高 勇，郝惠娣，楊 寧，白錦軍，任國瑜

(1.榆林學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.陜西省低變質(zhì)煤潔凈利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000；3.西北大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710069；4.陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，陜西 西安 710065)

自吸式攪拌反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于氫化反應(yīng)[1]、生物發(fā)酵過程[2-4]、氧化反應(yīng)[5]、氨解反應(yīng)[6]、烷基化反應(yīng)、鹵化反應(yīng)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(chǎn)[8]等領(lǐng)域，其內(nèi)部流體混合、相間傳質(zhì)和傳熱過程極其復(fù)雜。在自吸式攪拌反應(yīng)器的工業(yè)設(shè)計(jì)中，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論計(jì)算，因此，對自吸式攪拌反應(yīng)器的內(nèi)部流動、混合與傳質(zhì)特性進(jìn)行深入細(xì)致的研究，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工業(yè)放大具有重要的指導(dǎo)作用。作者從實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合三方面簡述了自吸式攪拌反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀，并進(jìn)行總結(jié)分析，為其在工業(yè)中的應(yīng)用研究指明方向。

1 自吸式攪拌反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)研究

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

1.1 臨界轉(zhuǎn)速

氣體吸入臨界轉(zhuǎn)速是衡量攪拌槳分散氣相能力的一個重要指標(biāo)，是由反應(yīng)器內(nèi)液體中剛出現(xiàn)少量氣泡時(shí)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(guān)[17]。ZHANG等[18]研究了固體顆粒尺寸、密度等對自吸式反應(yīng)器臨界轉(zhuǎn)速的影響，結(jié)果表明，添加固體顆粒會改變臨界葉輪轉(zhuǎn)速，固體顆粒較大時(shí)葉輪臨界轉(zhuǎn)速較小。YE等[19]對自吸式反應(yīng)器的吸氣原理、設(shè)計(jì)及氣液混合特性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速與槳葉結(jié)構(gòu)和槳葉浸沒深度有關(guān)，當(dāng)下層槳為六葉下斜葉渦輪(PBTD)時(shí)臨界轉(zhuǎn)速最低，為具有上揚(yáng)作用的葉輪時(shí)臨界轉(zhuǎn)速最高。

1.2 吸氣速率

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

1.3 功率消耗

攪拌反應(yīng)器攪拌所產(chǎn)生的能量主要供給物料進(jìn)行剪切和循環(huán)。攪拌功率與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、槳葉型式、攪拌轉(zhuǎn)速、液體性質(zhì)、槳葉安裝位置等有關(guān)。ZHANG等[23]研究了5種不同組合型式的三層槳自吸式反應(yīng)器的功率消耗，研究發(fā)現(xiàn)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(nèi)功率準(zhǔn)數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)槳葉間距增大，功率準(zhǔn)數(shù)增大；當(dāng)下層槳葉角度為30°，槳葉系數(shù)為0.125時(shí)，泵送效率最高，功率準(zhǔn)數(shù)最小。當(dāng)氣體實(shí)現(xiàn)自吸分散后，功率準(zhǔn)數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系為Np∝Re-0.84。

1.4 氣含率

氣含率反映了整個反應(yīng)器中氣相的體積分?jǐn)?shù)和停留時(shí)間，對氣-液相界面大小和氣-液傳質(zhì)速率具有重要的影響作用。對于自吸式攪拌反應(yīng)器，氣含率與反應(yīng)器的幾何參數(shù)、攪拌槳的型式、攪拌轉(zhuǎn)速及液體的性質(zhì)等密切相關(guān)。韓愈等[25]考察了自吸式槳浸沒深度、底層槳結(jié)構(gòu)和攪拌槳層間距對自吸式槳的氣含率的影響，發(fā)現(xiàn)攪拌槽內(nèi)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(shí)攪拌槽內(nèi)氣含率最高。Wang等[26]測定了自吸式葉輪的氣含率，發(fā)現(xiàn)氣含率較高時(shí)，自吸葉輪的吸氣能力較好。

1.5 傳質(zhì)系數(shù)

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(shù)是衡量氧傳遞速率大小的主要指標(biāo)之一，其變化幾乎與操作條件無關(guān)，只與體系的性質(zhì)有關(guān)。Hong等[27]采用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對自吸式生物反應(yīng)器的氧傳遞性能進(jìn)行了研究，將Higbie滲透理論應(yīng)用于氣液傳質(zhì)，用Monod方程建立了酵母在自吸式生物反應(yīng)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(yīng)器的氣液傳質(zhì)特性。結(jié)果表明，通過吸氣支管改變出氣孔位置，使臨界轉(zhuǎn)速下降，相分散均勻，氣液傳質(zhì)系數(shù)顯著提高。

通過對國內(nèi)外學(xué)者對自吸式攪拌反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)研究的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)影響自吸式攪拌反應(yīng)器攪拌性能的因素主要有幾個方面。(1)反應(yīng)器及攪拌槳的結(jié)構(gòu)型式、幾何尺寸、安裝位置、槳葉層數(shù)、槳葉組合及槳葉間距等；(2)反應(yīng)器的操作條件，如攪拌轉(zhuǎn)速等；(3)攪拌介質(zhì)特性，如介質(zhì)黏度、介質(zhì)密度等。對這些因素進(jìn)行研究，有助于深入細(xì)致地了解自吸式攪拌反應(yīng)器的流動混合特性。

2 自吸式攪拌反應(yīng)器的數(shù)值模擬

通過實(shí)驗(yàn)可以獲得攪拌式反應(yīng)器的局部流場信息，但有時(shí)受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，對某些反應(yīng)器的流場無法用實(shí)驗(yàn)方法獲得。而通過數(shù)值模擬可以給出設(shè)計(jì)所需要的詳細(xì)定量數(shù)據(jù)，不僅可以解決反應(yīng)器的放大問題，而且為設(shè)計(jì)新型攪拌槳提供相關(guān)參考依據(jù)[29]。攪拌反應(yīng)器內(nèi)的流動是劇烈的湍流流動，數(shù)值模擬常用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[30]、雷諾應(yīng)力模型[31]、大窩模型[32]，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型由于具有計(jì)算精度高、適用范圍寬等特點(diǎn)，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(yùn)動中發(fā)生變形的運(yùn)動表征。Euler-Euler法具有計(jì)算量小，既可以模擬單一氣泡尺寸，又可以計(jì)算變化氣泡尺寸等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。

劉甜甜等[34]對空心葉輪自吸式反應(yīng)器與雙圓盤葉輪自吸式反應(yīng)器內(nèi)的氣液兩相流動特性進(jìn)行了數(shù)值研究，研究結(jié)果表明在單層槳葉自吸式加氫反應(yīng)器中，當(dāng)槳徑相同時(shí)，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(yīng)器進(jìn)行了數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)葉輪表面壓力的大小和氣體吸入速率有關(guān)。

ACHOURI等[36]利用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)方法對自吸式攪拌槽進(jìn)行了數(shù)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(zhǔn)數(shù)。數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yīng)器內(nèi)氣液兩相流及傳質(zhì)性能進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)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(zhì)系數(shù)提高，進(jìn)而有效地強(qiáng)化氧傳遞。

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

通過國內(nèi)外學(xué)者對自吸式攪拌反應(yīng)器數(shù)值模擬的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬可以有效地補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)研究的不足，且影響數(shù)值模擬結(jié)果精度的主要因素為網(wǎng)格數(shù)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(jìn)行深入研究，來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究，可以加快自吸式攪拌反應(yīng)器的研究進(jìn)程。

3 實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合

采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對自吸式攪拌反應(yīng)器進(jìn)行研究，在實(shí)測結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果之間進(jìn)行定量比較和誤差分析，可以極大加快自吸式攪拌反應(yīng)器的研究進(jìn)程[39-40]，有效指導(dǎo)反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對混合、放大等基礎(chǔ)研究提供重要的理論基礎(chǔ)。

張慶文等[41]利用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的方法分析了不同轉(zhuǎn)速條件下，自吸式反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流的流場，發(fā)現(xiàn)局部氣含率分布均勻；局部容積傳質(zhì)系數(shù)分布良好，氣體出口附近較好。

Ryma等[42]采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)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(shù)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(xiàn)容積傳氧系數(shù)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(yīng)器內(nèi)的攪拌特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，結(jié)果表明下層攪拌器型式對臨界吸氣轉(zhuǎn)速影響很??；單位體積功耗下，反應(yīng)器內(nèi)整體氣含率受下層攪拌器的功率準(zhǔn)數(shù)影響。

郝惠娣等[43]首先采用數(shù)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(chǔ)上，分析進(jìn)氣方式、介質(zhì)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(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)攪拌櫓相比，單層槳?dú)庖簲嚢韪臍夂史植季鶆?，氣液分散效果更好?/p>

隨著計(jì)算機(jī)能力的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的不斷下降，以及計(jì)算方法的不斷完善，CFD方法在自吸式攪拌反應(yīng)器中的應(yīng)用有著更加光明的前景，將數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合起來，可以對攪拌槽內(nèi)的流動、混合及傳遞過程進(jìn)行更深刻更本質(zhì)的認(rèn)識。

4 結(jié)束語

自吸式攪拌反應(yīng)器的獨(dú)特特性，要求其具有較好的物料混合與流動、傳質(zhì)與傳熱特性。因此需要確定自吸式攪拌反應(yīng)器在機(jī)械攪拌混合過程中的混合特性、傳質(zhì)系數(shù)與工作介質(zhì)物性、濃度、流速、剪切力、壓力等物理參數(shù)及槳葉結(jié)構(gòu)間的函數(shù)關(guān)系。采用流體力學(xué)中雷諾數(shù)、弗雷德數(shù)等相似準(zhǔn)數(shù)分析各攪拌參數(shù)的關(guān)系，修正某些幾何條件，確定放大因子，完成自吸式攪拌反應(yīng)器的放大設(shè)計(jì)。同時(shí)，自吸式攪拌反應(yīng)器在運(yùn)行的過程中必然存在著振動問題，劇烈的振動會導(dǎo)致疲勞破壞，縮短反應(yīng)器的使用壽命，甚至?xí)l(fā)生事故，因此對自吸式攪拌反應(yīng)器進(jìn)行振動分析、動平衡分析也是一個值得大力探索的課題。