自吸式攪拌反應器的研究進展*

高 勇，郝惠娣，楊 寧，白錦軍，任國瑜

(1.榆林學院 化學與化工學院，陜西 榆林 719000；2.陜西省低變質煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000；3.西北大學 化工學院，陜西 西安 710069；4.陜西省計量科學研究院，陜西 西安 710065)

自吸式攪拌反應器廣泛應用于氫化反應[1]、生物發(fā)酵過程[2-4]、氧化反應[5]、氨解反應[6]、烷基化反應、鹵化反應等，以及工業(yè)中的煙道氣脫硫、浮選、濕法冶金、廢水處理[7]和納米碳酸鈣的生產[8]等領域，其內部流體混合、相間傳質和傳熱過程極其復雜。在自吸式攪拌反應器的工業(yè)設計中，需要大量的實驗數據或理論計算，因此，對自吸式攪拌反應器的內部流動、混合與傳質特性進行深入細致的研究，對其結構設計和工業(yè)放大具有重要的指導作用。作者從實驗研究、數值模擬、實驗研究與數值模擬相結合三方面簡述了自吸式攪拌反應器的研究現狀，并進行總結分析，為其在工業(yè)中的應用研究指明方向。

1 自吸式攪拌反應器的實驗研究

自吸式攪拌反應器內的流場具有三維和高度不穩(wěn)定的隨機湍流的特點，既難以從理論方面來預測反應器的優(yōu)劣，也難以對反應器的放大規(guī)律提供理論指導，因此目前對于自吸式攪拌反應器的研究還主要依賴經驗和實驗[9]，且主要集中在臨界轉速[10-11]、吸氣速率[12]、功率消耗[13]、氣含率[14-15]和傳質系數[16]這幾個特性參數的研究方面。

1.1 臨界轉速

氣體吸入臨界轉速是衡量攪拌槳分散氣相能力的一個重要指標，是由反應器內液體中剛出現少量氣泡時的攪拌速度所決定的，與槳葉直徑、槳葉浸沒深度和液體黏度等有關[17]。ZHANG等[18]研究了固體顆粒尺寸、密度等對自吸式反應器臨界轉速的影響，結果表明，添加固體顆粒會改變臨界葉輪轉速，固體顆粒較大時葉輪臨界轉速較小。YE等[19]對自吸式反應器的吸氣原理、設計及氣液混合特性進行了研究，研究發(fā)現臨界轉速與槳葉結構和槳葉浸沒深度有關，當下層槳為六葉下斜葉渦輪(PBTD)時臨界轉速最低，為具有上揚作用的葉輪時臨界轉速最高。

1.2 吸氣速率

吸氣速率是表征自吸式攪拌反應器吸氣性能的一個重要參數，與槳葉旋轉所產生的吸入壓差和分散氣體的能力密切相關[20-21]。張慶文等[22]對自吸式反應器的吸氣性能進行了研究，研究發(fā)現吸氣過程是壓差驅動的，吸氣阻力分為液相側阻力和氣相側阻力。

1.3 功率消耗

攪拌反應器攪拌所產生的能量主要供給物料進行剪切和循環(huán)。攪拌功率與反應器結構、槳葉型式、攪拌轉速、液體性質、槳葉安裝位置等有關。ZHANG等[23]研究了5種不同組合型式的三層槳自吸式反應器的功率消耗，研究發(fā)現固體顆粒的加入對相對功率消耗(RPD)影響不大，上部兩層葉輪對RPD變化的影響比底部葉輪大。高勇等[24]考察了不同攪拌條件對雙層槳自吸式氣液攪拌釜內功率準數的影響，發(fā)現槳葉間距增大，功率準數增大；當下層槳葉角度為30°，槳葉系數為0.125時，泵送效率最高，功率準數最小。當氣體實現自吸分散后，功率準數與雷諾數的關系為Np∝Re-0.84。

1.4 氣含率

氣含率反映了整個反應器中氣相的體積分數和停留時間，對氣-液相界面大小和氣-液傳質速率具有重要的影響作用。對于自吸式攪拌反應器，氣含率與反應器的幾何參數、攪拌槳的型式、攪拌轉速及液體的性質等密切相關。韓愈等[25]考察了自吸式槳浸沒深度、底層槳結構和攪拌槳層間距對自吸式槳的氣含率的影響，發(fā)現攪拌槽內的氣含率受吸氣速率影響，且采用上推式操作四葉寬葉翼形軸流式槳(WHU)作為底槳時攪拌槽內氣含率最高。Wang等[26]測定了自吸式葉輪的氣含率，發(fā)現氣含率較高時，自吸葉輪的吸氣能力較好。

1.5 傳質系數

一些好氧發(fā)酵過程要求有充分的氣-液兩相接觸，較高的氧傳遞速率，以提供豐富的溶解氧。容積傳氧系數是衡量氧傳遞速率大小的主要指標之一，其變化幾乎與操作條件無關，只與體系的性質有關。Hong等[27]采用實驗研究和數值模擬相結合的方法，對自吸式生物反應器的氧傳遞性能進行了研究，將Higbie滲透理論應用于氣液傳質，用Monod方程建立了酵母在自吸式生物反應器中的生長模型。鞠凡[28]研究了在不同操作條件下自吸式反應器的氣液傳質特性。結果表明，通過吸氣支管改變出氣孔位置，使臨界轉速下降，相分散均勻，氣液傳質系數顯著提高。

通過對國內外學者對自吸式攪拌反應器實驗研究的總結，發(fā)現影響自吸式攪拌反應器攪拌性能的因素主要有幾個方面。(1)反應器及攪拌槳的結構型式、幾何尺寸、安裝位置、槳葉層數、槳葉組合及槳葉間距等；(2)反應器的操作條件，如攪拌轉速等；(3)攪拌介質特性，如介質黏度、介質密度等。對這些因素進行研究，有助于深入細致地了解自吸式攪拌反應器的流動混合特性。

2 自吸式攪拌反應器的數值模擬

通過實驗可以獲得攪拌式反應器的局部流場信息，但有時受到實驗條件的限制，對某些反應器的流場無法用實驗方法獲得。而通過數值模擬可以給出設計所需要的詳細定量數據，不僅可以解決反應器的放大問題，而且為設計新型攪拌槳提供相關參考依據[29]。攪拌反應器內的流動是劇烈的湍流流動，數值模擬常用的湍流模型為標準k-ε模型[30]、雷諾應力模型[31]、大窩模型[32]，標準k-ε模型由于具有計算精度高、適用范圍寬等特點，已成為流場分析中使用最多的兩方程湍流模型。研究氣液兩相流的主要方法有Euler-Lagrange法[33]和Euler-Euler法，Euler-Lagrange法只適合于離散相較為稀疏的情況，且離散相只考慮為單一球形，不能描述離散相在運動中發(fā)生變形的運動表征。Euler-Euler法具有計算量小，既可以模擬單一氣泡尺寸，又可以計算變化氣泡尺寸等優(yōu)點，得到了廣泛應用。

劉甜甜等[34]對空心葉輪自吸式反應器與雙圓盤葉輪自吸式反應器內的氣液兩相流動特性進行了數值研究，研究結果表明在單層槳葉自吸式加氫反應器中，當槳徑相同時，空心葉輪的吸氣性能與氣液分散性能更好。

Fonte等[35]對具有6葉片的中空葉輪的自吸式反應器進行了數值研究，發(fā)現葉輪表面壓力的大小和氣體吸入速率有關。

ACHOURI等[36]利用計算流體動力學(CFD)方法對自吸式攪拌槽進行了數值研究，分析了傾角為45°和60°下斜葉渦輪槳的氣體吸入速率和功率準數。數值模擬結果和實驗結果吻合較好，且60°傾角下斜葉渦輪槳的攪拌混合效率更高。

石東升等[37]采用CFD對自吸式反應器內氣液兩相流及傳質性能進行了研究。發(fā)現加裝氣體分布器后，局部氣含率提高且分布均勻，液相容積氧傳質系數提高，進而有效地強化氧傳遞。

高勇等[38]采用CFD方法對自吸式攪拌槽內流體流動進行數值研究，研究結果表明，當氣體分散通道葉片角度較小時，在氣體分散通道出口處形成的漩渦范圍較小；當下層槳為六直葉上斜葉漿(PDTU)時，兩層槳之間的軸向作用較強。

通過國內外學者對自吸式攪拌反應器數值模擬的總結，發(fā)現數值模擬可以有效地補充實驗研究的不足，且影響數值模擬結果精度的主要因素為網格數量、邊界條件、初始條件、湍流模型及求解方法等，對這些因素進行深入研究，來指導實驗研究，可以加快自吸式攪拌反應器的研究進程。

3 實驗研究與數值模擬相結合

采用實驗研究與數值模擬相結合的方法對自吸式攪拌反應器進行研究，在實測結果和數值分析結果之間進行定量比較和誤差分析，可以極大加快自吸式攪拌反應器的研究進程[39-40]，有效指導反應器的優(yōu)化設計，對混合、放大等基礎研究提供重要的理論基礎。

張慶文等[41]利用數值模擬和實驗研究的方法分析了不同轉速條件下，自吸式反應器內氣液兩相流的流場，發(fā)現局部氣含率分布均勻；局部容積傳質系數分布良好，氣體出口附近較好。

Ryma等[42]采用實驗研究與數值模擬相結合的方法，分析了葉輪浸沒深度和葉片傾角對自吸葉輪的容積傳氧系數的影響，該自吸葉輪具有3個葉片，每個葉片開有5個小孔。研究發(fā)現容積傳氧系數隨葉片傾角和葉輪浸沒深度的增加而減小。

高江超[21]對自吸式反應器內的攪拌特性進行了實驗研究和數值模擬，結果表明下層攪拌器型式對臨界吸氣轉速影響很??；單位體積功耗下，反應器內整體氣含率受下層攪拌器的功率準數影響。

郝惠娣等[43]首先采用數值模擬的方法，研究了氣體分散通道角度對氣含率的影響。在此基礎上，分析進氣方式、介質黏度和單位體積功耗等因素對氣含率、功耗性能的影響。研究發(fā)現和標準攪拌櫓相比，單層槳氣液攪拌釜的氣含率分布均勻，氣液分散效果更好。

隨著計算機能力的不斷增強和價格的不斷下降，以及計算方法的不斷完善，CFD方法在自吸式攪拌反應器中的應用有著更加光明的前景，將數值模擬和實驗研究結合起來，可以對攪拌槽內的流動、混合及傳遞過程進行更深刻更本質的認識。

4 結束語

自吸式攪拌反應器的獨特特性，要求其具有較好的物料混合與流動、傳質與傳熱特性。因此需要確定自吸式攪拌反應器在機械攪拌混合過程中的混合特性、傳質系數與工作介質物性、濃度、流速、剪切力、壓力等物理參數及槳葉結構間的函數關系。采用流體力學中雷諾數、弗雷德數等相似準數分析各攪拌參數的關系，修正某些幾何條件，確定放大因子，完成自吸式攪拌反應器的放大設計。同時，自吸式攪拌反應器在運行的過程中必然存在著振動問題，劇烈的振動會導致疲勞破壞，縮短反應器的使用壽命，甚至會發(fā)生事故，因此對自吸式攪拌反應器進行振動分析、動平衡分析也是一個值得大力探索的課題。