【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于化工，具体涉及一种通过三维数值模拟液固磁流化床中磁性纳米颗粒的运动规律确定其流化条件的方法。
技术介绍
1、流化床具有良好的传质及传热性能，可处理高粘度底物和粉末状底物，不会堵塞，温度、ph易于控制等特点，在酶催化反应中得到越来越广泛的关注。然而在传统的液固流化床中，一般的固定化酶颗粒的密度与流化流体密度相差不大，而且颗粒体积较小，使得流化床的带出速度较小，降低了传质过程，限制了设备操作范围和适应性。为了使固定化酶颗粒在较高的流化速度下不被流体夹带出床层，必须借助于某种外力的作用。磁场流化床是将磁场引入普通的流化床，采用磁敏性颗粒作为床层介质的流固处理系统。该系统借助于磁敏性颗粒对外部磁场的响应性，提供了一种改善流化床操作性能的手段，为流化床在酶催化反应中的更广泛应用提供一个新的途径。例如，在毛油的酶法脱胶和脱酸过程中，利用磁性固定化酶颗粒在磁流化床中进行酶促反应，反应条件较为温和且不产生化学废物，显著提高了反应效率和稳定性。
2、在外加磁场的作用下，磁流化床中磁性颗粒会呈现有规律的流化态，可提高床内流体的传质和传热速率，酶的活性和稳定性好，磁性颗粒被锁定在磁场区域内，底物可以连续与磁性颗粒接触并快速分离，这些都为磁场流化床中的酶催化反应提供了可能性。流化床外加磁场后，使固定化酶颗粒的带出速度有了很大的提高，使微小固定化酶颗粒在流化床中的应用成为可能，从而使得底物的扩散系数提高，加速了反应的速度。
3、但研究磁流化床中颗粒的运动规律时，无法直接用肉眼进行观察，计算机模拟技术可以很好地复现这一
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种通过三维数值模拟液固磁流化床中磁性纳米颗粒的运动规律确定其流化条件的方法。openfoam软件因其具有开源性和三维模拟功能，可以立体地还原液固磁流化床中液相和固相的流动过程。本专利技术运用openfoam软件，基于mp-pic模型，采用eulerian-lagrangian方法构建三维数值模型，在纵向磁场条件下，将磁性纳米颗粒、液相设置为连续性的流体，以牛顿第二定律为基础求解单个磁性纳米颗粒运动方程，选取软球模型来处理磁性纳米颗粒间的碰撞。建立一系列约束磁性纳米颗粒和液体连续相运动的方程对液固磁流化床中磁性纳米颗粒的运动进行模拟，在适宜的外加磁场强度、液体流速及分布板开孔率的条件下，纳米磁性颗粒呈现链式流化态。在此条件下，可以大大提高磁流化床的传热及传质速率，使纳米磁性颗粒达到流化态，从而确定磁流化床的运行参数。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
3、本专利技术提供了一种通过三维数值模拟液固磁流化床中磁性纳米颗粒的运动规律确定其流化条件的方法，选取将颗粒作为离散相、将液体看做连续相的eulerian-lagrangian模型，通过计算机模拟在液固磁流化床中磁性纳米颗粒的运动规律，从而确定液固磁流化床的运行参数。根据计算机模拟输出的数据显示，多孔板开孔率适宜时，纳米磁酶颗粒固含率分布的均匀程度很好。在磁流化床150mm轴向高度处的固含率分布较为稳定，轴向中心部分纳米磁性颗粒做向上运动，而两侧纳米磁性颗粒向下运动，径向中心左侧纳米磁性颗粒向右运动，右侧的纳米磁性颗粒向左运动，纳米磁性颗粒由两侧向模型中心运动，形成了环核流动规律，颗粒的运动轨迹呈现近似圆形轨迹。在磁场强度0.022t、液体流速0.0030m/s及分布板开孔率45％的条件下，磁性纳米颗粒在磁流化床中呈现有规律的流化态，提高了传质和传热速率。
4、一种通过三维数值模拟液固磁流化床中磁性纳米颗粒的运动规律确定其流化条件的方法，通过以下步骤实现：
5、第一步，建立液固两相流动的数学模型：
6、1)液体控制方程
7、假设液体和磁性纳米颗粒间不存在质量交换，把液体视为不可压缩的、密度和温度恒定的，其液体连续性方程：
8、
9、液体动量守恒方程：
10、
11、
12、fpf＝β(ul-up)
13、其中，ul是液体流动速度，up是颗粒流动速度，t是时间，g为重力加速度，p为液体压力，τl为液体应力张量，fpf是划分的单位网格内磁性纳米颗粒和液体间相互作用力，εl是空隙率，ρl是液体密度，i是惯性矩；
14、2)磁性纳米颗粒离散相控制方程
15、假设磁性纳米颗粒为二维圆盘，直径无变化，其在运动过程中与壁面和相邻颗粒发生碰撞，适用于牛顿第二定律；其方程如下：
16、
17、其中，fg是磁性纳米颗粒重力，fd是磁性纳米颗粒受液体的曳力，fp是磁性纳米颗粒的浮力，fc是碰撞时作用于磁性纳米颗粒上的接触力，fm是磁性纳米颗粒所受磁力，fm是液固磁流化床模型中的虚拟质量力，fl是液体对磁性纳米颗粒施加的润滑力，t是时间，m为磁性纳米颗粒质量，r是磁性纳米颗粒间的距离；
18、3)外加磁场力数学模型
19、处于磁场中的磁性纳米颗粒不仅会受到外加磁场产生磁场力fme，还会受到周围磁颗粒间施加的磁感应力fmi；
20、fm＝fme+fmi
21、外加磁场下磁性纳米颗粒间的相互作用力：当相邻两个球形磁性纳米颗粒的球心连线方向和外加磁场方向相同时，磁性纳米颗粒间为引力；当相邻两个球形磁性纳米颗粒的球心连线方向和外加磁场方向垂直时，磁性纳米颗粒间为斥力；当相邻两个磁性纳米颗粒球心的连线方向与磁场方向既不相同也不垂直时，把磁性纳米颗粒a的中心定位在三维坐标系的坐标原点，将磁性纳米颗粒间磁感应力受力定位在x-y平面内，与平面z无夹角；其中，b0为施加的均匀磁场强度，r是磁性纳米颗粒a与b间的距离，fθ为磁性纳米颗粒a对b的偏向力，fr为磁性纳米颗粒a对b的径向力；θ是磁性纳米颗粒间的偶极角，γ为磁性纳米颗粒间的偶极角取向；
22、纳米磁性颗粒间磁感应力为其径向力和偏向力的合力，具体表示为：fmi＝fr+fθ
23、其中，纳米磁性颗粒间的径向力表示为：
24、
25、其中，μ0为真空的磁导率，m是偶极矩；
26、分别对式和求偏导得：
27、
28、
29、其中，vp是磁性纳米颗粒体积，χe磁性纳米颗粒的磁化率；
30、偏向力可表示为：
31、
32、分别对式和求偏导得：
33、
34、
35、其中，
36、
37、
38、
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【技术保护点】
1.通过三维数值模拟液固磁流化床中磁性纳米颗粒的运动规律确定其流化条件的方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，液体流速为0.0020-0.0040m/s。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，磁场强度为0.020-0.024T。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分布板开孔率40％-50％。
【技术特征摘要】
1.通过三维数值模拟液固磁流化床中磁性纳米颗粒的运动规律确定其流化条件的方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，液体流速为0.0020-0....
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