自吸式搅拌反应器的研究进展*

高 勇，郝惠娣，杨 宁，白锦军，任国瑜

(1.榆林学院 化学与化工学院，陕西 榆林 719000；2.陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，陕西 榆林 719000；3.西北大学 化工学院，陕西 西安 710069；4.陕西省计量科学研究院，陕西 西安 710065)

自吸式搅拌反应器广泛应用于氢化反应[1]、生物发酵过程[2-4]、氧化反应[5]、氨解反应[6]、烷基化反应、卤化反应等，以及工业中的烟道气脱硫、浮选、湿法冶金、废水处理[7]和纳米碳酸钙的生产[8]等领域，其内部流体混合、相间传质和传热过程极其复杂。在自吸式搅拌反应器的工业设计中，需要大量的实验数据或理论计算，因此，对自吸式搅拌反应器的内部流动、混合与传质特性进行深入细致的研究，对其结构设计和工业放大具有重要的指导作用。作者从实验研究、数值模拟、实验研究与数值模拟相结合三方面简述了自吸式搅拌反应器的研究现状，并进行总结分析，为其在工业中的应用研究指明方向。

1 自吸式搅拌反应器的实验研究

自吸式搅拌反应器内的流场具有三维和高度不稳定的随机湍流的特点，既难以从理论方面来预测反应器的优劣，也难以对反应器的放大规律提供理论指导，因此目前对于自吸式搅拌反应器的研究还主要依赖经验和实验[9]，且主要集中在临界转速[10-11]、吸气速率[12]、功率消耗[13]、气含率[14-15]和传质系数[16]这几个特性参数的研究方面。

1.1 临界转速

气体吸入临界转速是衡量搅拌桨分散气相能力的一个重要指标，是由反应器内液体中刚出现少量气泡时的搅拌速度所决定的，与桨叶直径、桨叶浸没深度和液体黏度等有关[17]。ZHANG等[18]研究了固体颗粒尺寸、密度等对自吸式反应器临界转速的影响，结果表明，添加固体颗粒会改变临界叶轮转速，固体颗粒较大时叶轮临界转速较小。YE等[19]对自吸式反应器的吸气原理、设计及气液混合特性进行了研究，研究发现临界转速与桨叶结构和桨叶浸没深度有关，当下层桨为六叶下斜叶涡轮(PBTD)时临界转速最低，为具有上扬作用的叶轮时临界转速最高。

1.2 吸气速率

吸气速率是表征自吸式搅拌反应器吸气性能的一个重要参数，与桨叶旋转所产生的吸入压差和分散气体的能力密切相关[20-21]。张庆文等[22]对自吸式反应器的吸气性能进行了研究，研究发现吸气过程是压差驱动的，吸气阻力分为液相侧阻力和气相侧阻力。

1.3 功率消耗

搅拌反应器搅拌所产生的能量主要供给物料进行剪切和循环。搅拌功率与反应器结构、桨叶型式、搅拌转速、液体性质、桨叶安装位置等有关。ZHANG等[23]研究了5种不同组合型式的三层桨自吸式反应器的功率消耗，研究发现固体颗粒的加入对相对功率消耗(RPD)影响不大，上部两层叶轮对RPD变化的影响比底部叶轮大。高勇等[24]考察了不同搅拌条件对双层桨自吸式气液搅拌釜内功率准数的影响，发现桨叶间距增大，功率准数增大；当下层桨叶角度为30°，桨叶系数为0.125时，泵送效率最高，功率准数最小。当气体实现自吸分散后，功率准数与雷诺数的关系为Np∝Re-0.84。

1.4 气含率

气含率反映了整个反应器中气相的体积分数和停留时间，对气-液相界面大小和气-液传质速率具有重要的影响作用。对于自吸式搅拌反应器，气含率与反应器的几何参数、搅拌桨的型式、搅拌转速及液体的性质等密切相关。韩愈等[25]考察了自吸式桨浸没深度、底层桨结构和搅拌桨层间距对自吸式桨的气含率的影响，发现搅拌槽内的气含率受吸气速率影响，且采用上推式操作四叶宽叶翼形轴流式桨(WHU)作为底桨时搅拌槽内气含率最高。Wang等[26]测定了自吸式叶轮的气含率，发现气含率较高时，自吸叶轮的吸气能力较好。

1.5 传质系数

一些好氧发酵过程要求有充分的气-液两相接触，较高的氧传递速率，以提供丰富的溶解氧。容积传氧系数是衡量氧传递速率大小的主要指标之一，其变化几乎与操作条件无关，只与体系的性质有关。Hong等[27]采用实验研究和数值模拟相结合的方法，对自吸式生物反应器的氧传递性能进行了研究，将Higbie渗透理论应用于气液传质，用Monod方程建立了酵母在自吸式生物反应器中的生长模型。鞠凡[28]研究了在不同操作条件下自吸式反应器的气液传质特性。结果表明，通过吸气支管改变出气孔位置，使临界转速下降，相分散均匀，气液传质系数显著提高。

通过对国内外学者对自吸式搅拌反应器实验研究的总结，发现影响自吸式搅拌反应器搅拌性能的因素主要有几个方面。(1)反应器及搅拌桨的结构型式、几何尺寸、安装位置、桨叶层数、桨叶组合及桨叶间距等；(2)反应器的操作条件，如搅拌转速等；(3)搅拌介质特性，如介质黏度、介质密度等。对这些因素进行研究，有助于深入细致地了解自吸式搅拌反应器的流动混合特性。

2 自吸式搅拌反应器的数值模拟

通过实验可以获得搅拌式反应器的局部流场信息，但有时受到实验条件的限制，对某些反应器的流场无法用实验方法获得。而通过数值模拟可以给出设计所需要的详细定量数据，不仅可以解决反应器的放大问题，而且为设计新型搅拌桨提供相关参考依据[29]。搅拌反应器内的流动是剧烈的湍流流动，数值模拟常用的湍流模型为标准k-ε模型[30]、雷诺应力模型[31]、大窝模型[32]，标准k-ε模型由于具有计算精度高、适用范围宽等特点，已成为流场分析中使用最多的两方程湍流模型。研究气液两相流的主要方法有Euler-Lagrange法[33]和Euler-Euler法，Euler-Lagrange法只适合于离散相较为稀疏的情况，且离散相只考虑为单一球形，不能描述离散相在运动中发生变形的运动表征。Euler-Euler法具有计算量小，既可以模拟单一气泡尺寸，又可以计算变化气泡尺寸等优点，得到了广泛应用。

刘甜甜等[34]对空心叶轮自吸式反应器与双圆盘叶轮自吸式反应器内的气液两相流动特性进行了数值研究，研究结果表明在单层桨叶自吸式加氢反应器中，当桨径相同时，空心叶轮的吸气性能与气液分散性能更好。

Fonte等[35]对具有6叶片的中空叶轮的自吸式反应器进行了数值研究，发现叶轮表面压力的大小和气体吸入速率有关。

ACHOURI等[36]利用计算流体动力学(CFD)方法对自吸式搅拌槽进行了数值研究，分析了倾角为45°和60°下斜叶涡轮桨的气体吸入速率和功率准数。数值模拟结果和实验结果吻合较好，且60°倾角下斜叶涡轮桨的搅拌混合效率更高。

石东升等[37]采用CFD对自吸式反应器内气液两相流及传质性能进行了研究。发现加装气体分布器后，局部气含率提高且分布均匀，液相容积氧传质系数提高，进而有效地强化氧传递。

高勇等[38]采用CFD方法对自吸式搅拌槽内流体流动进行数值研究，研究结果表明，当气体分散通道叶片角度较小时，在气体分散通道出口处形成的漩涡范围较小；当下层桨为六直叶上斜叶浆(PDTU)时，两层桨之间的轴向作用较强。

通过国内外学者对自吸式搅拌反应器数值模拟的总结，发现数值模拟可以有效地补充实验研究的不足，且影响数值模拟结果精度的主要因素为网格数量、边界条件、初始条件、湍流模型及求解方法等，对这些因素进行深入研究，来指导实验研究，可以加快自吸式搅拌反应器的研究进程。

3 实验研究与数值模拟相结合

采用实验研究与数值模拟相结合的方法对自吸式搅拌反应器进行研究，在实测结果和数值分析结果之间进行定量比较和误差分析，可以极大加快自吸式搅拌反应器的研究进程[39-40]，有效指导反应器的优化设计，对混合、放大等基础研究提供重要的理论基础。

张庆文等[41]利用数值模拟和实验研究的方法分析了不同转速条件下，自吸式反应器内气液两相流的流场，发现局部气含率分布均匀；局部容积传质系数分布良好，气体出口附近较好。

Ryma等[42]采用实验研究与数值模拟相结合的方法，分析了叶轮浸没深度和叶片倾角对自吸叶轮的容积传氧系数的影响，该自吸叶轮具有3个叶片，每个叶片开有5个小孔。研究发现容积传氧系数随叶片倾角和叶轮浸没深度的增加而减小。

高江超[21]对自吸式反应器内的搅拌特性进行了实验研究和数值模拟，结果表明下层搅拌器型式对临界吸气转速影响很小；单位体积功耗下，反应器内整体气含率受下层搅拌器的功率准数影响。

郝惠娣等[43]首先采用数值模拟的方法，研究了气体分散通道角度对气含率的影响。在此基础上，分析进气方式、介质黏度和单位体积功耗等因素对气含率、功耗性能的影响。研究发现和标准搅拌橹相比，单层桨气液搅拌釜的气含率分布均匀，气液分散效果更好。

随着计算机能力的不断增强和价格的不断下降，以及计算方法的不断完善，CFD方法在自吸式搅拌反应器中的应用有着更加光明的前景，将数值模拟和实验研究结合起来，可以对搅拌槽内的流动、混合及传递过程进行更深刻更本质的认识。

4 结束语

自吸式搅拌反应器的独特特性，要求其具有较好的物料混合与流动、传质与传热特性。因此需要确定自吸式搅拌反应器在机械搅拌混合过程中的混合特性、传质系数与工作介质物性、浓度、流速、剪切力、压力等物理参数及桨叶结构间的函数关系。采用流体力学中雷诺数、弗雷德数等相似准数分析各搅拌参数的关系，修正某些几何条件，确定放大因子，完成自吸式搅拌反应器的放大设计。同时，自吸式搅拌反应器在运行的过程中必然存在着振动问题，剧烈的振动会导致疲劳破坏，缩短反应器的使用寿命，甚至会发生事故，因此对自吸式搅拌反应器进行振动分析、动平衡分析也是一个值得大力探索的课题。