三相逆流化床的研究進(jìn)展與展望

萬東玉，王勝偉，陳雙喜，王玉強(qiáng)

（山東玉皇化工有限公司，山東 菏澤 274512）

三相逆流化床（three-phase inverse fluidized bed，TPIFB）顆粒床層的膨脹靠向下的液流克服顆粒的靜浮力來實(shí)現(xiàn)，氣流逆向輔助流化[1]。三相逆流床的研究始于20世紀(jì)70年代，因其結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方便、混合傳熱傳質(zhì)性能好和單位體積能耗低等一系列的優(yōu)點(diǎn)，近年來在環(huán)境工程、食品化工、石油化工和生物化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-9]。這些工業(yè)工程方面的應(yīng)用引起了諸多學(xué)者對TPIFB流體力學(xué)行為及其應(yīng)用方面的興趣和重視。本文主要目的是對TPIFB研究狀況及主要成果進(jìn)行回顧，并對研究中存在的問題及今后應(yīng)加強(qiáng)的方面提出看法和建議，以推動我國三相逆流化技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

1 TPIFB簡介

按照流體流動分布進(jìn)行劃分，TPIFB主要由液體分離部分、液體分布部分、測試床體部分、氣體分布部分和氣體分離部分等五部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣體由塔底進(jìn)氣上行，液體由塔頂分布下行，氣液逆流，共同作為反應(yīng)器的能源來源。顆粒床層因其密度小于液體密度而漂浮在液體上，受下行液體的曳力作用克服液體的靜浮力作用而向下流化膨脹。氣體的引入可以促使床內(nèi)液體密度下降，減小液體與顆粒間密度的差異，通過氣流擾動作用，促進(jìn)了床內(nèi)顆粒的流化。

圖1 三相逆流化床結(jié)構(gòu)示意圖

TPIFB與傳統(tǒng)的三相流反應(yīng)器相比具有以下突出的優(yōu)勢[2-9]：① 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)部不存在機(jī)械動部件和復(fù)雜的密封件，可以防止生物反應(yīng)外源污染，操作方便，維護(hù)費(fèi)用低；②具有良好的流化效果，可以使較輕較小的固體顆粒完全保持懸浮狀態(tài)；③操作方式靈活，可以液體間歇操作，僅依靠 氣體鼓泡流化顆粒床層，也可以液體連續(xù)操作，顆粒床層的膨脹由氣液兩相流共同支撐；④在生物廢水處理中，液流速度低，能耗低，顆粒磨損和損耗小，能有效控制生物膜厚度；⑤氣液逆流操作，氣泡停留時(shí)間長，氣泡尺寸小，氣液傳質(zhì)效率提高；⑥反應(yīng)器內(nèi)部軸向混合程度高，濃度、溫度分布均勻，動力學(xué)反應(yīng)速率高；⑦反應(yīng)器內(nèi)部剪切應(yīng)力小且分布均勻，熱量引入、移除容易，溫度控制方便，對剪切應(yīng)力或溫度敏感的活性益菌和動植物的培養(yǎng)至關(guān)重要。

2 TPIFB基礎(chǔ)研究

隨著逆流化系統(tǒng)應(yīng)用的不斷發(fā)展，TPIFB各方面的研究也隨之增加起來。其中，關(guān)于流型、壓力降、最小流化速度、相含率、停留時(shí)間分布、氣泡行為、傳質(zhì)傳熱等流體力學(xué)特性及數(shù)值模擬方面的研究有了相關(guān)報(bào)道。

2.1 流型

三相逆流化床反應(yīng)器內(nèi)，一般認(rèn)為液相為連續(xù)相，氣相為分散相。多年來，人們對不同的流型及流型轉(zhuǎn)變進(jìn)行了大量研究，對流型特性有了一定認(rèn)識[10-12]。根據(jù)TPIFB氣泡流動行為劃分出4個(gè)明確的流型區(qū)域，即氣泡分散的固定床區(qū)（伴隨或不伴隨部分流化）、鼓泡流化床區(qū)、過渡區(qū)和節(jié)涌流化床區(qū)[10]。如圖2所示，當(dāng)氣液速度較低時(shí)，氣泡的湍動和液流作用于顆粒的曳力并不能克服顆粒的靜浮力，顆粒床層保持固定床狀態(tài)（圖中A點(diǎn)區(qū)域）。當(dāng)增加液流速度或上升氣速，顆粒床層開始逐漸膨脹，直到床層全部流化。完全流化時(shí)的流化速度為最小流化速度，如圖中B點(diǎn)所示，此點(diǎn)速度下，顆粒全部運(yùn)動，當(dāng)小于此速度，床層變回固定床或部分流化床[11]。在鼓泡流化床區(qū)域（B與C點(diǎn)之間），氣泡均勻且床層均勻向下膨脹。床層膨脹隨氣速或液速增加而增加。當(dāng)氣速上升超過C點(diǎn)，就進(jìn)入了過渡區(qū)，在此區(qū)內(nèi)氣泡的聚并、氣泡尺寸和氣泡頻率隨氣速增加而增加。圖中D點(diǎn)標(biāo)明節(jié)涌流化床區(qū)域的開始，節(jié)涌氣泡上部的顆粒與氣泡一起向上運(yùn)動，然后氣泡在顆粒床層表面崩破，節(jié)涌氣泡周圍的顆粒隨之降落。

曹長青等[12]通過增加表觀氣速，根據(jù)可視化觀察和床層界面平均固含率軸向分布規(guī)律確定了逆流三相湍動床內(nèi)的不同流型及床層初始膨脹氣速UG1、完全膨脹氣速UG2和均勻分布?xì)馑賃G3等3個(gè)特征表觀氣速，并指出增加液體黏度，3個(gè)特征 表觀氣速都減小，增加初始床高，UG1幾乎不變，UG2和UG3減小。

圖2 三相逆流態(tài)化流型區(qū)域圖

2.2 壓力降

壓力降是計(jì)算三相逆流化床內(nèi)所用能量及動力的主要參數(shù)之一，可以用來確定流化床反應(yīng)器內(nèi)的摩擦因子和最小流化速度。通常反應(yīng)器內(nèi)的壓力降隨液體流量的增加而增加，直到某一特殊的液體流量后，在非常大的液體流量范圍內(nèi)，壓力降保持不變[13]。顆粒之間的碰撞頻率及其對壁面的碰撞壓力對床內(nèi)壓力降具有很大的影響。Buffière等[14]利用操作參數(shù)關(guān)聯(lián)的模型考察了床內(nèi)顆粒碰撞頻率和碰撞壓力，見式（1）。

式中，對于顆粒碰撞頻率模型，a=305700，b=1.01，c=1.02，d=0.99；對于顆粒壓力模型，a=423，b=1，c=1.14，d=0.75。

顆粒碰撞頻率和碰撞壓力直接影響著顆粒磨損率，也直接影響著能量損耗[14]。盡管如此，據(jù)文獻(xiàn)查閱了解，并沒有顆粒碰撞壓力和顆粒磨損率之間關(guān)系的報(bào)道，這也許會成為將來集中研究的一個(gè)方向。Lee[15]研究發(fā)現(xiàn)，增加液速可以增加壓力降，但超出最小流化液速之后，由于床層膨脹和流化的開始，壓力降隨液速增加而減小。要獲得每個(gè)縱向高度均勻間隔上的壓力梯度，可以假設(shè)整個(gè)床高上的空隙率、顆粒特性、表觀液速恒定。相比兩相系統(tǒng)中的壓力降正比于初始床高和液體黏度[16]，三相系統(tǒng)中的全床壓力梯度（靜壓梯度）分別受氣液固三相含率和密度的影響，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為式（2）。

不同流型區(qū)域下的壓力梯度不同，而關(guān)于床內(nèi)不同流型區(qū)域下局部和全床壓力梯度的研究及模型化研究的報(bào)道近乎沒有，考慮到能量的需要和動力的消耗，對各種流型下壓力降的研究還會成為研究者的研究內(nèi)容之一。

2.3 最小流化速度

最小流化速度是三相流化床系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要動力學(xué)參數(shù)[17]。定義為床內(nèi)壓力梯度最小時(shí)的表觀速度[18-19]，也定義為床內(nèi)顆粒所受重力與液流向下作用的曳力之和平衡顆粒所受液體向上的浮力時(shí)的最小表觀速度[20]。Das等[20]利用4種不同粒徑、形狀和密度的顆粒和4種不同濃度的非牛頓液體，考察了兩種不同塔徑的三相逆流化床內(nèi)的最小流化速度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)固體加入量增加，床層壓力降增加，最小流化速度不變；液相黏度增加，阿基米德數(shù)減小，最小流化速度減??；塔徑減小，最小流化速度不變；可以通過雷諾數(shù)、阿基米德數(shù)和顆粒屬性（粒徑、密度和球形度）等來關(guān)聯(lián)確定最小流化速度。與Das等[20]研究結(jié)果不同的是，Han等[21]研究發(fā)現(xiàn)TPIFB臨界流化速度隨顆粒加入量增加而減小，并基于Comte等[22]提出的模型，修正了臨界流化速度的表達(dá)式，見式（3）。

Rengangathan等[23]研究了兩相和三相流化床系統(tǒng)各種變量下的最小流化速度，分別提出了TPIFB最小流化速度的經(jīng)驗(yàn)公式和修正的氣液擾動模型，并利用其他文獻(xiàn)數(shù)據(jù)比較分析發(fā)現(xiàn)誤差不到20%，證明了該公式和修正模型的基本可行性。Cho等[18]利用床內(nèi)壓力梯度確定了最小流化液速，并發(fā)現(xiàn)最小流化液速依賴于床內(nèi)顆粒與氣液混合物之間的密度差，表觀氣速增加，氣液混合密度減小，顆粒更易膨脹流化，最小流化速度減小。三相逆流化系統(tǒng)中，床層開始流化時(shí)的液速依賴于氣速，氣速越大，床層開始流化需要的液速越小[13，18，20，24]。

2.4 相含率

相含率是三相流化床的重要傳遞特性之一，決定著流化床內(nèi)的流化效率。目前三相含率的研究中不乏各相含率的測量方法。氣含率的測量方法主要有體積法（或床層膨脹法）、壓差法（包括正壓差法和倒置U形壓差法）、電化學(xué)法（包括電阻法、電導(dǎo)法和電阻抗法）、光學(xué)法（激光探頭法、γ射線吸收法、光導(dǎo)纖維法和照相法）等四大類[25]。一般采用電導(dǎo)探頭法可以獨(dú)立測量總體液含率和局部液含率，在稀相操作時(shí)，也可以通過直接取樣法測量液含率。固含率可以通過目測法測得的床層高度結(jié)合式（4）求算。對于三相流化系統(tǒng)，已知其中兩相含率，利用三相含率之和為1的關(guān)系便可計(jì)算出第三相含率。

影響相含率的因素是多方面的，相互關(guān)系也錯(cuò)綜復(fù)雜。Hamdad等[26]研究發(fā)現(xiàn)，增加表觀氣速，床層完全膨脹后，固含率保持不變，液含率增加到一最大值后減小，氣含率持續(xù)增加；添加乙醇表面活性劑可以減小床層流化需要的氣速，氣含率增加，液含率大幅減小[27]。氣含率隨表觀氣速增加而增 加[9，18-19，28-29]， 隨表觀液速增加而增加[18，28-29]。固含率隨氣速和液速增加而減小[29]。一定氣速下，增加液速，液含率增加，固含率減小，這是床層流化條件下床層膨脹的結(jié)果[18，29-30]。Shin等[29]指出液含率隨氣液表觀速度的影響很復(fù)雜，隨液體黏度增加而增加，而氣含率和固含率隨液體黏度增加而減小，并利用物性和操作條件修正了氣液相含率表達(dá)式，見式（5）、式（6）。

與Shin等[29]研究結(jié)果相矛盾的是，Kim等[27]發(fā)現(xiàn)氣含率隨液體黏度增加而增加，并利用操作條件和流體物性得到了氣含率的關(guān)聯(lián)式，見式（7）。

相對流體物性和操作條件對三相逆流床內(nèi)相含率影響的研究，床內(nèi)相含率局部分布的研究及報(bào)道較少。曹長青等[31]利用微電導(dǎo)探針技術(shù)測定和分析了氣液固逆流三相湍動床局部相含率的分布，研究發(fā)現(xiàn)顆粒軸向均勻分布時(shí)，局部固含率呈現(xiàn)床中心處小，床壁處大的分布規(guī)律，且在r/R=0.75～0.90范圍內(nèi)有極大值，極大值出現(xiàn)的范圍與傳統(tǒng)流化床相比增大；局部氣含率呈現(xiàn)床中心處最大，床壁處最小的分布規(guī)律，在徑向上的非均勻性分布與傳統(tǒng)流化床相比愈加明顯。

2.5 停留時(shí)間分布

停留時(shí)間分布可以診斷反應(yīng)器中是否存在不良流動，以便針對存在的問題改進(jìn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，而這方面的研究報(bào)道很少。Sánchez等[32]利用氯化鉀示蹤劑和瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)考察了床內(nèi)固含率對停留時(shí)間分布和液體混合的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)平均停留時(shí)間和方差及液體混合不受固含率的影響。Renganthan 等[33]利用脈沖跟蹤技術(shù)和反卷積分析法確定了停留時(shí)間分布和液相軸向擴(kuò)散系數(shù)，見式（8）、式（9）。

另外，Renganthan等[33]考察了表觀液速、靜態(tài)床層高度和阿基米德數(shù)對停留時(shí)間分布的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表觀液速增加，促使系統(tǒng)湍動性和軸向擴(kuò)散系數(shù)增加；靜態(tài)床高增加，液相軸向擴(kuò)散系數(shù)保持不變，貝克萊數(shù)增加；增加阿基米德數(shù)，促使最小流化速度和表觀液速增加，進(jìn)一步增加液相軸向擴(kuò)散系數(shù)。Kim等[34]研究發(fā)現(xiàn)TPIFB黏性介質(zhì)系統(tǒng)液體軸向擴(kuò)散系數(shù)隨氣液表觀速度增加而增加，隨液體黏度增加而減小，關(guān)聯(lián)式見式（10）。

Lee等[35]通過隨機(jī)模型松弛法研究發(fā)現(xiàn)三相逆流化床內(nèi)顆粒軸向離散系數(shù)Dp隨氣液表觀速度或顆粒密度增加而增加，隨液體黏度增加而減小，并利用貝克萊數(shù)關(guān)聯(lián)式表征顆粒軸向離散系數(shù)，見 式（11）。

2.6 氣泡行為

氣泡行為是三相流化床反應(yīng)器研究開發(fā)和工程放大的重要參數(shù)之一，可用于床內(nèi)操作區(qū)域劃分及相流動結(jié)構(gòu)的確定。氣泡行為直接決定了床內(nèi)相含率的軸徑向分布、相間作用及相間傳熱傳質(zhì)行為。氣泡行為參數(shù)的測定方法大致分為內(nèi)置法和外置法兩類。常用的內(nèi)置法有電導(dǎo)法、電容法和光導(dǎo)纖維法等，外置法有X射線法、攝像法和激光法等。外置法對床內(nèi)流場無干擾，結(jié)果直觀，但多用于流化速度低的二維床，不能用于直徑較大的三維床。內(nèi)置法不但適用于二維床也適用于三維床，但這類方法會不同程度地干擾流場，給測量帶來誤差[36]。

三相逆流化床內(nèi)，氣泡大小隨氣液表觀速度或液體黏度增加而增加，隨固體加入量增加而減小[49]；氣泡上升速度隨表觀氣速和液體黏度增加而增加，隨表觀液速增加而減小[27，37]，隨固體加入量增加而增加[37]；氣泡頻率隨氣液表觀速度增加而增加，隨液體黏度增加而減小[27，37]。Son等[37]利用電導(dǎo)技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，氣泡大小和上升速度服從對數(shù)正態(tài)分布，并基于氣體飄移通量利用流體物性和操作條件關(guān)聯(lián)了氣泡大小、上升速度和頻率，見式（12）～式（14）。

Hamdad等[26]研究發(fā)現(xiàn)，添加乙醇表面活性劑可以減小床層流化需要的表觀氣速，抑制氣泡聚并和表面流動性，促使產(chǎn)生小氣泡，降低氣泡上升速度，增加氣含率。這與傳統(tǒng)流化床內(nèi)添加表面活性劑，在氣泡表面形成表面張力梯度，抑制氣泡聚并，減小氣泡大小和上升速度相一致[38]。然而，不同的表面活性劑對氣泡的影響不同。對于大氣泡而言，具有較大的氣泡滑移速度，像氯化鈉、磷酸氫鈉及異戊醇-苯甲酸混合液等添加劑可以穩(wěn)定氣泡表面，抑制氣泡破裂，減小氣含率。所以，表面活性劑具有兩種作用：要么抑制氣泡破裂減小氣含率，要么抑制氣泡聚并增加氣含率[39]。

縱觀國內(nèi)外文獻(xiàn)，關(guān)于三相逆流化床內(nèi)不同軸徑向位置上氣泡行為局部分布規(guī)律的研究報(bào)道較少，不同結(jié)構(gòu)類型的氣體分布板、塔徑大小及塔內(nèi)壓力等對氣泡行為影響方面的研究具有很重要的意義，而這方面的文獻(xiàn)報(bào)道也很少，這些也許會成為三相逆流化床未來研究的方向之一。

2.7 傳質(zhì)特性

相際間傳質(zhì)是反應(yīng)器或接觸器設(shè)計(jì)和放大研究中重要的參數(shù)之一。三相逆流化床反應(yīng)器中的宏觀反應(yīng)過程主要包括氣-液相間傳質(zhì)及液-固相間傳質(zhì)。氣液界面的傳質(zhì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，到目前為止已經(jīng)提出了一些描述氣液相間傳質(zhì)過程的機(jī)理模型，如雙膜理論模型、溶質(zhì)滲透模型以及表面更新模型等，其中最為簡單實(shí)用的是Whitman提出的雙膜理論[40]。對于難溶氣體（如氧氣）的氣液傳質(zhì)過程，液膜一側(cè)的阻力遠(yuǎn)大于氣膜一側(cè)，又由于測量手段的限制，很難準(zhǔn)確得到氣液相界面面積，通常以液相一側(cè)的體積傳質(zhì)系數(shù)kLa表示氣液兩相間的傳質(zhì)系數(shù)。

目前對三相逆流化床內(nèi)氣液傳質(zhì)系數(shù)的研究已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，很多研究者通過對各自反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)的研究提出了一些經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的公式來描述氣液傳質(zhì)系數(shù)與各影響因素之間的關(guān)聯(lián)式。三相逆流化床內(nèi)，氣液體積傳質(zhì)系數(shù)kLa隨 氣液表觀速度增加而增加，但受表觀氣速影響 小[8，26，41-43]，隨液體黏度增加而減小[34，41]，隨固體加入量（初始床高）增加而減小[41，43]，隨顆粒粒徑增加增加[43]，隨顆粒密度增加而增加[34，43]。Kim 等[34]和Sivasubramanian[43]分別利用操作條件和物料物性關(guān)聯(lián)了氣液傳質(zhì)系數(shù)，見式（15）～式（17）。

牛頓系統(tǒng)

非牛頓系統(tǒng)

關(guān)于固體顆粒存在及固含率對kLa的影響規(guī)律，不同研究者提出了不同的結(jié)論。Hamdad等[26]研究發(fā)現(xiàn)在顆粒存在時(shí)，kLa隨水中乙醇表面活性劑的加入而增加；顆粒不存在時(shí)，kLa隨水中乙醇表面活性劑的加入而減小。這是由于顆?？梢云茐臍馀荼砻娴谋砻婊钚詣龠M(jìn)氣泡聚并，增加了氣泡上升速度，減小了表面活性劑的影響，促進(jìn)傳質(zhì)；顆粒不存在時(shí)，表面活性劑抑制氣泡聚并，盡管增加了氣含率和相界面面積，但大幅減小了氣泡表面流動性，并抑制傳質(zhì)。Fahim等[8]研究發(fā)現(xiàn)表面活性劑生產(chǎn)系統(tǒng)中，固體顆粒存在且粒徑大于3mm時(shí)，固體顆?？梢砸饸馀莸钠屏?，增加氣液接觸面積，提高氣液傳質(zhì)效率；通過kLa關(guān)聯(lián)式（18）發(fā)現(xiàn)顆粒存在的參數(shù)PS指數(shù)接近于0，相對于其他參數(shù)可以忽略不計(jì)，即顆粒的存在對kLa的影響 很小。

Sánchez等[32]利用氯化鉀示蹤劑和瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)考察了固含率對氣液傳質(zhì)系數(shù)的影響，指出生物顆粒密度接近液相密度時(shí)，氣液傳質(zhì)系數(shù)不受固含率的影響，并可以進(jìn)行液固擬均相處理來研究TPIFB氣液傳質(zhì)[44]。

近幾年，國內(nèi)為關(guān)于TPIFB液固相間傳質(zhì)的研究鮮有報(bào)道。Nikov等[45]利用電化學(xué)法測定電極電流來考察液固傳質(zhì)速率，發(fā)現(xiàn)液固傳質(zhì)速率受表觀液速和顆粒大小影響很小，隨液體黏度或顆粒密度增加而減小，最后提出了描述液固傳質(zhì)的關(guān)聯(lián)式，見式（19）。

2.8 傳熱特性

在微生物的食品發(fā)酵和生物廢水處理等工程中，對溫度的控制尤為重要。熱量傳遞直接關(guān)系到流化床反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、反應(yīng)條件的選擇和反應(yīng)進(jìn)程的控制等，是獲得良好反應(yīng)效果的關(guān)鍵因素之一，影響著床內(nèi)的流體流動特性和質(zhì)量傳遞特性。Myre等[9]考察了三相逆流化床內(nèi)加熱表面與床層間的平均傳熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)平均傳熱系數(shù)隨氣液表觀速度增加而增加，隨表面活性劑乙醇的加入而減小，隨固體顆粒量的增加先增加到最大值后又減小。Cho 等[18]研究了液固兩相和氣液固三相逆流化系統(tǒng)中加熱表面與床層間的傳熱特性，發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)隨表觀氣速增加而增加，隨表觀液速增加先增加到最大值后又減小，并且達(dá)到傳熱系數(shù)最大值時(shí)的表觀液速隨顆粒密度或表觀氣速增加而降低；密度相對較大的聚乙烯顆粒系統(tǒng)下的傳熱系數(shù)高于聚丙烯顆粒系統(tǒng)下的傳熱系數(shù)；液體間歇系統(tǒng)下的傳熱系數(shù)比液體連續(xù)系統(tǒng)下的傳熱系數(shù)略低；隨床層空隙率增加，傳熱系數(shù)具有最大值；最后，應(yīng)用量綱為1分析分別對液固兩相、液體間歇和液體連續(xù)三相系統(tǒng)下的傳熱系數(shù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，見式（20）～式（22）。

關(guān)于三相逆流化床內(nèi)氣液表觀速度、顆粒密度和床層空隙率等變量對床內(nèi)傳熱特性的影響，Son等[46]進(jìn)行了相類似的研究和闡釋。他們還指出液體黏度增加，傳熱表面附近熱邊界層厚度增加，導(dǎo)致傳熱系數(shù)減小，并關(guān)聯(lián)了傳熱系數(shù)，見式（23）。

2.9 數(shù)值模擬

計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方法直接求解控制方程，可以實(shí)現(xiàn)難以用實(shí)驗(yàn)手段精確描述的局部流場特性、傳遞特性和化學(xué)反應(yīng)過程，大大降低實(shí)驗(yàn)次數(shù)，具有花費(fèi)少、速度快、信息完整和模擬能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以與實(shí)驗(yàn)相互比較，使理論直接面向?qū)嶋H，對于工程設(shè)計(jì)、開發(fā)和放大具有重要的指導(dǎo)意義。盡管如此，國內(nèi)外關(guān)于TPIFB流體力學(xué)和傳遞特性數(shù)值模擬方面的研究鮮有報(bào)道。沈志恒等[47]基于歐拉-歐拉雙流體模型，數(shù)值模擬了倒置液固流化床內(nèi)液固兩相流動行為，預(yù)測了床內(nèi)顆粒的速度、濃度分布以及空隙率的變化。萬東玉等[48]基于多相流歐拉模型，應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)軟件，數(shù)值模擬了三相逆流湍動床流體動力學(xué)特性，考察了床內(nèi)顆粒的軸徑向速度和固含率分布規(guī)律。Narayanan等[49]結(jié)合實(shí)驗(yàn)，將基質(zhì)溶液假設(shè)為牛頓流體，建立平推流流動模型和3種動力學(xué)模型，利用開發(fā)的軟件數(shù)值模擬并分析了自行設(shè)計(jì)的TPIFB生物反應(yīng)器的特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同基質(zhì)溶液流率或生物酶載體加載量下生物基質(zhì)轉(zhuǎn)化率的數(shù)值結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)很接近，最大偏差為9.5%。

3 TPIFB應(yīng)用研究

TPIFB反應(yīng)器是在鼓泡塔反應(yīng)器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一類高效多相流反應(yīng)器。近年來，隨著TPIFB反應(yīng)器在環(huán)境工程、食品化工、石油化工和生物化工等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其研究開始從各種基礎(chǔ)性研究逐步轉(zhuǎn)向工程應(yīng)用性研究，特別是在工業(yè)廢水處理方面的應(yīng)用研究較多。Campos-Díaz等[6]利用乳酸桿菌作培養(yǎng)菌株，聚丙烯顆粒作載體，實(shí)驗(yàn)測得了不同流體流量下的床層空隙率，并利用雷諾數(shù)和阿基米德數(shù)建立了適用于有/無生物膜球形顆粒的床層空隙率數(shù)學(xué)模型。Narayanan等[49]對TPIFB生物反應(yīng)器進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并利用實(shí)驗(yàn)以納米顆粒作生物酶載體考察其操作性能。研究表明，引入垂直流管的TPIFB可以實(shí)現(xiàn)低基質(zhì)流率和低反應(yīng)器體積下高的生物基質(zhì)轉(zhuǎn)化率，而且所需垂直流管長度隨載體顆粒加載量增加而減小，隨生物基質(zhì)轉(zhuǎn)化率增加而增加。

利用氣凝膠作為油污的吸附劑，TPIFB反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)很高的除油率。Quevedo等[50]利用疏水性處理的納米級多孔氣凝膠顆粒作固體，考察了TPIFB油水處理的除油效率和能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，TPIFB除油效率主要受顆粒尺寸、初始床高、空隙率和流體速度影響：顆粒越小、初始床高越高、床層空隙率越小或流體速度越低，除油效果越好。利用TPIFB可以實(shí)現(xiàn)油水濃度2000mg/L減小到10mg/L的除油能力。Quevedo等還指出傳統(tǒng)的氣凝膠吸附劑使用后作焚燒或掩埋處理會造成污染和浪費(fèi)，可以利用沖壓法、溶劑清洗法和過熱蒸汽法處理循環(huán)利用，提高其經(jīng)濟(jì)性和使用效率。由于含油廢水的特殊性，國內(nèi)外利用TPIFB反應(yīng)器對含油廢水進(jìn)行處理的研究仍然較少，對這方面的研究開發(fā)仍需深入。

TPIFB反應(yīng)器適用于各種生物降解的無機(jī)或有機(jī)廢水處理，對各類工業(yè)廢水及生活污水均有良好的處理效果。相比其他反應(yīng)器，TPIFB反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)90%以上的COD去除率，并且能耗低，生物量濃度高及卸料方便[51]。Beristain-Cardoso等[2]在TPIFB反應(yīng)器內(nèi)研究了不同的CH3COO-與NO3-濃度比（0.85、0.72和0.62）對廢水中硫酸鹽、硝酸鹽和乙酸鹽去除效率的影響，研究表明：兩者濃度比為0.72時(shí)，TPIFB反應(yīng)器去硫、脫氮及除碳效果最佳，硫酸鹽、硝酸鹽和醋酸鹽去除率分別達(dá)到100%，產(chǎn)物主要為單質(zhì)硫、氮?dú)夂投趸肌ajasimman等[3]利用TPIFB生物反應(yīng)器對淀粉廢水進(jìn)行微生物好氧化處理，考察不同水力學(xué)停留時(shí)間和初始基質(zhì)濃度下淀粉廢水的處理效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：有機(jī)質(zhì)加載量為1.35kg COD/(m3·d)時(shí)，COD去除率達(dá)到最大值95.6%；有機(jī)質(zhì)加載量為26.73 kg COD/(m3·d)時(shí)，COD去除率達(dá)到最小值51.8%。在TPIFB生物反應(yīng)器中，Papirio等[7]利用低密度聚丙烯顆粒作生物載體，考察TPIFB生物反應(yīng)器內(nèi)兩種COD/硫酸鹽計(jì)量比和兩種硫酸鹽濃度進(jìn)料下的COD去除率和硫酸鹽去除率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)料基質(zhì)pH值為3的床層流化超過10%時(shí)的生物量難以固定，pH值增加到5，COD/硫酸鹽計(jì)量比為4.00時(shí)的COD最高達(dá)75%，硫酸鹽去除率達(dá)97%。Sowmeyan等[52]使用粒徑1mm濕重295kg/m3的珍珠巖顆粒作生物載體，在厭氧逆流化床反應(yīng)器內(nèi)對酒廠廢水進(jìn)行處理中發(fā)現(xiàn)：這種珍珠巖顆粒對生物量生長非常有效，并且在有機(jī)加載量為35kg COD/(m3·d)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)COD去除率84%，沼氣產(chǎn)量13.22L/(L·d)；逆流厭氧流化床反應(yīng)器是厭氧處理酒廠廢水的理想選擇。

TPIFB反應(yīng)器廢水處理研究中，除了考察進(jìn)料組分濃度、pH值和顆粒加載量等參數(shù)對除廢效果的影響外，也不乏反應(yīng)器操作模式和操作參數(shù)的選擇性研究。

利用TPIFB流化床反應(yīng)器處理工業(yè)廢水制甲烷的過程中，生物膜生成和達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長，并且偏向于間歇模式操作，而利用連續(xù)操作模式的研究較少。Alvarado-Lassman等[4]以葡萄糖作為碳源基質(zhì)考察TPIFB反應(yīng)器最優(yōu)操作模式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)連續(xù)操作比間歇操作穩(wěn)態(tài)時(shí)間短、COD去除率高、載體吸附生物量多、甲烷產(chǎn)率高且更接近理論值。Sokól等[5]以高強(qiáng)度煉廠廢水作基質(zhì)、聚丙烯顆粒作生物載體，考察TPIFB生物反應(yīng)器在高強(qiáng)度廢水處理應(yīng)用中最優(yōu)的操作參數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，固定床與反應(yīng)器體積比（Vb/Vr）0.55、氣速0.046m/s和操作時(shí)間65h時(shí)的操作最優(yōu)，COD去除率可達(dá)到96%，而將這些操作參數(shù)引用到酚類廢水和其他烴類廢水處理上時(shí)，COD去除率可分別達(dá)到95%和90%。Cresson等[53]利用TPIFB對酒水廠COD/N/P濃度比為400/7/1的廢水進(jìn)行處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)使用生物載體流化的最低水力學(xué)強(qiáng)度（操作氣速）可以促進(jìn)生物膜生長，增加操作氣速會抑制生物膜生長和降低生物膜厚度，并建議生物膜生長階段使用最小動力學(xué)強(qiáng)度，然后增加動力學(xué)強(qiáng)度控制生物膜厚度。Sabarunisha等[54]利用TPIFB作生物膜反應(yīng)器，用熒光假單胞菌降解酚類廢水，考察生物降解過程中氣含率、COD去除率與酚類去除率等隨反應(yīng)器動力學(xué)行為的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于不同的Vb/Vr，氣含率、COD去除率與酚類去除率隨表觀氣速增加而增加，在最優(yōu)表觀氣速Ugm后隨表觀氣速增加而減?。辉赩b/Vr為0.20、Ugm為0.220 m/s時(shí)操作最佳，此時(shí)氣含率、COD去除率與酚類去除率分別達(dá)到0.0653、98.5%與100%。

4 結(jié) 語

TPIFB反應(yīng)器因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境工程、石油化工和廢水處理等方面已得到研究者的廣泛關(guān)注，這方面的基礎(chǔ)性研究和應(yīng)用性研究也取得了一定的進(jìn)展。然而通覽迄今已報(bào)道的TPIFB的研究狀況，容易發(fā)現(xiàn)：①大部分研究處在穩(wěn)態(tài)和宏觀的實(shí)驗(yàn)研究階段，而瞬態(tài)和微觀角度的考察研究較少；②實(shí)驗(yàn)研究主要集中在流體物性和操作參數(shù)的影響上；③實(shí)驗(yàn)研究為主，計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬的應(yīng)用較少；④實(shí)驗(yàn)結(jié)論多為一般趨勢而非定量關(guān)系，有些甚至出現(xiàn)矛盾；⑤主要是冷態(tài)小規(guī)模實(shí)驗(yàn)裝置研究，實(shí)驗(yàn)獲得的模型一般存在局限條件；⑥應(yīng)用性研究仍然很少，且研究內(nèi)容很分散。因此，鑒于TPIFB工業(yè)應(yīng)用發(fā)展的需要，本文作者認(rèn)為以下幾個(gè)方面需要做進(jìn)一步的研究，以期為其提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持：①由于床內(nèi)流體分布均勻性的差別，在考慮載體優(yōu)選、曝氣方式和操作參數(shù)優(yōu)化控制的同時(shí)，進(jìn)一步考察通過優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)（高徑比）、設(shè)計(jì)流體分布器和引入外場（如聲場、磁場）來提高過程優(yōu)化；②利用高端的測試技術(shù)結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬，考察與分析床內(nèi)不同軸徑向位置上流體力學(xué)行為和傳熱傳質(zhì)特性；③深入研究探討TPIFB流體力學(xué)行為、傳質(zhì)傳熱特性和反應(yīng)過程的強(qiáng)化機(jī)理，建立統(tǒng)一性和實(shí)用性強(qiáng)的機(jī)理模型和反應(yīng)器模型；④考慮到TPIFB小規(guī)模試驗(yàn)裝置與大規(guī)模工業(yè)化裝置之間有很大差別，進(jìn)行TPIFB放大方面的研究及工業(yè)應(yīng)用性研究，積累設(shè)計(jì)、運(yùn)行和優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

符 號 說 明

Ar—— 阿基米德數(shù)

a—— 相界面面積，m2/m3

F—— 固含率函數(shù)

FB—— 氣泡上升頻率，Hz

Fr—— 動量轉(zhuǎn)移應(yīng)力項(xiàng)

G—— 氣泡群速度，m/s

Ga—— 伽利略數(shù)

H—— 床高，m

h——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

M——顆粒加入量，kg

Nu——努塞爾數(shù)

RC——密度比

Sc——施密特?cái)?shù)

Sh——舍伍德數(shù)

U——表觀速度，m/s

ε——相含率

θ——時(shí)間，s

μ——黏度，Pa·s

μeff——有效黏度，Pa·s

ρ——密度，kg/m3

σ——表面張力，N/m

υ——空隙率

下角標(biāo)

B——?dú)馀?/p>

G——?dú)怏w

L——液體

P——顆粒

S——固體

0——初始值

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