孫 寧, 高鵬飛, 楊 潮, 劉寶慶, 金志江

(浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所, 浙江 杭州 310027)

1 前 言

氣液攪拌操作在生物制藥、石油化工、食品加工、廢水處理等工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，其功能一般是使氣體分散為微細(xì)氣泡，在液相中均勻分布，形成穩(wěn)定的分散質(zhì)，或液相充分吸收氣相，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[1]。攪拌釜中氣液分散效果的好壞，對(duì)產(chǎn)物品質(zhì)和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性具有重要影響。傳統(tǒng)的攪拌器多為單軸單層槳，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，一般適用于低黏體系的攪拌[2-3]。然而，過程工業(yè)中涉及黏稠體系的場(chǎng)合較多，同時(shí)攪拌釜向大型化發(fā)展，傳統(tǒng)單軸槳在近壁區(qū)可能出現(xiàn)惰性區(qū)，且不能很好地適應(yīng)變黏體系全周期的攪拌需求。因此，應(yīng)工業(yè)發(fā)展的需求逐漸出現(xiàn)了單軸多層攪拌器和雙軸攪拌器，其中有關(guān)單軸多層攪拌器氣液分散特性研究較多[4-8]，而有關(guān)雙軸攪拌器的氣液分散特性的研究鮮有報(bào)道。MONTANTE 等[4]考察了配有 Rushton 槳的氣液攪拌釜內(nèi)的流場(chǎng)和氣泡尺寸分布；LEE 等[7]使用光學(xué)探針測(cè)量法研究了攪拌釜內(nèi)的氣液分散特性及其時(shí)域演變；PAN 等[8]考察了單槳和雙組合槳對(duì)氣液攪拌釜傳質(zhì)特性的影響，并確定了優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

雙軸攪拌器由內(nèi)部開放式攪拌槳和外部閉隙攪拌槳組合而成，具有兩套獨(dú)立的傳動(dòng)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)同向旋轉(zhuǎn)、反向旋轉(zhuǎn)、內(nèi)槳獨(dú)立旋轉(zhuǎn)和外槳獨(dú)立旋轉(zhuǎn)共4 種運(yùn)行模式，能有效改善釜底和近壁區(qū)的流動(dòng)與混合狀態(tài)，特別在高黏、變黏體系中具有良好適應(yīng)性。有關(guān)雙軸攪拌器的研究，以往主要針對(duì)單相體系下的功率和混合特性等展開[9-18]。TANGUY 等[10]研究了以螺帶槳和渦輪槳組成的同心雙軸攪拌器的混合特性，發(fā)現(xiàn)雙軸攪拌槳可以降低功率消耗，在低攪拌轉(zhuǎn)速下即可得到與螺帶槳相同的混合效果；FARHAT等[13]以錨式槳和RUSHTON 槳組成的同心雙軸攪拌器為研究對(duì)象，確定了適宜的攪拌槳直徑和運(yùn)行模式；PAKZAD 等[14]研究了同心雙軸攪拌器在假塑性流體中的混合特性，揭示了轉(zhuǎn)速、流變性能和操作模式等因素的影響規(guī)律；LIU 等[16-17]先后采用實(shí)驗(yàn)和模擬的方法考察了不同配置的同心雙軸攪拌器的功率、混合和傳熱特性，定義了雙軸攪拌器的特征直徑與特征，確定了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行參數(shù)等。

綜上所述，目前有關(guān)雙軸攪拌器氣液分散特性的研究很少，但鑒于雙軸攪拌器的良好綜合性能和過程工業(yè)氣液分散操作的現(xiàn)實(shí)需求，研究雙軸攪拌器在黏稠體系中的氣液分散特性很有必要。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與物料

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，主要由攪拌釜、進(jìn)氣系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)等組成。其中攪拌釜采用透明有機(jī)玻璃制作，具有標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，直徑T=380 mm，充液高度450 mm，釜壁沿軸向均勻設(shè)置了6 個(gè)氣含率測(cè)點(diǎn)。同心雙軸攪拌器由外部低速旋轉(zhuǎn)的框式槳和內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)的Rushton 槳組成，分別安裝在中空的外軸和實(shí)心的內(nèi)軸上，由兩套獨(dú)立傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。進(jìn)氣系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、穩(wěn)流閥和氣體分布器組成。氣體分布器的圓環(huán)上均勻分布24 個(gè)直徑2 mm 的進(jìn)氣孔，離底安裝高度為112 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus

實(shí)驗(yàn)氣體為壓縮空氣，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)后由氣體分布器進(jìn)入攪拌釜內(nèi)；液相選用麥芽糖漿水溶液，是一種典型的牛頓流體，正常情況下無色、無味、無毒，其黏度可通過調(diào)整水和糖漿的比例來控制。6 種黏度的麥芽糖漿水溶液被用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試，具體黏度為：0.064、0.07、0.17、0.22、0.25 和0.30 Pa·s。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過程中，攪拌器轉(zhuǎn)速通過變頻器控制，通氣量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，整體氣含率采用液位差法確定，如式(1)所示。

局部氣含率、局部氣泡尺寸采用雙電導(dǎo)探針法測(cè)量[7]，檢測(cè)儀器為BVW-2 多通道電導(dǎo)探針氣泡特征參數(shù)測(cè)量?jī)x。測(cè)量探針從攪拌釜測(cè)點(diǎn)處水平插入，探針的尖端距離釜壁30 mm。同一測(cè)量通道上有兩支電導(dǎo)探針，氣泡向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩探針先后刺穿同一氣泡，探針尖端位置電導(dǎo)值發(fā)生變化，經(jīng)檢波、放大、電平調(diào)整、轉(zhuǎn)換成電路后形成電壓信號(hào)，最后數(shù)據(jù)處理得到局部氣含率、局部氣泡尺寸等參數(shù)。由于該測(cè)量?jī)x器無法在較高黏度下使用，故局部參數(shù)的測(cè)量時(shí)選用黏度為0.064 Pa·s 的麥芽糖漿水溶液。

3 結(jié)果與討論

3.1 運(yùn)行模式的影響

為了比較寬適應(yīng)性的同心雙軸攪拌器正向和反向旋轉(zhuǎn)模式下氣液分散特性的優(yōu)劣，不同運(yùn)行模式下的整體氣含率和局部氣含率結(jié)果見圖2 和圖3。

圖2 運(yùn)行模式對(duì)整體氣含率的影響Fig.2 Effect of rotation mode on overall gas holdup(Ni = 300 r·min-1, No = 15 r·min-1)

圖3 運(yùn)行模式對(duì)局部氣含率的影響Fig.3 Effect of rotation mode on local gas holdup(Ni = 300 r·min-1, No = 15 r·min-1, Qg = 3 m3·h-1)

圖2 表明，其它條件相同時(shí)，同心雙軸攪拌器反向旋轉(zhuǎn)模式下的總體氣含率較同向旋轉(zhuǎn)時(shí)高。同時(shí)圖3 局部氣含率的軸向分布在反向模式下也相對(duì)較高，且在內(nèi)槳所在軸向位置達(dá)到峰值。這是因?yàn)椋悍聪蜣D(zhuǎn)動(dòng)模式下，內(nèi)外槳的相對(duì)轉(zhuǎn)速較大，因而剪切速率較高、流體湍動(dòng)程度較強(qiáng)，氣泡聚并和破裂的幾率較高，氣泡隨液流循環(huán)的速率較快。因此，局部氣含率相對(duì)較高。這說明，同心雙軸攪拌器在反向轉(zhuǎn)動(dòng)模式下，氣液分散特性較同向轉(zhuǎn)動(dòng)模式具有一定的優(yōu)勢(shì)。后續(xù)其它因素影響的分析，將在反向模式下展開。文獻(xiàn)[19]認(rèn)為：同心雙軸攪拌器的內(nèi)外槳在氣液分散操作中發(fā)揮了不同的作用，高速旋轉(zhuǎn)的中心區(qū)內(nèi)槳主要是增加流體湍動(dòng)、強(qiáng)化剪切，而低速旋轉(zhuǎn)外槳?jiǎng)t改善了釜底和近壁區(qū)的湍動(dòng)程度，并將流體推向中心區(qū)域，同時(shí)直接剪切氣泡，促進(jìn)氣泡破裂，降低氣泡尺寸，增加氣泡停留時(shí)間。正是借助新增獨(dú)立外槳與內(nèi)槳的協(xié)同作用，同心雙軸攪拌器一般相對(duì)單軸攪拌器具有更好的氣液分散性能。

3.2 轉(zhuǎn)速的影響

在考察轉(zhuǎn)速對(duì)氣液分散特性影響時(shí)，外部框式槳作為慢速槳，轉(zhuǎn)速保持15 r·min-1不變，僅改變內(nèi)部Rushton 槳的轉(zhuǎn)速。 圖4 給出了通氣量0.6 m3·h-1、黏度0.3 Pa·s 時(shí)整體含氣率相對(duì)于內(nèi)槳轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。由圖4 可看出，內(nèi)槳轉(zhuǎn)速從100 增加到300 r·min-1，整體氣含率提高顯著，達(dá)到94.3%。一般隨著轉(zhuǎn)速提高，攪拌槳對(duì)氣泡的剪切作用變大、泵送能力增強(qiáng)，氣泡破碎和聚并幾率提高， 流體湍動(dòng)強(qiáng)度更劇烈，氣體再循環(huán)速率更高，因此整體氣含率增大，氣液分散更好。同時(shí)Rushton 槳靠近軸心位置的圓盤一方面可以阻擋氣體直接穿過攪拌器，從而降低泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速；另一方面，高速上升的氣泡到達(dá)圓盤位置后，被阻擋發(fā)生折返并向四周擴(kuò)散，延長了氣泡在液體中的停留時(shí)間，進(jìn)而對(duì)提高整體含氣率有利。

局部氣含率是表征攪拌釜內(nèi)氣液分散效果的重要指標(biāo)。通氣量為 3 r·min-1、黏度為 0.064 Pa·s 時(shí)局部氣含率的軸向分布如圖5 所示?？梢钥闯觯S著內(nèi)槳轉(zhuǎn)速的增加，各位置處的局部氣含率均增大，且不同內(nèi)槳轉(zhuǎn)速下的局部氣含率分布呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，均在內(nèi)槳所在軸向位置處出現(xiàn)峰值。事實(shí)上，氣液攪拌操作與Kolmogorov 湍動(dòng)理論密切相關(guān)，該理論采用湍動(dòng)能耗散率等表征體系湍動(dòng)程度等[20]。依攪拌雷諾數(shù)定義 Re =D2Nρ /μ可知，轉(zhuǎn)速增加后，雷諾數(shù)增大，流體的湍動(dòng)程度增加，夾帶氣體能力增強(qiáng)，氣含率增大。而相同工況下釜內(nèi)湍動(dòng)能的分布等，文獻(xiàn)[21]已經(jīng)模擬給出。同時(shí)，Rushton 槳作為徑流型攪拌器，徑向射流區(qū)域的流體流速較高，局部壓力相對(duì)較低，氣泡聚集，導(dǎo)致局部氣含率較其他位置更高。除內(nèi)槳所在軸向位置較高的氣含率外，近釜底區(qū)域因距離氣體分布器較近，局部氣含率也相對(duì)較高，而近液面區(qū)域也因有攪拌漩渦導(dǎo)致的環(huán)境氣體夾帶而呈現(xiàn)較高氣含率。

圖4 轉(zhuǎn)速對(duì)整體氣含率的影響Fig.4 Effect of inner impeller rotation speed on overall gas holdup

圖6 給出了攪拌釜軸向不同位置處的局部氣泡尺寸隨轉(zhuǎn)速變化的曲線。由圖可以看出，與局部氣含率隨轉(zhuǎn)速的規(guī)律變化不同，氣泡尺寸的分布整體呈現(xiàn)不規(guī)律性，這與多方面的因素有關(guān)。一方面，隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加，對(duì)氣泡的剪切作用增強(qiáng)，大氣泡被打碎的頻率更高，對(duì)降低氣泡尺寸有利，但這一般僅在內(nèi)槳槳葉排出區(qū)局部的影響更為明顯；另一方面，轉(zhuǎn)速越高，流體湍動(dòng)程度增強(qiáng)，氣泡間的碰撞和聚并長大的概率會(huì)越高。因此在這兩方面因素共同作用下，氣泡尺寸分布隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律并不明顯。但總體上看，內(nèi)槳所在軸向位置的氣泡尺寸較小，這與該處高速旋轉(zhuǎn)內(nèi)槳的強(qiáng)剪切作用有關(guān)，而最下測(cè)點(diǎn)處的氣泡尺寸較小，則主要?dú)w因于靠近氣體分布器，該處氣泡本身較小且沒來得及聚并長大。

綜上所述，提高同心雙軸攪拌器內(nèi)槳轉(zhuǎn)速對(duì)改善黏性體系中氣液分散特性有利，但隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，其強(qiáng)化作用逐漸減弱，且更高的轉(zhuǎn)速同時(shí)意味著能耗的增加。因此，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)體系的具體需求，在確保氣液分散性能的前提下，綜合權(quán)衡確定合適的攪拌器轉(zhuǎn)速。

3.3 通氣量的影響

在研究通氣量對(duì)整體參數(shù)和局部參數(shù)的影響時(shí)，內(nèi)外槳轉(zhuǎn)速均保持不變，分別為300 和15 r·min-1，通氣量從 0.4 到 1.2 m3·h-1變化。

圖5 轉(zhuǎn)速對(duì)局部氣含率的影響Fig.5 Effect of inner impeller rotation speed on local gas holdup

圖6 轉(zhuǎn)速對(duì)局部氣泡尺寸的影響Fig.6 Effect of inner impeller rotation speed on local bubble size

體系黏度為0.3 Pa·s 時(shí)通氣量與整體氣含率的關(guān)系曲線如圖7 所示。由于選取的物料黏度較大，所以通氣量的變化范圍較小。在整個(gè)通氣量變化的區(qū)間內(nèi)，氣液分散狀態(tài)均較好，沒有發(fā)生氣泛現(xiàn)象。由圖7 可看出，通氣量從0.4 提高到1.2 m3·h-1，整體氣含率提高了72.5%，但上升的趨勢(shì)逐漸變緩。這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)通氣量范圍內(nèi)，攪拌轉(zhuǎn)速都在泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速之上，隨著通氣量的增加，攪拌釜中氣泡數(shù)目增多，氣含率隨之增大。但氣泡數(shù)目增加的同時(shí)導(dǎo)致氣泡間相互碰撞和聚并的概率增大，氣泡尺寸增大，大尺寸氣泡的溢出速度相對(duì)較快，這不利于總體氣含率的進(jìn)一步提高，使增長趨勢(shì)變緩。

圖7 通氣量對(duì)整體氣含率的影響Fig.7 Effect of gas flux on overall gas holdup(Ni = 300 r·min-1, No = 15 r·min-1)

圖8 通氣量對(duì)局部氣含率的影響Fig.8 Effect of gas flux on local gas holdup(Ni= 300 r·min-1, No = 15 r·min-1)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同通氣量下，0.064 Pa·s 攪拌體系內(nèi)的局部含氣率的軸向分布，如圖8 所示。由圖8 可看到，隨著通氣量的增加，各個(gè)位置處的局部氣含率均增大。形成原因與通氣量對(duì)整體氣含率的影響機(jī)理激勵(lì)類似。需要指出，本文中通氣量對(duì)局部氣含率的影響規(guī)律與文獻(xiàn)[22]中的結(jié)論有所區(qū)別，并沒有出現(xiàn)隨通氣量增加局部氣含率大幅度降低的情況。這是因?yàn)槲墨I(xiàn)[22]中的通氣量增大一定程度后出現(xiàn)了氣泛現(xiàn)象，直接導(dǎo)致局部氣含率隨通氣量增大而急劇下降。而當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的通氣量范圍內(nèi)，攪拌器轉(zhuǎn)速均在泛點(diǎn)轉(zhuǎn)速以上，沒有出現(xiàn)氣泛現(xiàn)象，氣液分散效果良好。

圖9 給出了局部氣泡尺寸相對(duì)于通氣量的變化規(guī)律。隨通氣量的增加，除內(nèi)槳位置外各處的局部氣泡尺寸略有增大。這是因?yàn)?，通氣量增加，夾帶在液體循環(huán)流中的氣泡數(shù)增多，攪拌釜內(nèi)氣泡密度增大，氣泡之間的聚并概率增大，局部氣泡尺寸增大。但在內(nèi)槳位置，徑流型Rushton 槳的剪切作用占主導(dǎo)，氣泡尺寸較小且?guī)谉o差別。

3.4 黏度的影響

體系黏度是影響氣液分散特性的重要因素。由于局部氣含率和局部氣泡尺寸的測(cè)量?jī)x器在較高黏度下的局限性，僅考慮黏度對(duì)整體氣含率的影響。同時(shí)為確保較高黏度下不出現(xiàn)氣泛現(xiàn)象且近壁區(qū)仍能獲得較好的氣體分散效果，實(shí)驗(yàn)采用較低的通氣量。在通氣量為0.6 m3·h-1、內(nèi)外槳轉(zhuǎn)速分別為300 和15 r·min-1下，調(diào)整麥芽糖漿水溶液的濃度來獲取不同的黏度。圖10 表明，隨著黏度的增加，整體氣含率呈不斷上升的趨勢(shì)。其原是其他條件相同時(shí)，黏度越大的體系的雷諾數(shù)越小，流體湍動(dòng)程度越弱，氣泡的循環(huán)速度也降低，不利于氣液擴(kuò)散；且隨著黏度的增大，氣泡在釜內(nèi)受到液體的拖曳力增大，在釜內(nèi)的停留時(shí)間增長，因此，整體氣含率隨黏度的提高而增大。

圖9 通氣量對(duì)局部氣泡尺寸的影響Fig.9 Effect of gas flux on local bubble size(Ni=300 r·min-1, No = 15 r·min-1)

圖10 黏度對(duì)整體氣含率的影響Fig.10 Effect of liquid viscosity on overall gas holdup(Ni = 300 r·min-1, No = 15 r·min-1, Qg = 0.6 m3·h-1)

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)考察了轉(zhuǎn)動(dòng)模式、轉(zhuǎn)速、通氣量和黏度等因素對(duì)該同心雙軸攪拌器氣液分散性能的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 與單相流體系中同向旋轉(zhuǎn)模式的功率與混合特性占優(yōu)的認(rèn)知不同，內(nèi)外槳反向旋轉(zhuǎn)時(shí)的整體和局部氣含率均較同向旋轉(zhuǎn)時(shí)大，表現(xiàn)出更好的氣液分散性能；

(2) 內(nèi)槳轉(zhuǎn)速是影響同心雙軸攪拌器的氣液分散性能的重要因素，隨內(nèi)槳轉(zhuǎn)速提高，整體氣含率和局部氣含率均增加明顯，而氣泡尺寸的分布呈現(xiàn)不規(guī)則性，但隨著轉(zhuǎn)速的持續(xù)提高，其強(qiáng)化氣液分散的作用逐漸減弱，因此，作為影響較為明顯且相對(duì)便于調(diào)節(jié)的運(yùn)行參數(shù)，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中在確保氣液分散性能的前提下，有必要綜合權(quán)衡確定合適的攪拌器轉(zhuǎn)速；

(3) 實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，整體氣含率和局部氣含率均隨通氣量的增加而提高，氣泡尺寸也相應(yīng)增大。實(shí)際應(yīng)用中，通氣量的增大必須與攪拌轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)，避免發(fā)生氣泛；

(4) 黏稠體系中，隨黏度的增加，氣體釜內(nèi)停留時(shí)間加長，整體氣含率單調(diào)增長。

符號(hào)說明：

d — 氣泡尺寸，mm

D — 攪拌器直徑，mm

h — 測(cè)量點(diǎn)位置高度，mm

H0— 通氣前液位高，mm

Hg— 通氣后液位高，mm

Ni— 內(nèi)槳轉(zhuǎn)速，r·min-1

No— 外槳轉(zhuǎn)速，r·min-1

Qg— 通氣量，m3·h-1

Re — 雷諾數(shù)

T — 攪拌釜內(nèi)徑，mm

α — 整體氣含率，%

αg— 局部氣含率，%

ρ — 密度，kg·m-3

μ — 黏度，Pa·s