作为一种低污染的可再生能源,生物柴油是由可再生的动植物油及废弃食用油脂与甲醇或乙醇通过酯交换反应制得的,是传统化石燃料的优质替代品。在目前较常见的固体碱催化酯交换生产生物柴油的过程中,固相催化剂和液相反应物主要是在固-液搅拌反应器中进行反应,两者的混合接触情况直接影响到反应速率和传质效果。因此,了解和掌握搅拌器内的流场及浓度场分布规律及影响因素,进而指导设计和优化放大反应器就有重要的研究价值和意义。本文在国家自然科学基金(51876106)、山东省重点研发计划(2018GGX104027)以及山东大学青年学者未来计划项目(2015WLJH33)资助下。以固-液搅拌器为研究对象,采用计算流体力学(CFD)技术对搅拌器进行了模拟研究,探究其内的固液混合情况和复杂的流动特性变化。在此基础上,基于相似准则对搅拌反应器进行了放大与结构优化设计,并通过模拟分析了放大及变结构优化后搅拌器内流场、浓度场及功率消耗的变化规律和影响因素,为固体碱催化酯交换生产生物柴油的工业化提供理论依据。具体工作内容如下:(1)选取常见的20L级六叶Rushton桨搅拌器为研究对象,使用CFD软件在欧拉-欧拉流体模型的基础上耦合颗粒动力学理论(KTGF)通过多重参考系法(MRF)对搅拌器内固液两相流动进行模拟,并结合文献验证了模拟的准确性。模拟表明,转速低于600rpm时,搅拌器底部颗粒堆积明显,随着转速增至1500rpm堆积区域逐渐向中心收缩。挡板的布置使得搅拌器内形成“双循环”回路,增强了流体的湍动,但会导致颗粒在挡板处的聚集,不利于颗粒在挡板处的均匀分布。根据模拟结果,转速高于900rpm才能得到较好的固液悬浮效果。(2)采用几何相似条件对搅拌器进行放大并选取叶端速度为放大因子,得到2000L级搅拌器的结构尺寸参数和与小搅拌器相对应的叶轮转速,基于此对放大后搅拌器进行了建模模拟。结果表明,放大后挡板对固相浓度及湍动能分布的影响变小,且转速越高影响越小。放大后的搅拌器需要更高的叶端速度才能达到放大前的悬浮效果;而增加转速在促进颗粒均匀悬浮的同时也会导致功率消耗剧增,转速从264rpm到324rpm再到390rpm分别扩大了 1.24倍和1.08倍,功率消耗从2317.13W扩大到4521.487W再到7869.28W,分别扩大了 1.95倍和1.74倍。综合考虑功耗和颗粒浓度分布的影响,适合放大后搅拌器内的转速为324rpm和 390rpm。(3)为缓解放大后搅拌器功耗过大的问题,对放大后搅拌器的结构进行优化,选用开式叶轮并调整离底高度,并对优化后的搅拌器进行模拟。结果表明,开式叶轮可以增强上下循环回路间的物质交换,有利于颗粒悬浮均匀。但是降低离底高度至0.2总高会导致无法形成“双循环”回路,颗粒主要悬浮在搅拌器中下部,且挡板底部颗粒堆积严重。综合功耗和颗粒悬浮情况,得到最优的设计是转速324rpm,离底高度0.3总高的开式搅拌桨搅拌器。