动能和势能压力的贡献，这里的动压只在低气体体积分数或低进口气速35