高 勇 郝惠娣 黨 睿 范曉勇 曹保衛(wèi)

(1. 榆林學院化學與化工學院，陜西 榆林 719000； 2. 陜西省低變質(zhì)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)

自吸式氣液攪拌釜廣泛應(yīng)用于化工、石油、食品、生物廢水處理等領(lǐng)域，如發(fā)酵過程、氧化反應(yīng)、氫化反應(yīng)、鹵化反應(yīng)等。在好氧發(fā)酵過程中，要保證有足夠的氧參與微生物的代謝，提高發(fā)酵生產(chǎn)能力，因此要求自吸式氣液攪拌釜具有良好的氣體吸入和分散能力。氣含率是衡量釜內(nèi)氣液分散性能的重要指標[1]。氣液攪拌釜中的流體流動狀況非常復(fù)雜，氣泡在液相中不斷地破碎和聚集，形成良好的氣液接觸界面，發(fā)生傳質(zhì)或化學反應(yīng)，因此氣泡的數(shù)量和尺寸對攪拌釜內(nèi)氣液混合和傳質(zhì)至關(guān)重要[2]。

國內(nèi)外學者[3-7]對自吸式氣液攪拌釜的氣液分散特性進行研究主要集中于單層槳。張慶文等[8]對一種自吸式反應(yīng)器的氣液分散性能進行了試驗研究和CFD模擬，得出整體氣含率的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果一致，誤差為5.1%；鞠凡[9]建立了一種新的自吸式攪拌槳優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型，根據(jù)該數(shù)學模型得出出氣孔附近的局部氣含率應(yīng)該越低越好；劉甜甜等[10]運用CFD對自吸式加氫反應(yīng)器內(nèi)的流場進行了研究，發(fā)現(xiàn)對于單層槳葉自吸式加氫反應(yīng)器，相同槳徑的空心葉輪比雙圓盤葉輪的吸氣性能與氣液分散性能更好。但對雙層槳及氣體分散通道的研究較少。在雙層槳自吸式氣液攪拌釜中，氣體吸入和分散被分配到上下兩層槳葉，上層槳吸入氣體，下層槳將氣體分散在整個攪拌釜中，可以有效地改善氣液接觸，提高氣液傳質(zhì)效率。

本試驗對雙層槳自吸式氣液攪拌釜的氣含率進行了研究，分析了氣體分散通道葉片角度、攪拌轉(zhuǎn)速、介質(zhì)黏度、槳葉組合對氣含率的影響，得出氣含率與單位體積功耗的關(guān)聯(lián)式，旨在為雙層槳自吸式氣液攪拌釜在生物發(fā)酵過程中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

試驗裝置搭在萬能試驗臺上，如圖1所示。攪拌系統(tǒng)包括攪拌釜和攪拌槳，攪拌釜為平底有機玻璃攪拌釜，直徑為300 mm，上層槳距液面距離為150 mm，兩層槳間距為100 mm，下層槳距釜底距離為100 mm，氣體分散通道外徑為190 mm，如圖2所示。攪拌介質(zhì)為各種質(zhì)量分數(shù)的蔗糖水溶液，其性質(zhì)見表1。在雙層槳自吸式氣液攪拌釜中，上層槳和定子筒共同組成了氣體吸入系統(tǒng)，上層槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生負壓將氣體沿定子筒吸入；下層槳一方面將沿氣體分散通道排出的氣泡拖曳到攪拌釜底部，一方面向上層槳供應(yīng)液體。因此試驗中選用兩種徑向流型攪拌槳——六直葉圓盤槳(Six straight blades disc turbine，6SBDT)和拋物線型槳(Parabola turbine，6P型槳)作為上層槳，兩種軸向流型攪拌槳——六葉上斜葉槳(Six pitched blades upflow turbine，6PBUT)和六葉下斜葉槳(Six pitched blades downflow turbine，6PBDT)作為下層槳，攪拌槳直徑均為100 mm，下層槳葉片角度為30°。

1. 攪拌槳 2. 攪拌釜 3. 扭矩傳感器 4. 柔性聯(lián)軸器 5. 電動機 6. 光電轉(zhuǎn)速傳感器 7. 轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀 8. 計算機 9. 無級變速器 10. 微機扭矩儀 11. 工業(yè)高速照相機

圖1 試驗裝置

Figure 1 Experimental device

圖2 雙層槳氣液攪拌釜結(jié)構(gòu)

蔗糖水溶液/%密度/(g·mL-1)黏度/(mPa·s)151.0581.523251.1022.163351.1493.761451.2007.958

測量系統(tǒng)采用FVR1.5E9S-4JE型通用逆變器(日本富士電機公司)進行攪拌轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)，攪拌轉(zhuǎn)速范圍為200～600 r/min；采用JCO型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器與P1100型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀(湘儀動力測試儀器有限公司)測量攪拌功率，利用計算機進行數(shù)據(jù)的自動采集與處理。拍攝系統(tǒng)利用Speedsense lab310型工業(yè)高速照相機(美國Phantom公司)進行攪拌釜內(nèi)流場的測量和拍照。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗參數(shù)的測量 本試驗研究攪拌釜內(nèi)氣體在蔗糖水溶液中的分散，定子筒和上層槳吸入氣體，下層槳將氣體分散在蔗糖水溶液中，測量攪拌釜的功率消耗及釜內(nèi)的氣含率特性。采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀進行攪拌功率的測量，攪拌功率按式(1)計算。

P=0.104 72×M×N，

(1)

式中：

P——攪拌功率，W；

M——攪拌扭矩，N·m；

N——攪拌轉(zhuǎn)速，r/min。

相對功率消耗(Relative Power Demand，RPD)定義為加定子后功率消耗與未加定子功率消耗之比，RPD值一般小于1，且RPD值越大，攪拌槳原有的輸送能力降低得越少，泵送效率越高，相對功率消耗按式(2)計算。

P相=Pg÷P0，

(2)

式中：

P相——相對功率消耗；

Pg——加定子后功率消耗，W；

P0——未加定子功率消耗，W。

氣含率是一個重要的水動力學參數(shù)，決定了氣液相界面積和體系的質(zhì)量傳遞速率，與攪拌釜的幾何結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速、流體性質(zhì)等有關(guān)。采用測量液位的方法計算氣含率，在相鄰兩擋板中間、沿直徑方向上相對的兩個位置處取值，并多次測量取平均值[11]，氣含率按式(3)計算。

ε=(Hg-H0)÷Hg，

(3)

式中：

ε——氣含率，%；

Hg——吸氣后釜內(nèi)液位，mm；

H0——未吸氣釜內(nèi)液位，mm。

1.2.2 試驗步驟 測量未攪拌時的液位高度。開啟電源，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀，使轉(zhuǎn)速為200 r/min，待攪拌穩(wěn)定后，測量功率；逐級將轉(zhuǎn)速增加50 r/min，待攪拌穩(wěn)定后，測量功率。隨著轉(zhuǎn)速的增加，觀察氣體吸入狀況，當發(fā)現(xiàn)氣體到達定子筒底部時，將轉(zhuǎn)速增加幅度改為5 r/min，當釜內(nèi)開始出現(xiàn)少量氣泡時，待攪拌穩(wěn)定后，測量功率、液位高度。隨后，將轉(zhuǎn)速調(diào)整為臨近的一個50 r/min 的整數(shù)倍轉(zhuǎn)速，待攪拌穩(wěn)定后，測量功率、液位高度。再逐級將轉(zhuǎn)速增加50 r/min，待攪拌穩(wěn)定后，測量功率、液位高度，一直到轉(zhuǎn)速達到600 r/min為止。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣體分散通道葉片角度對氣含率的影響

氣體分散通道葉片角度(φ)對氣含率的影響見圖3。由圖3可見：氣含率隨氣體分散通道葉片角度的增大而減小。當φ=30°時，經(jīng)上層槳和氣體分散通道破碎后的氣泡尺寸較小，小尺寸的氣泡更容易進入液相循環(huán)，被向下流動的液體拖曳至下層槳葉處，被下層槳再次剪切破碎，實現(xiàn)再循環(huán)，氣含率較大。且φ=30°時，相同單位體積功耗下的氣含率較高，即在轉(zhuǎn)速相同或輸入相同的功率時，可以吸入更多的氣體，因此在后續(xù)的研究中，選擇氣體分散通道葉片角度為30°。

利用CFD方法對自吸式氣液攪拌釜內(nèi)的流動場進行了數(shù)值模擬，模擬中采用RNGk-ε湍流模型、SIMPLEC算法、混合—上風差分格式，運動槳葉和靜止釜體之間的相互作用采用多重參考系法，模擬得到的氣體分散通道葉片角度不同時流體的流動特性見圖4。在自吸式氣液攪拌釜中，氣體分散通道主要起導(dǎo)向、擴壓和破碎作用。由圖4可見：當φ=30°時，上層槳旋轉(zhuǎn)時沿徑向甩出的流體，大部分沿著切線方向進入氣體分散通道，只有一小部分流體在氣體分散通道中發(fā)生了扭曲流動，且形成的漩渦尺寸較小。隨著φ的增大，沿著切線方向進入氣體分散通道的流體量減少，且流體在流經(jīng)氣體分散通道時形成的漩渦范圍增大，加劇了流體和葉片壁面之間的摩擦及流體質(zhì)點之間的碰撞，能量損失較大，削弱了氣體分散通道葉片對氣相的破碎作用，液相夾帶氣泡的能力減弱，因此氣含率較小。

圖3 氣體分散通道葉片角度對氣含率的影響

圖4 氣體分散通道葉片角度不同時流體的流動特性

2.2 攪拌轉(zhuǎn)速對氣含率的影響

攪拌介質(zhì)為質(zhì)量分數(shù)為35%的蔗糖溶液時，攪拌轉(zhuǎn)速對氣含率的影響見圖5。由圖5可見：當氣體實現(xiàn)自吸分散后，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增大，氣含率增大。這是因為，在自吸式氣液攪拌釜中，氣體的分散特性是由氣泡的浮力和槳葉的分散作用共同決定的。當轉(zhuǎn)速達到氣體吸入臨界轉(zhuǎn)速時，氣體吸入速率增大，在上層槳葉區(qū)負壓的作用下，大量氣體沿定子筒被吸入到槳葉區(qū)，被上層槳葉一次破碎和氣體分散通道二次破碎后成為小氣泡，這些小氣泡在液相的夾帶作用下，有部分分布在兩層槳葉之間及下層槳與釜底之間。轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，被液體拖曳到這兩個區(qū)域的氣泡越來越多，當轉(zhuǎn)速達到氣體再循環(huán)臨界轉(zhuǎn)速，到達釜底的氣體沿軸向再循環(huán)回到下層槳葉區(qū)，在下層槳的作用下，分散在整個攪拌釜中，形成了劇烈的循環(huán)流動。同時轉(zhuǎn)速增大攪拌槳獲得的能量增多，其排出液體的能力增強，釜內(nèi)湍流程度加劇，液相循環(huán)量增大，相比于浮力，液相將小氣泡拖曳到攪拌釜底部的作用更強，導(dǎo)致氣泡在釜內(nèi)的平均停留時間增大，氣含率增加[12]。因此在雙層槳自吸式氣液攪拌釜中，攪拌轉(zhuǎn)速決定了氣體吸入速率，而氣體吸入速率又決定了氣含率的大小。

圖5 攪拌轉(zhuǎn)速對氣含率的影響

2.3 介質(zhì)黏度對氣含率的影響

槳葉組合為6SBDT+6PBUT時，介質(zhì)黏度對氣含率的影響見圖6。介質(zhì)黏度的變化會改變自吸式氣液攪拌釜中氣泡的平均直徑、湍流動能耗散率以及表面張力[13]，進而影響氣含率。由圖6可見：氣含率隨著介質(zhì)黏度的增大而增大。介質(zhì)黏度增大，雖然由于攪拌槳尺寸及物性的原因，大氣泡形成，且氣泡不均勻性增大，但由于黏性阻力的增大，一方面使攪拌槳旋轉(zhuǎn)所受到的阻力增大，釜內(nèi)的湍流程度減弱，氣泡隨液相的再循環(huán)變得緩慢，另一方面使氣體溢出的阻力增大，氣泡的下降和上升變得緩慢，因此氣泡在釜內(nèi)的停留時間較長，氣含率增大。

由圖6還可見：單位體積功耗增大，氣含率隨之增大。這是因為單位體積流體獲得的能量與單位體積功耗呈正比[2]。單位體積功耗越大，單位體積流體獲得的能量越多，在上層槳葉區(qū)形成更大的負壓，被吸入氣體的量就越多；同時，較大的單位體積功耗使得攪拌槳的剪切速率較大，對氣泡的破碎作用較強，氣含率較高。

2.4 槳葉組合對氣含率的影響

攪拌介質(zhì)為質(zhì)量分數(shù)為35%的蔗糖溶液時，槳葉組合對氣含率和相對功率消耗的影響見圖7。由圖7可見：當下層槳相同時，上層槳為6SBDT的氣含率高于上層槳為6P的氣含率。這是因為，攪拌槳的型式和組合對氣液分散特性起著關(guān)鍵作用，氣液分散主要是槳葉尾部的氣穴破裂，形成的小氣泡在離心力的作用下被甩出，隨著液相循環(huán)至釜內(nèi)其它區(qū)域[13]。在雙層槳自吸式攪拌釜中，氣體吸入和分散被分配到兩個不同的槳葉上，上層槳吸入氣體，下層槳將氣體均勻分散在整個攪拌釜中[14]。6SBDT槳的強剪切作用，使每片槳葉背后都存在一對高速旋轉(zhuǎn)的漩渦，在漩渦內(nèi)較大負壓的作用下將氣體吸入，形成“氣穴”，氣穴破裂形成許多的小氣泡，且6SBDT槳的RPD值較大，吸氣后功率降低幅度較小，釜內(nèi)湍流強度較大，氣體分散的能力較強，從而使小氣泡在整個攪拌釜內(nèi)均勻分散，氣含率較高。

由圖7還可見：當上層槳相同時，下層槳為6PBUT的氣含率高于下層槳為6PBDT的氣含率。這是因為6PBUT槳的功率準數(shù)較小，當單位體積功耗較小時，以其為下層槳的槳葉組合的轉(zhuǎn)速較高，分散氣體的能力較強。此外，在雙層槳自吸式攪拌釜中，氣含率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，6PBUT槳是具有上揚作用的軸向流型攪拌槳，能夠?qū)⑾聦訕浇囊后w沿軸向泵送到上層槳葉區(qū)，且RPD值較大，具有較高的泵送效率[15]，因此可以極大地促進氣體吸入速率，氣含率較高。而6PBDT槳的下壓操作，將大部分流體沿斜下方壓向釜底，減緩氣體吸入速率，氣含率較低。因此適宜的槳葉組合為6SBDT+6PBUT。

圖7 槳葉組合對氣含率和相對功率消耗的影響

2.5 自吸式攪拌釜氣含率的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

將雙層槳自吸式氣液攪拌釜的氣含率(ε)與單位體積功耗(Pg/V)的關(guān)系表示為：ε∝(Pg/V)α，在雙對數(shù)坐標系中得出二者的關(guān)系，見圖8。經(jīng)計算得到擬合直線的斜率為2.4，則有：

ε∝(Pg/V)2.4。

(4)

氣含率和氣泡直徑共同決定了氣液接觸的相界面積，相界面積的大小又直接影響著容積傳氧系數(shù)，容積傳質(zhì)系數(shù)是評價攪拌釜性能好壞的重要指標，成為設(shè)計和放大攪拌釜的重要參數(shù)之一[16]。式(4)定量地表示了氣含率隨單位體積功耗的變化規(guī)律，為后續(xù)研究容積傳質(zhì)系數(shù)隨單位體積功耗的變化規(guī)律提供了試驗依據(jù)。

圖8 氣含率與單位體積功耗的擬合曲線

3 結(jié)論

(1) 當氣體分散通道葉片角度為30°時，流體在流經(jīng)氣體分散通道時形成的漩渦尺寸較小，能量損失較少，在轉(zhuǎn)速相同或輸入相同的功率時，可以吸入更多的氣體。氣含率隨攪拌轉(zhuǎn)速和介質(zhì)黏度的增大而增大。

(2) 適宜的槳葉組合為6SBDT+6PBUT。6SBDT槳的強剪切作用，可以在上層槳葉處產(chǎn)生較大的吸入壓差，促進氣體吸入速率；6PBUT槳的上揚作用，可以將下層槳葉區(qū)的流體高效泵送到上層槳葉區(qū)，促進氣體循環(huán)，氣含率較高。

(3) 雙層槳自吸式氣液攪拌釜的氣含率與單位體積功耗的關(guān)系為：ε∝(Pg/V)2.4，隨單位體積功耗增大，氣含率明顯增大，氣液接觸的相界面積增大，促進了氣液混合與傳質(zhì)效率，將其應(yīng)用于生物發(fā)酵中，可以顯著增加發(fā)酵液中的溶氧量，更有利于細胞生長。

(4) 后續(xù)將進一步研究下層槳的結(jié)構(gòu)對氣含率的影響及攪拌條件對容積傳質(zhì)系數(shù)的影響。