单层桨气液搅拌釜的气液分散特性

郝惠娣，朱 娜，秦 佩，程天琦，雷建勇

（西北大学 化工学院，陕西 西安 710069）

气液搅拌反应釜广泛应用于生物化工和石油化工方面。气液搅拌釜内流动状态非常复杂，气泡不断进行着分裂和聚并，气泡的含量和尺寸对釜内气液的接触和混合至关重要。长期以来，人们一直在研究搅拌釜内气液分散的情况，并取得了较大的进展［1］。Sun等［2］利用计算流体力学中的k-ε-Apk湍流模型对搅拌釜内气液分散特性进行了三维数值模拟，通过数值模拟和实验结果对比分析，最后得出利用数值模拟能较为准确地预测搅拌釜内的气体分布情况，但对于搅拌釜内底部区域的模拟效果与实际有一定的偏差。

本工作对单层桨气液搅拌釜的气液分散特性进行研究，考察了进气方式、介质黏度对气含率及功耗性能的影响，并与标准搅拌釜的性能进行比较。

1 实验部分

1.1 实验装置

单层桨气液搅拌釜实验平台的示意图见图1，搭建在万能实验台上，主要包括3部分：搅拌釜、测量系统和拍摄系统。搅拌釜是实验研究的对象，根据数值模拟确定结构尺寸，并采用有机玻璃加工成型。测量系统是利用逆变器无级调节电动机转速，扭矩功率转速测量仪与传感器传输转矩、转速和功率，以及计算机在线监测和记录转速等数据。拍摄系统则通过激光器和工业高速相机对搅拌釜内流场进行测量和拍照。

图1 单层桨气液搅拌釜实验平台的示意图Fig.1 Schematic diagram of a gas-liquid stirred tank with single-layer impeller.

在前期数值模拟［3-4］中确定导流板角度为60°，搅拌釜具体结构及尺寸见图2和表1。

图2 单层桨气液搅拌釜Fig.2 Gas-liquid stirred tank with single-layer impeller.

表1 单层桨气液搅拌釜的几何参数Table 1 Geometry parameters of the gas-liquid stirred tank with single-layer impeller

1.2 实验方法

单层桨气液搅拌釜是基于龙卷风的原理［5-6］在桨叶上方安装定子研制而成。实验目的是对数值模拟得出的合理结构进行实验和验证，考察进气方式、介质黏度和单位体积功耗对气含率及功耗性能的影响。

实验物系为空气、水和蔗糖水溶液，空气为分散相，水和蔗糖水溶液为连续相。空气通过定子吸入，再经过气体分散装置分散到液相中。图3为气体分散装置简图，气体分散通道角度（γ）对气液分散的影响非常重要。

图3 气体分散装置简图Fig.3 Gas dispersion equipment.

气含率是表征搅拌釜内气液分散特性和决定体系相界面积的重要参数［7-9］。采用测量液位的方法计算气含率，其定义为通气后液位的变化与未通气时液位之比：

气含率和气泡的尺寸共同确定了气液的相界面积，气含率越大且分布越均匀越有利于气液两相的接触与混合。

搅拌功率的测量采用扭矩功率转速测量仪与传感器及计算机配合进行。搅拌功率表示搅拌釜的功耗性能［10］，决定搅拌釜内流体的基本运动状态。搅拌功率准数（Np）是搅拌釜最重要的特性参数之一，表征搅拌釜的功耗性能的大小，用式（2）进行计算。

2 结果与讨论

2.1 不同气体分散通道角度时的数值模拟

γ对气含率分布的影响见图4。由图4可见，整个搅拌釜内气含率分布并不均匀，由于气泡在离开气体分散通道时，小部分向下流出，大部分向上溢出，气泡上升的阻力较小，上升速度加快，而下降受到浮力的阻碍；在搅拌桨下方，气含率较小，但分布较均匀，只是在导流板上方出现最小区域，随γ的增大，搅拌桨下方的气含率逐渐变小，说明达到底部的气泡越来越少，气液分散效果就会越差。综上分析，γ=30°时能达到较为理想的气液分散状态，且功耗最小。因此，在后续的实验中选取γ=30°。

图4 γ对气含率分布的影响Fig.4 Effects of gas dispersion channel angles(γ) on gas holdup(εg).

2.2 不同介质黏度时的气含率

在两种进气方式下考察搅拌转速对不同黏度的蔗糖溶液气含率的影响，搅拌转速均高于气体吸入临界转速［11］。介质黏度用蔗糖的含量进行表征，介质黏度随蔗糖含量的增大而增大。

不同介质黏度下搅拌转速对气含率的影响见图5。由图5可见，搅拌转速越大，气含率越大，这是因为搅拌转速增大产生的压差大，导致吸入的气体越多，因此气含率增大；搅拌转速相同时，介质黏度越大，气含率越小，这是因为介质黏度越大，尽管气泡在液相中的停留时间延长，但介质吸入的气体越少，导致整体气含率的降低。

图5 不同介质黏度下搅拌转速对气含率的影响Fig.5 Effects of stiring speed(N) on εg with different medium viscosity.

由图5还可见，与表面充气分散相比，自吸分散时的气含率更大。自吸分散进气方式比表面充气分散进气方式更有利于气液分散。

不同介质黏度下单位体积功耗对气含率的影响见图6。由图6可见，气含率随单位体积功耗的增大而增大，因为单位体积的介质所获能量与单位体积功耗成正比，单位体积功耗增大使桨叶与气液界面之间形成更大的压强，吸入的气体也就越多。

由图6还可见，介质黏度一定时，与表面充气分散相比，自吸分散时的气含率更大，因此达到相同的气含率时自吸分散比表面充气分散消耗的能量少。

通过以上对自吸分散和表面充气分散时的气含率分析可知，在搅拌转速和单位体积功耗均相同时，自吸分散时的气含率比表面充气分散时的大，更有利于气液分散。介质黏度越大，气含率因进气量变小而降低。通过对搅拌釜内自吸分散时气含率与单位体积功耗的拟合，得到二者在双对数坐标系中的拟合直线（见图7）。经计算得到拟合直线的斜率为1.4，得出自吸分散时的气含率与单位体积功耗具有以下关系：

用式（3）可定量地表述气含率受单位体积功耗的影响程度。

图6 不同介质黏度下单位体积功耗对气含率的影响Fig.6 Effects of unit volume power consumption(Pg/V) on εg with different medium viscosity.

图7 自吸分散时的气含率与单位体积功耗的拟合曲线Fig.7 Fitting curves of εg and Pg/V with self-priming dispersion.

2.3 功耗性能

2.3.1 进气方式对搅拌功耗的影响

以水为介质的不同进气方式时搅拌功耗与搅拌转速的关系见图8。由图8可见，当搅拌转速较小时，搅拌功耗随搅拌转速的增大而明显增大；当搅拌转速约为360 r/min时，搅拌功耗的增幅出现减缓的趋势，这是因为搅拌转速增大到360 r/min后伴随有气体的吸入，气体在桨叶后方形成的气穴使得搅拌阻力减小，因此搅拌功耗增大的幅度减小；搅拌转速相同时，自吸分散时的搅拌功耗略低于表面充气分散的搅拌功耗，这是由于自吸分散时的气含率较表面充气分散时更大，在桨叶后方更容易形成气穴，导致搅拌功耗降低。

图8 以水为介质的不同进气方式时搅拌功耗与搅拌转速的关系Fig.8 Relationship between stirring power consumption(Pg) and N in different inspiratory ways with water as medium.

以水为介质的不同吸气方式时搅拌釜的功率准数与搅拌雷诺数（Re）的关系见图9。由图9可见，搅拌釜的功率准数随Re的增大而降低；当Re相同时，自吸分散时的功率准数比表面充气分散时的低，说明采用自吸分散更节能。

图9 以水为介质的不同进气方式时搅拌釜的功率准数与Re的关系Fig.9 Relationship between power number(Np) and Reynolds number(Re) in different inspiratory ways with water as medium.

通过以上分析可知：在进行气液分散时，与表面充气分散相比，自吸分散能获得更大的气含率，且功耗低。因此，自吸分散更有利于气液分散和节能。

2.3.2 介质黏度对搅拌功耗的影响

介质黏度对搅拌功耗的影响见图10。由图10可见，随搅拌转速的增大，搅拌功耗逐渐增大；搅拌转速相同时，搅拌功耗随介质黏度的增加而增大，这是由于介质黏度增大增加了桨叶旋转的阻力，搅拌轴的扭矩就会增大，同样的搅拌转速需要的功率就会增加。

图10 介质黏度对搅拌功耗的影响Fig.10 Effects of medium viscosity on Pg.

2.4 与标准搅拌釜的对比

标准搅拌釜［12］的模型为其四周装有4块挡板，无定子装置，搅拌轴为空心轴，桨叶采用常用的六直叶圆盘涡轮桨，其他尺寸如釜的内径、液面高度、浆叶安装高度、搅拌器直径与单层桨气液搅拌釜相同，通气速率4 m/s，搅拌转速400 r/min。

2.4.1 数值模拟结果

两种搅拌釜中气含率分布的数值模拟结果见图11。由图11可见，单层桨气液搅拌釜在气体吸入口和液面气体排出口处的气含率达到最大，其他处的气含率分布相对均匀；桨叶后方由于气体吸入后在叶片后方聚集形成气穴，不利于气液分散；在导流板上方形成气含率最小的区域，该区域液相速率非常低，气泡很难进入到该区域，因此此处气含率最小。由图11还可见，标准搅拌釜的气含率较大的区域主要分布在搅拌轴两侧，但在进气的轴孔处和液面出口处为气含率最大的区域，这是因为气体进入到液相后，受到浮力作用导致多数气泡沿搅拌轴向上运动，最后从液面排出。由于无气体的分散装置，标准搅拌釜内的气泡普遍较大，气液接触面积小，不利于物料间的接触和混合。

2.4.2 实验结果

介质为水时两种搅拌釜的功率曲线见图12，其中标准搅拌釜的功率曲线源自文献［12］，实验中把单层桨气液搅拌釜定子的气体入口密封，防止气体的吸入对功耗造成影响。由图12可见，搅拌转速增大时，两种搅拌釜的功率均增大，但与标准搅拌釜相比，单层桨气液搅拌釜功率变化相对平缓；在搅拌转速较低时，两者搅拌功率相差不是很大，但随搅拌转速的增大，两者搅拌功率的差值增大，因为标准搅拌釜的桨叶位置比较低，桨叶因转动产生的扭矩较大，挡板的存在增加了流体旋转的阻力。当转速为600 r/min时，单层桨气液搅拌釜的功率只有30 W左右，而标准搅拌槽的功率达到了45 W。由此可见，相同的转速下，单层桨气液搅拌釜的功耗比标准搅拌釜低很多［13-14］，达到相同的分散效果时单层桨气液搅拌釜需要的搅拌转速低。

图11 两种搅拌釜中气含率分布的数值模拟结果Fig.11 Numerical simulation the gas holdups of two kinds of stirred tanks.

图12 介质为水时两种搅拌釜的搅拌功率曲线Fig.12 Stirring power(P) curves of the two stirred tanks with water as medium.

介质为水时两种搅拌釜的功率准数曲线见图13。由图13可见，两种搅拌釜的功率准数随Re的变化很小，在Re=（3～8）×104的范围内，功率准数近乎为水平直线，单层桨气液搅拌釜的功率准数约为3.3，标准搅拌釜的功率准数约为5.0 。与标准搅拌釜相比，单层桨气液搅拌釜的节能效果非常显著，故单层桨气液搅拌釜更适用于生物化工领域。

图13 介质为水时两种搅拌釜的功率准数曲线Fig.13 Np curves of the two stirred tanks with water as medium.

3 结论

1）在相同的搅拌转速和介质黏度下，与表面充气分散相比，自吸分散的气含率更大。

2）自吸分散进气方式下，通过拟合得到气含率与单位体积功耗的关系式为：εg∝（ρg/N）1.4；随单位体积功耗增大，气含率明显增大。

3）在相同的搅拌转速和Re下，自吸分散时的搅拌功耗略低于表面充气分散时的搅拌功耗。

4）与标准釜相比，单层桨气液搅拌釜的功耗降低，达到相同的分散效果时的搅拌转速低，适用于生物化工领域。

符 号 说 明

Dj搅拌器直径，mm

H0密封定子进气口时的釜内液高，mm

Hg利用定子吸气后的釜内液高，mm

N 搅拌转速，r/min

Np功率准数

P 搅拌功率，W

Pg搅拌功耗，W

Re 搅拌雷诺数

V 搅拌釜内液体体积，m3

γ 气体分散通道角度，°

ρ 密度，kg/m3

εg气含率，%

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