泰勒反應(yīng)器應(yīng)用技術(shù)進(jìn)展

葉 立，蔡小舒，童正明

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

進(jìn)展與述評(píng)

泰勒反應(yīng)器應(yīng)用技術(shù)進(jìn)展

葉 立，蔡小舒，童正明

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

作為基于泰勒渦流原理制得的一種新型反應(yīng)器，泰勒反應(yīng)器得到了日益廣泛的應(yīng)用，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展前景。本文討論了內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速、軸向流速、半徑比及縱橫比等操作參數(shù)對(duì)泰勒反應(yīng)器性能的影響，綜述了泰勒反應(yīng)器在顆粒制備、光催化降解、生物培養(yǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對(duì)氣體通入影響、流動(dòng)特性改進(jìn)、反應(yīng)器放大等應(yīng)用問(wèn)題提出了相應(yīng)解決辦法，并指出尋求合理的反應(yīng)器放大方法以及對(duì)反應(yīng)器放大后進(jìn)行穩(wěn)定性和可靠性研究是該領(lǐng)域今后研究的重點(diǎn)。

泰勒流；反應(yīng)器；流態(tài)；混合；反應(yīng)特性

泰勒反應(yīng)器是基于泰勒渦流原理制得的一類(lèi)反應(yīng)器。在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的兩同軸圓筒間（通常為內(nèi)圓筒旋轉(zhuǎn)而外圓筒靜止），當(dāng)內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速高于某一臨界值后，離心力作用將在沿圓筒軸線(xiàn)方向上誘導(dǎo)產(chǎn)生一系列正反交替、有序排列的環(huán)形渦（即泰勒渦），如圖1(a)所示，這種強(qiáng)加于沿轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)主體流動(dòng)上的二次流動(dòng)就被稱(chēng)為泰勒流[1]。泰勒反應(yīng)器出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代[2]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，近年來(lái)，泰勒反應(yīng)器的應(yīng)用迅速拓展至化工、生物、材料、環(huán)境等諸多相關(guān)領(lǐng)域，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展趨勢(shì)。

與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比，泰勒反應(yīng)器具有諸多優(yōu)點(diǎn)。在層流泰勒流態(tài)下運(yùn)行時(shí)，泰勒反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)接近理想平推流[3]，反應(yīng)器內(nèi)軸向返混小，反應(yīng)推動(dòng)力高，泰勒渦柱的存在為反應(yīng)介質(zhì)提供了較大的比表接觸面積[4]，這些因素都有利于促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行[5]。泰勒反應(yīng)器可同時(shí)保證較高的傳質(zhì)系數(shù)和較小的剪切應(yīng)力[6]，泰勒渦流產(chǎn)生的攪拌作用輕微但有效，能有效促進(jìn)氧氣和物料在液體介質(zhì)中的傳遞；與此同時(shí)，由內(nèi)圓筒旋轉(zhuǎn)造成的剪切力要遠(yuǎn)小于攪拌槳產(chǎn)生的剪切力，對(duì)物料破壞作用小，因此泰勒反應(yīng)器尤其適用于動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)及介質(zhì)中含有對(duì)剪切力敏感的顆粒、吸收劑和大分子等反應(yīng)介質(zhì)的場(chǎng)合。進(jìn)行多相反應(yīng)時(shí)，泰勒反應(yīng)器可以維持固體催化劑顆粒的均勻流化[7]，但與在流化床中不同，顆粒在泰勒反應(yīng)器中主要是依靠泰勒渦作用而不是軸向流作用來(lái)維持懸浮狀態(tài)，因此即使在極低的軸向流速下，也能通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速來(lái)獲得良好的流化效果，突破了流化床中最低軸向流速的 限制。

盡管具有上述優(yōu)點(diǎn)，泰勒反應(yīng)器在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題。本文作者在探討反應(yīng)器性能影響參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)這些問(wèn)題加以分析，并提出了相應(yīng)的解決辦法，以期能促進(jìn)泰勒反應(yīng)器應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

圖1 泰勒流動(dòng)及泰勒反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1 影響泰勒反應(yīng)器性能的操作參數(shù)

1.1 內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速

內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速是影響泰勒反應(yīng)器性能的一個(gè)重要操作參數(shù)，隨內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速增加，泰勒反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)流態(tài)將發(fā)生一系列變化，反應(yīng)器性能也隨之變化。通常使用量綱為1旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Reθ或量綱為1泰勒數(shù)Ta來(lái)表示內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速的大小。

圖2 泰勒反應(yīng)器中隨內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速增加形成的流態(tài)演化圖

在間歇式泰勒反應(yīng)器中，當(dāng)內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流體只是沿圓筒旋轉(zhuǎn)方向簡(jiǎn)單地移動(dòng)，呈現(xiàn)典型的庫(kù)埃特流動(dòng)形式，如圖2(a)所示。當(dāng)內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速增加至一定值時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)會(huì)出現(xiàn)正反交替、有序排列的層流泰勒渦，如圖2(b)所示。層流泰勒渦從反應(yīng)器兩端開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸向反應(yīng)器中部推進(jìn)[8]，使反應(yīng)器環(huán)隙間剛好充滿(mǎn)層流泰勒渦的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)被定義為臨界旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)Reθ,c。隨內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，層流泰勒渦出現(xiàn)周向波動(dòng)，流動(dòng)轉(zhuǎn)為波狀泰勒流，如圖2(c)所示。若再繼續(xù)增大內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速，流體湍動(dòng)性會(huì)明顯增強(qiáng)，但仍然保持渦流結(jié)構(gòu)，流動(dòng)轉(zhuǎn)為湍流泰勒流。湍流泰勒流大致始于Reθ達(dá)到 10Reθ,c時(shí)，此后將在相當(dāng)寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)維持這種流動(dòng)形態(tài)，直到Reθ＞700Reθ,c，渦流結(jié)構(gòu)才受到破壞，流動(dòng)進(jìn)入完全湍流階段[2]。

反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)變化直接影響到反應(yīng)器傳質(zhì)性能。層流泰勒流中，渦內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)較大而渦間傳質(zhì)系數(shù)較小，反應(yīng)器性能接近平推流反應(yīng)器[9]。當(dāng)流態(tài)轉(zhuǎn)入波狀泰勒流或湍流泰勒流時(shí)，泰勒渦的波動(dòng)或湍動(dòng)作用會(huì)導(dǎo)致渦間傳質(zhì)系數(shù)大大增加，迅速達(dá)到與渦內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)相同的數(shù)量級(jí)，此時(shí)，反應(yīng)器性能更接近全混流反應(yīng)器[10]。

泰勒反應(yīng)器內(nèi)剪切力也與流態(tài)變化密切相關(guān)。層流泰勒流態(tài)下，各細(xì)胞或顆粒受到的剪切力存在很大差異，被旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)捕獲而長(zhǎng)時(shí)間位于泰勒渦柱內(nèi)的細(xì)胞或顆粒所受到的剪切力比位于內(nèi)、外筒附近的細(xì)胞或顆粒受到的剪切力要小，在Hill等[11]的實(shí)驗(yàn)中，這種剪切力差異導(dǎo)致了反應(yīng)器內(nèi)不同區(qū)域形成的淀粉纖維形狀上的差異。波狀或湍流泰勒流態(tài)下，反應(yīng)器不同區(qū)域內(nèi)的剪切力差異將逐漸消失。

由以上分析可知，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)選用不同內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速，若從提高反應(yīng)推動(dòng)力、增加反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率角度出發(fā)，應(yīng)選用較低轉(zhuǎn)速；若要保證固體顆粒均勻流化、反應(yīng)基質(zhì)或剪切力的均布，則要選用較高轉(zhuǎn)速。通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速等操作參數(shù)，可使同一個(gè)泰勒反應(yīng)器滿(mǎn)足不同反應(yīng)需求，這是泰勒反應(yīng)器的又一大優(yōu)點(diǎn)。

1.2 軸向流速

軸向流速對(duì)反應(yīng)器性能的影響只是針對(duì)連續(xù)式泰勒反應(yīng)器而言，軸向流速可用軸向雷諾數(shù)Reax表示。在泰勒反應(yīng)器通常采用的小軸向流速或中等軸向流速范圍內(nèi)，反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)演變順序不會(huì)發(fā)生變化，但由于軸向流的引入對(duì)渦柱結(jié)構(gòu)具有一定程度的穩(wěn)定作用，各流態(tài)轉(zhuǎn)變點(diǎn)將被延后到更高的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下[12]。連續(xù)式泰勒反應(yīng)器中，泰勒渦在軸向流的拖動(dòng)下還會(huì)產(chǎn)生從反應(yīng)器入口至反應(yīng)器出口的移動(dòng)，這種移動(dòng)通常用渦柱漂移速度Vd（即渦柱移動(dòng)速度與物料沿軸向的表觀(guān)流速之比）來(lái)表示。Vd的大小取決于旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)和軸向雷諾數(shù)之比值Reθ/Reax，隨著Reθ/Reax的增大，Vd值將從1.17左右逐漸減小至0[3]。Vd=1時(shí)反應(yīng)器處于一種特殊的流動(dòng)狀態(tài)下，被稱(chēng)為漸進(jìn)式渦流流動(dòng)（progressive vortex flow）。渦柱依序從反應(yīng)器入口移動(dòng)至出口，當(dāng)一個(gè)渦柱在反應(yīng)器出口處潰滅時(shí)就會(huì)有一個(gè)新的渦柱在反應(yīng)器入口處生成，渦柱之間不會(huì)相互重疊，反應(yīng)器中也不存在旁流和逆流，介質(zhì)的所有軸向流動(dòng)都依靠渦的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行，反應(yīng)器性能接近平推流反應(yīng)器。Vd＞1時(shí)反應(yīng)器中存在逆流，Vd＜1時(shí)反應(yīng)器中存在旁流，在這兩種情況下，介質(zhì)的軸向流動(dòng)除了依靠渦的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行外，還有一部分需要依靠旁流或逆流來(lái)進(jìn)行。Vd=0時(shí)反應(yīng)器處于另一種特殊狀態(tài)下，此時(shí)渦柱完全停止向下游移動(dòng)，介質(zhì)軸向流動(dòng)完全依靠旁流來(lái)進(jìn)行，渦柱則成為滯止“死區(qū)”，有效反應(yīng)體積大大減小，反應(yīng)器性能受到嚴(yán)重破壞，這種情況可通過(guò)內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增加時(shí)渦柱和旁流間傳質(zhì)作用的增強(qiáng)得到部分改善[13]。

在軸向流速一定的情況下，隨內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速增加，連續(xù)式泰勒反應(yīng)器性能將從平推流向全混流逐漸過(guò)渡[14]。在剛好形成層流泰勒流的低旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下，運(yùn)行的反應(yīng)器具有較好的反應(yīng)性能，隨內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速增加反應(yīng)器反應(yīng)性能變壞，但反應(yīng)性能最差的情況不是發(fā)生在極高的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下，而是發(fā)生在具有滯止“死區(qū)”的中等旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下。

1.3 半徑比及縱橫比

半徑比η被定義為反應(yīng)器的內(nèi)圓筒半徑ri與外圓筒半徑ro之比，可反映反應(yīng)器內(nèi)外圓筒間環(huán)隙的大小。通常情況下泰勒渦柱高度與渦柱寬度相等，而渦柱寬度又取決于環(huán)隙寬度[13]，因此隨著半徑比增大（即環(huán)隙寬度減小），反應(yīng)器軸向環(huán)隙內(nèi)的泰勒渦數(shù)目會(huì)增加。Wei等[15]研究了半徑比變化對(duì)軸向環(huán)隙內(nèi)泰勒渦數(shù)目的影響，在反應(yīng)器長(zhǎng)度保持一定的情況下，當(dāng)半徑比為0.434、0.540、0.640、0.760時(shí)，軸向環(huán)隙內(nèi)相應(yīng)的泰勒渦數(shù)目分別為22個(gè)、26個(gè)、34個(gè)和50個(gè)。半徑比對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)演變也有一定影響，波狀泰勒流只會(huì)在ri/ro＜0.71的泰勒反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生，在ri/ro＞0.71的窄隙反應(yīng)器中，反應(yīng)器中流態(tài)將從層流泰勒流直接過(guò)渡到湍流泰勒流[16]。

縱橫比Γ被定義為反應(yīng)器高度H與反應(yīng)器環(huán)隙寬度d之比。相對(duì)于縱橫比較大的泰勒反應(yīng)器而言，縱橫比較小的反應(yīng)器更有利于層流泰勒渦的穩(wěn)定，Deng等[17]對(duì)這兩種反應(yīng)器進(jìn)行了比較，在半徑比均為0.87的情況下，當(dāng)= 34.129時(shí)，Reθ=134.7時(shí)層流泰勒流轉(zhuǎn)變?yōu)椴钐├樟?；而?dāng)Γ= 6.022時(shí)，Reθ＞1500才會(huì)發(fā)生這種轉(zhuǎn)變。在縱橫比較小的反應(yīng)器中，泰勒渦柱高度不再等于渦柱寬度，端壁效應(yīng)的強(qiáng)烈影響使泰勒渦變得“扁平”。

2 泰勒反應(yīng)器的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 顆粒制備

在泰勒反應(yīng)器中可通過(guò)結(jié)晶[18]、聚合[15]、水解[19]、中和[20-21]等多種方法來(lái)制取顆粒。應(yīng)用于顆粒制備的泰勒反應(yīng)器幾乎無(wú)一例外地采用了較高的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)，其目的是為了利用較高轉(zhuǎn)速下的均勻混合條件來(lái)滿(mǎn)足制得顆粒粒度均勻、形狀均一的要求。Wang等[20]對(duì)比了使用連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器和連續(xù)泰勒反應(yīng)器制取CaCO3顆粒的不同效果，在反應(yīng)劑量、攪拌轉(zhuǎn)速、反應(yīng)器進(jìn)出口介質(zhì)流速均相同的情況下，攪拌釜式反應(yīng)器中同時(shí)有方形顆粒和紡錘形顆粒產(chǎn)生，而泰勒反應(yīng)器中得到的CaCO3顆粒形狀和粒度都十分均勻。

泰勒反應(yīng)器操作簡(jiǎn)便，易于調(diào)節(jié)，通過(guò)改變操作參數(shù)可對(duì)顆粒生成進(jìn)行有效控制。Kang等[21]研究了反應(yīng)器操作參數(shù)對(duì)生成顆粒形態(tài)的影響，通過(guò)改變反應(yīng)劑濃度、軸向流速和內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速等參數(shù)分別得到了菱形、紡錘形和針形等不同形狀的晶體顆粒，Kang等還推導(dǎo)出由以上操作變量組成的量綱為1的參數(shù)式，并成功運(yùn)用該參數(shù)式預(yù)測(cè)了生成顆粒的形狀。Kim等[18]研究了內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速對(duì)生成顆粒粒徑的影響，發(fā)現(xiàn)生成顆粒尺寸隨內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速增加而減小，實(shí)驗(yàn)條件下得到了尺寸小于5 μm且粒度相當(dāng)均勻的晶體顆粒。

泰勒反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)穩(wěn)定，可使工藝條件保持長(zhǎng)期恒定，從而保證了顆粒的連續(xù)制取效果。Takashi等[19]使用泰勒反應(yīng)器連續(xù)制取氧化鋁顆粒，在5 h實(shí)驗(yàn)期間所制得顆粒的平均粒徑、幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差和顆粒密度都始終保持恒定，且在相同反應(yīng)條件下實(shí)驗(yàn)具有高度可重復(fù)性。Wei等[15]的實(shí)驗(yàn)也得出了泰勒反應(yīng)器可在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)保證操作條件穩(wěn)定的結(jié)論。

2.2 光催化降解

光催化降解是用于去除廢氣、廢水中有機(jī)廢物（如苯酚、苯甲酸等）的一種降解技術(shù)[22]。國(guó)內(nèi)外目前應(yīng)用最為廣泛的光催化反應(yīng)器主要包括懸漿式光催化反應(yīng)器和固定式光催化反應(yīng)器兩種，懸漿式光催化反應(yīng)器的降解速率通常要高于固定式光催化反應(yīng)器的降解速率[23]，而泰勒光催化反應(yīng)器則具有比懸漿式光催化反應(yīng)器還要高的降解速率。Mehrotra等[24]在泰勒反應(yīng)器中對(duì)初始濃度為100 mg/kg的苯甲酸水溶液進(jìn)行光催化降解，操作開(kāi)始225 s后，苯甲酸降解率即達(dá)到69%（Reθ=253時(shí)）和76%（Reθ=380時(shí)），在降解液量、降解時(shí)間、電量消耗均相同的情況下，泰勒反應(yīng)器對(duì)苯甲酸的降解率比懸漿式反應(yīng)器分別高出50.4%（Reθ=253時(shí)）和78.3%（Reθ=380時(shí)）。

Dutta等[25]使用泰勒反應(yīng)器對(duì)3種有機(jī)化合物Orange II、Eosin B、苯甲酸進(jìn)行光催化降解處理，實(shí)驗(yàn)中采用了將TiO2催化劑固定于內(nèi)圓筒外壁面和懸浮于處理液中兩種不同的操作模式。光催化反應(yīng)只能發(fā)生在流體-催化劑接觸界面，當(dāng)催化劑被固定時(shí)，接觸界面?zhèn)髻|(zhì)阻力會(huì)降低光催化反應(yīng)速率[26]，這是導(dǎo)致固定式反應(yīng)器降解效率低于懸漿式反應(yīng)器的主要原因。泰勒渦流可以消除界面擴(kuò)散傳質(zhì)阻力的影響，在Dutta進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，兩種操作模式下同種有機(jī)物的降解效率相差不大?？梢?jiàn)，催化劑固定式泰勒光催化反應(yīng)器具有很大的應(yīng)用潛力，因其既避免了懸漿式光催化反應(yīng)器中催化劑易凝聚、難回收、難分離的缺點(diǎn)，又具有很高的降解效率。

Subramanian等[27]使用泰勒反應(yīng)器對(duì)苯酚進(jìn)行光催化降解，研究了環(huán)隙寬（7.5 mm、17.5 mm、32.5 mm）、照明模式（連續(xù)或周期性）等操作參數(shù)對(duì)降解反應(yīng)的影響，證明泰勒光催化反應(yīng)器具有較大操作彈性，通過(guò)改變環(huán)隙寬度就能改變處理量，通過(guò)改變照明模式就能控制光照強(qiáng)度。

2.3 生物應(yīng)用

近年來(lái)，泰勒反應(yīng)器在生物領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，被廣泛用于重組蛋白質(zhì)、單克隆抗體、病毒疫苗、核酸、干細(xì)胞等生物制品的生產(chǎn)中[28-29]。泰勒反應(yīng)器之所以在生物細(xì)胞培養(yǎng)方面得到大量應(yīng)用，是源于生物細(xì)胞沒(méi)有細(xì)胞壁且體積相對(duì)較大，因而對(duì)剪切力特別敏感，要求反應(yīng)器在向培養(yǎng)基中提供足夠氧氣和養(yǎng)分的同時(shí)能維持較低的剪切力[30]。常規(guī)攪拌釜式反應(yīng)器常采用增加攪拌裝置轉(zhuǎn)速的方式來(lái)增強(qiáng)氧氣和養(yǎng)分在培養(yǎng)液中的傳遞[31]，剪切力不可避免地會(huì)增大，泰勒反應(yīng)器則具有同時(shí)滿(mǎn)足高傳質(zhì)系數(shù)和低剪切力要求的能力。Patricia等[32]使用泰勒反應(yīng)器培養(yǎng)大頰鼠卵巢細(xì)胞（CHO-K1），實(shí)驗(yàn)中選擇使細(xì)胞附著在微載體表面生長(zhǎng)的形式，因?yàn)檫@種生長(zhǎng)形式比細(xì)胞處于懸浮狀態(tài)生長(zhǎng)對(duì)剪切力更為敏感。實(shí)驗(yàn)測(cè)得培養(yǎng)過(guò)程中的氧傳遞系數(shù)KLα達(dá)到8.5 h－1，比在常規(guī)攪拌釜式反應(yīng)器[33-35]中測(cè)得的KLα值1～5 h－1大得多，有效避免了氧限制生長(zhǎng)極限，獲得了高達(dá) 1.0×106cells/m L 的細(xì)胞密度和2.1×10－2h－1的比生長(zhǎng)速率。

泰勒反應(yīng)器在生物領(lǐng)域的應(yīng)用還包括酶催化反應(yīng)和生物滅菌等。Andrea[36]在泰勒反應(yīng)器中進(jìn)行β-內(nèi)酰胺抗生素的酶催化合成，在維持催化酶顆粒均勻流化的同時(shí)，避免了催化酶顆粒受強(qiáng)剪切力破壞，反應(yīng)器運(yùn)行200 h后，其內(nèi)部的催化酶顆粒仍保持了完整的物理形狀和100%的活性。Forney等[37]使用泰勒反應(yīng)器對(duì)蘋(píng)果汁和葡萄汁中的埃希氏菌屬大腸桿菌進(jìn)行紫外滅菌，利用泰勒渦流減小邊界層厚度，使果汁更有效地暴露在紫外光中，滅菌效率比使用普通環(huán)流通道反應(yīng)器提高了3～5倍；此外，內(nèi)圓筒旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)使果汁顆粒反復(fù)暴露在紫外燈照射下，可減小燈管數(shù)量，降低能耗且便于維修。

2.4 其它應(yīng)用

Rivera等[38]使用泰勒反應(yīng)器從含有CuSO4的水溶液中通過(guò)電化學(xué)法回收金屬銅，反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)控制為湍流泰勒流，進(jìn)行趨電性實(shí)驗(yàn)時(shí)銅的回收率可達(dá)到60%，進(jìn)行恒電勢(shì)實(shí)驗(yàn)時(shí)銅的回收率更是高達(dá)85%。Maria等[39]使用泰勒反應(yīng)器代替流化床回收蛋白質(zhì)，利用泰勒渦作用提高液膜傳質(zhì)系數(shù)，降低了吸收過(guò)程中內(nèi)傳質(zhì)阻力的影響，使蛋白質(zhì)回收量達(dá)到0.51 mg/(m L?min)，通過(guò)改變吸附劑設(shè)計(jì)（提高吸附劑密度同時(shí)減小吸附劑直徑，或使用無(wú)孔吸附劑等）方法進(jìn)一步減小內(nèi)部傳質(zhì)后可獲得更好的回收效果。Nguyen等[40]利用泰勒反應(yīng)器來(lái)促進(jìn)淹沒(méi)式結(jié)晶過(guò)程中鳥(niǎo)苷GMP相態(tài)的轉(zhuǎn)變，反應(yīng)過(guò)程中無(wú)定型GMP的分解速度和水合GMP晶體的生長(zhǎng)速度都得到顯著提高，使得相變?cè)? min平均停留時(shí)間內(nèi)就能完成，即使在GMP進(jìn)料濃度高達(dá)150 g/L和300 r/min的中等轉(zhuǎn)速下也如此，這比相同結(jié)晶條件下的MSMPR結(jié)晶器相變效率提高了5倍。

3 應(yīng)用技術(shù)存在的問(wèn)題

3.1 流動(dòng)特性的改進(jìn)

前文已述及，在某些應(yīng)用場(chǎng)合，如進(jìn)行固液相催化反應(yīng)時(shí)，必須采用高轉(zhuǎn)速來(lái)保證催化劑顆粒的均勻流化；但與此同時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)軸向返混作用會(huì)顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致反應(yīng)效率降低。如何在高轉(zhuǎn)速下取得良好的反應(yīng)效果成為泰勒反應(yīng)器應(yīng)用技術(shù)中亟待解決的一個(gè)問(wèn)題，該問(wèn)題涉及反應(yīng)器流動(dòng)特性的改進(jìn)，可通過(guò)改變轉(zhuǎn)子（即內(nèi)圓筒）形狀或在反應(yīng)器內(nèi)增設(shè)擋板的辦法來(lái)達(dá)到這一目的。

肋片式轉(zhuǎn)子[41]（圖3）具有穩(wěn)定泰勒渦的作用，能將層流泰勒流向波狀和湍流泰勒流的轉(zhuǎn)變推遲到更高的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)下。肋片式轉(zhuǎn)子還具有固定泰勒渦的作用，即使在較高軸向流速下也能將泰勒渦固定在相鄰肋片間，有效減小了泰勒渦的軸向波動(dòng)和渦間傳質(zhì)，削弱了軸向擴(kuò)散，使反應(yīng)效率得以提高。此外，使用具有花瓣?duì)顧M截面的轉(zhuǎn)子來(lái)獲取流場(chǎng)均一化效果和最佳剪切速率[42]，使用圓錐形轉(zhuǎn)子來(lái)滿(mǎn)足聚合反應(yīng)過(guò)程中沿反應(yīng)器軸向不斷增加的黏度要求[43]，都是通過(guò)改變轉(zhuǎn)子形狀來(lái)改良反應(yīng)器流動(dòng)特性的方法。

圖3 肋片式轉(zhuǎn)子泰勒反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

擋板通常安裝在反應(yīng)器外筒體內(nèi)壁面上，分為水平擋板和豎直擋板。水平擋板具有與肋片式轉(zhuǎn)子類(lèi)似的作用機(jī)理，可將反應(yīng)器筒體分割成數(shù)個(gè)小單元，泰勒渦被固定在各單元內(nèi)，使得反應(yīng)器軸向返混減小[44]。豎直擋板的存在則會(huì)造成流道的周期性擴(kuò)大和縮小，有助于徑向混合的增強(qiáng)，催化劑顆粒在繞軸流動(dòng)中被周期性加速或減速，反應(yīng)接觸效率比在呈軸對(duì)稱(chēng)穩(wěn)定的泰勒流中更高[45]。

3.2 氣體通入的影響

在泰勒反應(yīng)器中進(jìn)行有氣相參加的反應(yīng)時(shí)，通氣過(guò)程中若有氣泡形成，會(huì)對(duì)反應(yīng)器性能造成嚴(yán)重?fù)p害，因產(chǎn)生的氣泡會(huì)影響流體流態(tài)，使泰勒渦結(jié)構(gòu)受到破壞。要消除氣體通入對(duì)泰勒反應(yīng)器性能的影響，關(guān)鍵在于消除通氣過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡，最常采用的方法是借助膜的滲透作用來(lái)抑制氣泡形成。Janes等[46]在泰勒反應(yīng)器內(nèi)培養(yǎng)紅甜菜細(xì)胞時(shí)采用了薄片狀硅橡膠膜，他們?cè)谥锌詹ＡЧ苌霞庸こ鰯?shù)十個(gè)均勻分布的小孔，并在管外覆蓋一層厚度為0.18 mm的高強(qiáng)度硅橡膠膜，中空玻璃管既作為轉(zhuǎn)子也作為氧氣通道，氧氣由中空玻璃管內(nèi)側(cè)進(jìn)入后經(jīng)小孔和硅橡膠膜滲透至培養(yǎng)液中，滿(mǎn)足好氧培養(yǎng)需求的同時(shí)有效避免了氣泡的形成。Patricia等[32]進(jìn)行的動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中采用了管狀硅橡膠膜，管狀膜被纏繞在反應(yīng)器轉(zhuǎn)子上，氧氣經(jīng)反應(yīng)器底部基座進(jìn)入膜管中，在沿膜管上升過(guò)程中逐漸通過(guò)膜壁滲透到培養(yǎng)液中，既保證了氧氣均布，也避免了氣泡形成。加膜雖然可以在一定程度上抑制氣體通入對(duì)泰勒反應(yīng)器性能的影響，但氣流的通入量和通入速率都要受到限制，不能算做很完善的解決辦法。

近年來(lái)，黃為民等[47-48]采用特殊的氣體分布裝置在攪拌釜式反應(yīng)器內(nèi)誘導(dǎo)生成泰勒渦柱，構(gòu)建出有別于常規(guī)管式泰勒反應(yīng)器的釜式泰勒反應(yīng)器，在這種新型的泰勒反應(yīng)器中，氣體通入不僅不會(huì)對(duì)泰勒渦柱結(jié)構(gòu)造成破壞，反而成為泰勒流形成的基礎(chǔ)，尤其適用于好氧反應(yīng)場(chǎng)合。釜式泰勒反應(yīng)器的研制成功，有望成為消除氣相通入對(duì)反應(yīng)器性能影響的最有效措施。

3.3 反應(yīng)器的放大

現(xiàn)有應(yīng)用中的泰勒反應(yīng)器體積普遍較小，目前可查見(jiàn)最大尺寸的泰勒反應(yīng)器長(zhǎng)度為1500 mm，縱橫比為125[19]，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需要。已有放大方法包括反應(yīng)器特征參數(shù)相似法[6]、增加外圓筒半徑法[32]和增加反應(yīng)器長(zhǎng)度法[32]。

采用特征參數(shù)相似法時(shí)，反應(yīng)器放大前后的半徑比和縱橫比等結(jié)構(gòu)特征參數(shù)都不發(fā)生變化，依靠特征參數(shù)的相似來(lái)保證反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)的相似，Stephen等[6]的實(shí)驗(yàn)證明了該種放大方法的可行性，但他們用來(lái)進(jìn)行對(duì)比研究的兩個(gè)反應(yīng)器的環(huán)隙寬度和反應(yīng)器長(zhǎng)度只相差4倍左右，進(jìn)行更大比例的放大時(shí)該方法是否有效還尚待考證。

采用增加外圓筒半徑法和增加反應(yīng)器長(zhǎng)度法進(jìn)行放大時(shí)，必須通過(guò)調(diào)節(jié)操作參數(shù)來(lái)保持（至少在一定范圍內(nèi)保持）反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)特征的相似，這兩種放大是建立在操作參數(shù)對(duì)反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)影響基本規(guī)律研究基礎(chǔ)上的，目前的研究只能達(dá)到定性預(yù)測(cè)程度，還無(wú)法進(jìn)行精準(zhǔn)的定量預(yù)測(cè)，因此這兩種放大方法在實(shí)施過(guò)程中還具有一定的操作難度。

目前，國(guó)內(nèi)外已有諸多關(guān)于泰勒流CFD模擬的研究報(bào)道[49-55]，若能將CFD模擬技術(shù)與上述放大方法相結(jié)合，定能有效促進(jìn)泰勒反應(yīng)器的放大進(jìn)程。

4 結(jié) 語(yǔ)

作為一種新型反應(yīng)器，泰勒反應(yīng)器在化工、生物、材料、環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用中都顯現(xiàn)出傳統(tǒng)反應(yīng)器所不及的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速、軸向流速、半徑比及縱橫比等操作參數(shù)對(duì)泰勒反應(yīng)器內(nèi)介質(zhì)流態(tài)以及反應(yīng)器性能具有很大影響，使用中應(yīng)根據(jù)不同需求對(duì)操作參數(shù)加以合理選擇。目前應(yīng)用中的泰勒反應(yīng)器體積偏小，尚不能滿(mǎn)足大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的需要，因此，尋求合理的反應(yīng)器放大方法以及對(duì)反應(yīng)器放大后的穩(wěn)定性和可靠性研究是該領(lǐng)域今后研究的重點(diǎn)。此外，操作參數(shù)對(duì)反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)影響的定量化研究也亟待進(jìn)行。

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Progress of app lications of Taylor-vortex flow reactor

YE Li，CAI Xiaoshu，TONG Zhengming
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

As a new type of reactor built on the basis of Taylor-vortex flow theory, Taylor-vortex flow reactor has been used more and more intensively, exhibiting favorable application potential. The influences of operational parameters, such as rotating speed of inner cylinder, axial speed of medium, radius ratio and aspect ratio, on the performances of Taylor-vortex flow reactor are analyzed. Present applications of Taylor-vortex flow reactor in the fields of particle preparation, photocatalysis and cell culture, etc. are introduced. Exisiting application problems, including gas access, flow character improvement and reactor’s scale up, are proposed. Appropriate scale up technologies and studies on reliability of scale-up reactors should become research emphases in the future.

Taylor-vortex flow; reactor; flow pattern; mixing; reaction characteristics

TQ 052.5

A

1000–6613（2012）09–1878–08

2012-03-26；修改稿日期：2012-04-28。

及聯(lián)系人：葉立（1977—），女，碩士，講師，主要從事反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)、傳熱傳質(zhì)等研究工作。E-mail sarah_shine@163.com。