環(huán)流反應(yīng)器研究進(jìn)展

戚航銘　趙德智　宋官龍

摘 要：綜述了環(huán)流反應(yīng)器在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的研究進(jìn)展。介紹了環(huán)流反應(yīng)器的工作原理及不同的分類方法。詳盡介紹了衡量反應(yīng)器主要性能指標(biāo)的特性參數(shù)，氣含率，固含率，循環(huán)液速的概念及測(cè)量方法。闡述了環(huán)流反應(yīng)器實(shí)際工業(yè)應(yīng)用以及研究的局限性，并提出了環(huán)流反應(yīng)器未來(lái)的研究與發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān) 鍵 詞：環(huán)流反應(yīng)器；氣含率；固含率；循環(huán)液速

中圖分類號(hào)：TQ 051 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）09-2171-04

Abstract： Loop reactor research progress at home and abroad was reviewed as well as industrial application. Working principle and classifications of the loop reactor were introduced. The parameters to reflect performance of the reactor were described as well as concepts and measurement methods of gas holdup， solid holdup and circulating fluid velocity. The limitations of application and research of the loop reactor were discussed， and future research and development trend of the loop reactor was proposed.

Key words： Loop reactor； Gas holdup； Solid holdup； Liquid velocity

環(huán)流反應(yīng)器是一類氣-液，氣-液-固多相反應(yīng)器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作便捷，造價(jià)低，能耗低等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，由于其獨(dú)特的流動(dòng)及傳質(zhì)性能而得到廣泛應(yīng)用。無(wú)需機(jī)械攪拌就能達(dá)到很好的混合效果，不僅降低了生產(chǎn)成本，還使反應(yīng)器內(nèi)物料傳質(zhì)，傳熱效果良好。氣升式環(huán)流反應(yīng)器可以使流體定向的流動(dòng)，在較低的表觀氣速下可以使固體顆粒懸浮，提高操作彈性和穩(wěn)定性。在石油煉制[1]，化學(xué)工程，生物化工[2，3]，環(huán)境工程[4-5]，污水處理等方面得到廣泛應(yīng)用。

國(guó)外自20世紀(jì)50年代開始對(duì)環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行系統(tǒng)研究，國(guó)內(nèi)對(duì)于環(huán)流反應(yīng)器的研究也取得了很大進(jìn)展，自1955年至今，從初始的針對(duì)氣液，氣液固的研究到中國(guó)石油大學(xué)（北京）劉夢(mèng)溪等人將氣液環(huán)流理論合理的應(yīng)用到氣固體系，使得氣固體系的研究取得巨大進(jìn)步[6-10]。

1 環(huán)流反應(yīng)器的類型及工作原理

1.1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

根據(jù)環(huán)流反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)不同可分為內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器和外環(huán)流反應(yīng)器其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于氣體或液體的鼓入而造成反應(yīng)器內(nèi)物料在反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)的反應(yīng)器叫做內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器。由于氣體或液體的鼓入而造成反應(yīng)器內(nèi)物料在反應(yīng)器外部進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)的反應(yīng)器叫做外環(huán)流反應(yīng)器。二者流動(dòng)形式都比較規(guī)則，能耗小，因此均能達(dá)到良好的傳質(zhì)和傳熱特性。

1.2 驅(qū)動(dòng)流體的類型

（1）氣升式環(huán)流反應(yīng)器

氣升式環(huán)流反應(yīng)器是利用從反應(yīng)器底部鼓入氣體，使反應(yīng)器內(nèi)部上升區(qū)和下降區(qū)形成密度差而驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)物料形成循環(huán)流動(dòng)其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（2）噴射式環(huán)流反應(yīng)器

噴射式環(huán)流反應(yīng)器是通過(guò)噴射裝置把流體以大于20 m/s的速率噴入反應(yīng)器內(nèi)，利用噴射動(dòng)能，使反應(yīng)器內(nèi)物料進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（3）推進(jìn)器式環(huán)流反應(yīng)器

推進(jìn)器式環(huán)流反應(yīng)器適于處理黏度較高的流體，導(dǎo)流筒可以換熱，但攪拌裝置不易密封，維修困難，容易造成危險(xiǎn)，對(duì)人員和環(huán)境都存在潛在的危險(xiǎn)性。關(guān)于推進(jìn)器式環(huán)流反應(yīng)器還有待于科研人員進(jìn)一步研究才能應(yīng)用到實(shí)際。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.3 根據(jù)組成形式分

根據(jù)組成形式分可將環(huán)流反應(yīng)器分為單級(jí)環(huán)流反應(yīng)器和多級(jí)環(huán)流反應(yīng)器。單級(jí)環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，而多級(jí)環(huán)流反應(yīng)器結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的多，同時(shí)對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)物料的傳質(zhì)和傳熱效果比較好。

2 環(huán)流反應(yīng)器的特性參數(shù)

2.1 氣含率

氣含率是指氣相在整個(gè)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)或反應(yīng)器的局部區(qū)域內(nèi)相對(duì)于其他相所占有的體積百分比。氣含率分為整體氣含率和局部氣含率，是環(huán)流反應(yīng)器的重要性能參數(shù)，而且影響著其它的性能參數(shù)。

氣含率的測(cè)定方法有很多：膨脹法[11，12]，是根據(jù)通氣前后反應(yīng)器內(nèi)液體的高度差來(lái)測(cè)量總體氣含率的方法。差壓法[13]，根據(jù)軸向位置不同截面的壓力差來(lái)測(cè)量?jī)山孛骈g的平均氣含率。電導(dǎo)探頭法[14]和光纖探頭法[15，16]，利用電信號(hào)或光信號(hào)感應(yīng)氣相或液相來(lái)測(cè)量反應(yīng)器內(nèi)的局部氣含率。并且通過(guò)面積加權(quán)平均法還可以求得徑向方向上的平均氣含率[17-19]。目前測(cè)量氣含率的主要方法是壓差法。

在氣-液兩相及氣-液-固三相體系中，當(dāng)氣體速度比較低時(shí)，氣含率隨著氣體速度的增大而明顯增大，當(dāng)在較高氣速條件下，氣含率隨著氣體速度的增大而沒(méi)有明顯變化。劉敏等[20]把這種趨勢(shì)的變化稱為流態(tài)化變化。張同旺[21]認(rèn)為氣泡的尺寸隨表觀氣速的升高而增大。而表觀液速對(duì)氣含率的影響非常小，基本可以忽略不計(jì)。

液體的黏度，表面張力會(huì)對(duì)氣含率產(chǎn)生重要影響，降低液體的表面張力和黏度，可以使氣含率的徑向分布更加均勻。

王鐵鋒[22]認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)部的平均氣含率受固含率的影響不大，李紅星[23]認(rèn)為平均固含率增加，平均氣含率下降；隨著固含率的增加，氣含率下降的比較緩慢。壓力增加，氣含率增加，但是當(dāng)壓力增加到一定值時(shí)，對(duì)氣泡影響就很小了。

2.2 固含率

固含率是指在反應(yīng)器內(nèi)三相物系中固相所占的體積分率。對(duì)于環(huán)流反應(yīng)器的研究，傳統(tǒng)的二相系統(tǒng)的研究已經(jīng)比較成熟，對(duì)于三相反應(yīng)物系，固含率的研究對(duì)于三相反應(yīng)物系的流體性能，傳質(zhì)及傳熱同樣具有重要的意義。

目前測(cè)量固含率的常用方法有取樣法[24-27]。取樣法由于操作簡(jiǎn)單，費(fèi)用低廉，已被大范圍的采用。壓差法通過(guò)測(cè)量反應(yīng)器軸向不同截面的靜壓差來(lái)測(cè)量，與氣含率有所關(guān)聯(lián)，具有操作簡(jiǎn)單快捷等優(yōu)點(diǎn)，但只可以測(cè)出局部的平均固含率。

影響固含率的主要因素有循環(huán)氣速，液速，固體顆粒的裝載量及反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)等。張鍇等[28]研究得出隨著表觀氣速的增大，固體裝載量的增加，粒徑的減小，反應(yīng)器中的固體徑向分布趨于均勻。三相內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器中，相同軸向位置中固含率隨導(dǎo)流筒底部間隙的增高而減小，上升區(qū)軸向位置固含率波動(dòng)幅度隨導(dǎo)流筒直徑的減小而降低，并且固含率隨之減小[29]。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒密度較小時(shí)，顆粒隨氣泡上升，反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒分布均勻；當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒密度增大時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)固體呈現(xiàn)上稀下稠分布。

2.3 循環(huán)液速

循環(huán)液速是指環(huán)流反應(yīng)器中多相混合流體在各反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)的速度。循環(huán)液速可以表征流體在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，衡量反應(yīng)進(jìn)行的程度以及反應(yīng)周期，是環(huán)流反應(yīng)器性能參數(shù)的重要指標(biāo)。

測(cè)量循環(huán)液速的方法有脈沖示蹤法，LDV法，超聲多普勒測(cè)速儀法和熱膜測(cè)速儀法。超聲多普勒儀法可以測(cè)量反應(yīng)器下降區(qū)的液速，但是受氣泡的影響較大。熱膜測(cè)速儀法是依據(jù)熱膜附近不同流速流體所產(chǎn)生的熱效應(yīng)計(jì)算得到流體的局部速度，適用于低表觀氣速條件下的測(cè)量[30，31]。目前測(cè)量循環(huán)液速最常用的方法是脈沖示蹤法。脈沖示蹤法是在一定的反應(yīng)條件下注入脈沖試劑，并用電導(dǎo)率儀測(cè)量反應(yīng)器內(nèi)試劑濃度的變化，以示蹤劑濃度最大的兩處峰值作為示蹤劑循環(huán)一周所用時(shí)間，再根據(jù)流體的循環(huán)距離，計(jì)算出流體在反應(yīng)器內(nèi)的循環(huán)速度。測(cè)量循環(huán)液速最常用的方法是脈沖示蹤法。

當(dāng)氣速較低時(shí)，循環(huán)液速隨著氣速的增大而增大；當(dāng)氣速較高時(shí)，由于反應(yīng)器內(nèi)液體的湍流程度加強(qiáng)，出現(xiàn)大量氣泡碰撞和聚并，反而使得循環(huán)液速的變化不明顯。

由于固含率的增大使得液體流動(dòng)阻力增大，因而循環(huán)液速隨著固含率的增大而減小[32， 33]。

反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)循環(huán)液速的影響較為明顯，循環(huán)液速隨著下降區(qū)截面積的減小而減小，因?yàn)楫?dāng)下降區(qū)截面積減小時(shí)，液體的流動(dòng)阻力增大。通常，循環(huán)液速隨著導(dǎo)流筒的高度增加而增大，增加高徑比可以使反應(yīng)器內(nèi)部液體的流動(dòng)性能增強(qiáng)，但高徑比有一個(gè)臨界值，超過(guò)了臨界值反而使反應(yīng)器的流動(dòng)性能下降[34]。徐紹莉等[35]在多管環(huán)流反應(yīng)器中，以空氣-水為實(shí)驗(yàn)物系，研究表明：循環(huán)液速隨上升管表觀氣速增加而增大，隨管徑比的增大循環(huán)液速減小。

3 環(huán)流反應(yīng)器實(shí)際應(yīng)用

（1）在石油化工領(lǐng)域，環(huán)流反應(yīng)器應(yīng)用于重質(zhì)油加氫處理過(guò)程，由于其擁有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，較高的循環(huán)液速，可以有效抑制加氫過(guò)程中反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的焦質(zhì)。設(shè)備造價(jià)低廉，養(yǎng)護(hù)成本較低。日本改進(jìn)外循環(huán)式碳化塔生產(chǎn)純堿，消除了碳化塔內(nèi)換熱管易結(jié)疤、傳熱效率低和操作周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)[36]。

（2）在生物工程方面，環(huán)流反應(yīng)器不僅僅操作方便，極大的縮短了發(fā)酵周期，應(yīng)用于發(fā)酵工業(yè)和生物細(xì)胞培養(yǎng)。李穩(wěn)宏等[37]將外環(huán)流反應(yīng)器用于蘇云金桿菌的發(fā)酵，不僅操作方便，還能縮短發(fā)酵周期，提高發(fā)酵水平。Chao Yaping等[38]采用氣升式反應(yīng)器取代機(jī)械攪拌和靜態(tài)培養(yǎng)，在富氧條件下用不同的果糖濃度生產(chǎn)細(xì)菌纖維，培養(yǎng)效果更好且能耗較小。

（3）在冶金方面，環(huán)流反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)更加明顯，即環(huán)流反應(yīng)器無(wú)需添加任何機(jī)械動(dòng)力設(shè)備和復(fù)雜內(nèi)構(gòu)件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低廉和運(yùn)轉(zhuǎn)操作安全等優(yōu)點(diǎn)。趙兵[39]等設(shè)計(jì)的氣升式吸附塔應(yīng)用于CGA工業(yè)提金，性能指標(biāo)好，操作便捷，處理量明顯大于其它反應(yīng)器。

（4）在污水處理方面，環(huán)流反應(yīng)器的應(yīng)用，使得污水處理量大大提高，縮短了處理周期，操作簡(jiǎn)捷，節(jié)約了成本。范軼[40]等利用含有多孔載體的環(huán)流曝氣塔處理污水，其具有占地面積小，處理量高，處理效率高等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié) 論

環(huán)流反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，能耗低，成本低，反應(yīng)器內(nèi)物料的流動(dòng)特性和傳質(zhì)特性等優(yōu)點(diǎn)，在兩相及三相反應(yīng)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。雖然環(huán)流反應(yīng)器在工業(yè)上已經(jīng)得到應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)與傳熱及流動(dòng)特性也以進(jìn)行了較為深入的研究，但是在工業(yè)設(shè)計(jì)與放大中仍依靠經(jīng)驗(yàn)，可見，對(duì)環(huán)流反應(yīng)器進(jìn)行更深入的研究具有深遠(yuǎn)意義。

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