雙層槳自吸式反應(yīng)器的氣含率特性

高 勇，郝惠娣，黨 睿，高平強，亢玉紅，王戰(zhàn)輝

（1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院 陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000；2.西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710069）

在氣液反應(yīng)器中，氣含率（ε）是影響氣液傳質(zhì)效果的重要因素，與氣泡平均直徑一起決定了氣液相界面積和傳質(zhì)速率。ε給出了反應(yīng)器中氣相的體積分數(shù)及氣相的停留時間，與反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)、攪拌槳的型式、攪拌轉(zhuǎn)速和流體性質(zhì)等有關(guān)［1］?，F(xiàn)階段對ε也進行了廣泛的數(shù)值模擬［2-5］和實驗研究［6-9］，取得了一定的成果。鄭海飛［10］認為攪拌轉(zhuǎn)速增大，槳葉對氣泡的剪切作用增強，有利于氣泡的破碎，ε增大；范芳怡［11］認為黃原膠質(zhì)量分數(shù)的增加，使得攪拌釜內(nèi)的湍流強度減弱，氣泡溢出速度減慢，延長了氣體在攪拌釜內(nèi)的停留時間，ε增加。但現(xiàn)有文獻中對下層槳的型式及結(jié)構(gòu)尺寸對ε的影響缺乏深入的研究。對于單層槳自吸式反應(yīng)器，攪拌槳排出的流體沿徑向到達器壁，在浮力作用下，氣泡從液面溢出，因此氣泡只存在于上層槳和液面之間，ε較低，且降低攪拌槳的安裝高度，并不能夠提高ε。為了改善氣液接觸，提高ε，采用雙層槳結(jié)構(gòu)，利用下層槳將氣體拖曳到兩層槳之間和下層槳與器底之間，因此下層槳必須具有較強的分散氣體能力和給上層槳供應(yīng)液體的能力。

本工作在前期研究基礎(chǔ)上，考察下層槳葉型式、下層槳安裝高度（L3）、下層槳槳葉角度（θ）、下層槳葉片長度（L/D）、下層槳葉片寬度（W/D）對雙層槳自吸式反應(yīng)器ε特性的影響，對于預(yù)測氧傳質(zhì)系數(shù)的主要影響因素具有重要的參考作用。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

雙層槳自吸式反應(yīng)器是內(nèi)部帶有定子的平底有機玻璃攪拌槽，實驗中選用具有強徑向作用的六直葉圓盤槳（6SBDT）作為上層槳，具有上揚操作的六葉上斜葉槳（6PBUT）和下壓操作的六葉下斜葉槳（6PBDT）作為下層槳，結(jié)構(gòu)見圖1。由圖1可知，攪拌槽直徑為300 mm，槳葉直徑為100 mm，上層槳距液面距離為150 mm，兩層槳間距為100 mm，氣體分散通道外徑為190 mm，氣體分散通道葉片角度為30°，實驗介質(zhì)為35%（w）的蔗糖水溶液。

圖1 雙層槳自吸式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of double-impeller self-inspirating reactor.

1.2 ε 的計算

采用測量反應(yīng)器內(nèi)液位的方法計算ε，見式（1）。轉(zhuǎn)速均在臨界轉(zhuǎn)速之上［1］。

式中：Hg為吸氣后反應(yīng)器內(nèi)液位，mm；H0為攪拌前反應(yīng)器內(nèi)液位，mm。

將有定子時功率消耗與無定子時功率消耗之比定義為相對功率消耗（RPD），RPD 越小攪拌槳原有的輸送能力降低的越多，泵送效率越低。

2 結(jié)果與討論

2.1 下層槳型式的影響

圖2為下層槳型式對ε的影響。由圖2可知，6SBDT+6PBUT 組合的ε高于6SBDT+6PBDT 組合的ε。在雙層槳自吸式反應(yīng)器中，氣體吸入和分散是由兩個不同的槳葉來實現(xiàn)的，上層徑向流槳和定子共同吸入氣體，下層軸向流槳將氣泡分散到整個反應(yīng)器中。6SBDT+6PBDT 組合的功率準數(shù)高于6SBDT+6PBUT 組合的功率準數(shù)［12］，在相同單位體積功耗時，達到的攪拌轉(zhuǎn)速較低，不能有效分散氣體。同時6SBDT+6PBDT 組合的氣體吸入臨界轉(zhuǎn)速比6SBDT+6PBUT 組合的高，表明6SBDT+6PBDT 組合在相同的攪拌轉(zhuǎn)速下，可以處理的氣體量較少。而6PBUT 槳屬于具有上揚操作的軸向流型攪拌槳，反應(yīng)器內(nèi)湍流程度劇烈，可以使氣泡在反應(yīng)器內(nèi)充分循環(huán)，促進氣體吸入速率，ε較高，反應(yīng)器內(nèi)流場可以達到較好的載氣狀態(tài)甚至是完全分散狀態(tài)，為微生物細胞增殖提供合適的反應(yīng)條件。

圖2 下層槳型式對ε 的影響Fig.2 Effects of lower impeller type on gas holdup(ε).

2.2 L3 的影響

槳葉組合為6SBDT+6PBUT 時，L3對ε和RPD的影響見圖3。由圖3可知，ε隨L3的增大而減小。在雙層槳自吸式反應(yīng)器中，ε在很大程度上依賴于上層槳吸入氣體的速率，而上層槳吸入氣體的能力又依賴于下層槳向上層槳泵送液體的能力。隨著L3增大，RPD 減小，下層槳向上層槳泵送液體的能力減弱，一方面減弱了上層槳吸入氣體的能力，另一方面減弱了下層槳向反應(yīng)器底部拖曳小氣泡的能力，因此ε減小，氣液兩相間的傳質(zhì)速率降低。

圖3 L3 對ε 和RPD 的影響Fig.3 Effects of installing height of lower impeller(L3) on ε and relative power demand(RPD).

通過對ε與L3的擬合，得到如圖4所示直線，斜率為-0.11，則有關(guān)系式ε∝存在。

2.3 θ 的影響

槳葉組合為6SBDT+6PBUT 時，θ對ε和RPD 的影響見圖5。由圖5可知，ε隨著θ的增大而減小。當θ=30°時，ε最高，此時RPD 下降的幅度最小，可有效加快反應(yīng)器內(nèi)氣體再循環(huán)，提高氣液傳質(zhì)效率。隨著θ的增大，RPD 下降的幅度增大，當θ=90°時，下層槳實際為徑向流的直葉槳，并不會產(chǎn)生向上的軸向流，泵送效率最低，上層槳吸入氣體的能力降低，ε降低將會導(dǎo)致氧傳質(zhì)效率較低。

通過對ε與θ的擬合，得到如圖6所示直線，斜率為-0.56，則有關(guān)系式ε∝θ-0.56存在。

2.4 L/D 的影響

槳葉組合為6SBDT+6PBUT 時，L/D對ε和RPD的影響見圖7。

由圖7可知，ε隨L/D的增大而降低。雙層槳自吸式反應(yīng)器內(nèi)的ε一方面受吸氣量的控制，另一方面受下層槳載氣能力的影響［13］。隨著L/D的減小，RPD 增大，下層槳沿軸向泵送液體的能力提高，促進了上層槳吸入氣體速率。同時L/D越小，輸入相同的功率產(chǎn)生的攪拌轉(zhuǎn)速越大，使槳葉擁有更大的剪切速率，更有利于氣泡的破碎，且下層槳載氣能力高，氣泡在反應(yīng)器中停留時間長，ε較高，氣液相界面積也較大，更有利于反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)效率的提高，從而極大的增加了反應(yīng)器的產(chǎn)率。

圖6 ε 與θ 的擬合曲線Fig.6 Fitting curve of ε and θ.

圖7 L/D 對ε 和RPD 的影響Fig.7 Effects of blades length of lower impeller(L/D) on ε and RPD.

通過對ε與L/D的擬合，得到如圖8所示直線，斜率為-0.62，則有關(guān)系式ε∝（L/D）-0.62存在。

圖8 ε 與L/D 的擬合曲線Fig.8 Fitting curve of ε and L/D.

2.5 W/D 的影響

槳葉組合為6SBDT+6PBUT 時，W/D對ε和RPD 的影響見圖9。由圖9可知，ε隨W/D的增大而降低，當W/D=0.2 時，反應(yīng)器內(nèi)的ε最高。隨著W/D的增大，下層槳旋轉(zhuǎn)時的徑向作用增強，軸向作用減弱，同時RPD 隨W/D的增大而減小，使下層槳旋轉(zhuǎn)時沿軸向泵送液體的效率下降，ε降低，也會導(dǎo)致氧傳質(zhì)效率降低。

通過對ε與W/D的擬合，得到如圖10所示直線，斜率為-0.26，則有關(guān)系式ε∝（W/D）-0.26存在。

綜上 所 述，當L3，θ，L/D，W/D增大 時，RPD 降低，下層槳向上層槳泵送液體的能力降低，分散氣體的能力較弱，ε較小，即當L3=0.05 m，θ=30°，L/D=0.125，W/D=0.2 時，下層槳具有較高的泵送效率和氣體分散能力，ε較高，可增加氣液相界面積，提高氣液傳質(zhì)速率。確定ε與下層槳結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系為：ε∝L-30.11θ-0.5（6L/D）-0.6（2W/D）-0.26，可定量的表示ε隨下層槳結(jié)構(gòu)尺寸變化的規(guī)律，對于預(yù)測氧傳質(zhì)系數(shù)的主要影響因素具有重要的參考作用，從而有效地指導(dǎo)雙層槳自吸式反應(yīng)器的設(shè)計及放大。

圖9 W/D 對ε 和RPD 的影響Fig.9 Effects of blades width of lower impeller(W/D) on ε and RPD.

圖10 ε 與W/D 的擬合曲線Fig.10 Fitting curve of the ε and W/D.

3 結(jié)論

1）槳葉組合為6SBDT+6PBUT 時，上層槳吸入氣體的速率較大，反應(yīng)器內(nèi)湍流程度劇烈，使氣泡在反應(yīng)器內(nèi)充分循環(huán)，ε較高，可以促進氣液傳質(zhì)。

2）L3，θ，L/D，W/D增大時，RPD 降低，下層槳向上層槳泵送液體的能力降低，分散氣體的能力較弱，ε較小，即當L3=0.05 m，θ=30°，L/D=0.125，W/D=0.2 時，下層槳具有較高的泵送效率和氣體分散能力，ε較高，可增加氣液相界面積，提高氣液傳質(zhì)速率。

3）雙層槳自吸式反應(yīng)器的ε與下層槳結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系為ε∝L-30.11θ-0.56（L/D）-0.62（W/D）-0.26，可有效的預(yù)測容積傳氧系數(shù)的主要影響因素，指導(dǎo)雙層槳自吸式反應(yīng)器的設(shè)計及放大。