攪拌槽內中高黏物系的氣液分散特性研究進展

李紅星，王嘉駿，馮連芳，金志江

（1浙江大學化工機械研究所，浙江 杭州 310027 ; 2浙江大學化學工程聯合國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

進展與述評

攪拌槽內中高黏物系的氣液分散特性研究進展

李紅星1，王嘉駿2，馮連芳2，金志江1

（1浙江大學化工機械研究所，浙江 杭州 310027 ;2浙江大學化學工程聯合國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

從實驗和數值模擬兩方面對攪拌槽內中高黏物系條件下的氣含率、氣泡尺寸大小和傳質特性等進行綜述。討論了攪拌槳型、操作條件、黏度或非牛頓性對氣液分散特性的影響。闡明了徑流式攪拌槳和上翻式軸流槳的組合能減小氣穴，更適合中低黏物系的攪拌；攪拌轉速比通氣量的影響效果更明顯，轉速增加使氣泡的分布均勻性變好，而提高通氣速度會產生大氣泡，使氣泡分布不均勻程度增加；黏度或非牛頓性的增加可以改變氣泡的碰撞頻率，氣泡平均尺寸減小。最后討論了針對中高黏物系的計算流體力學模型的修正方法，并且展望了此領域的研究發展方向。

黏性物系；氣液兩相流；攪拌槽；分散特性

氣液攪拌設備廣泛應用于生物化工、石化、醫藥、污水處理和食品工業等領域[1]，中高黏度物系下（處于過渡流和層流域）的氣液分散在生物化工中更為常見。以發酵過程為例，反應介質多是中高黏度牛頓流體[2-3]，部分是剪切變稀的假塑性流體[4-6]，溶氧量（DO）的降低和營養物質的分布不均勻[7]將導致大量滯留區的形成，不僅浪費有效的發酵空間，也會對生物量及微生物的生長機制造成影響。但是目前關于中高黏物系下的氣液分散研究很不成熟，因此深入研究該物系下氣液兩相的分散特性，對反應器的設計、優化和放大具有重要意義。

氣液分散的研究一般從氣含率、氣泡尺寸大小和傳質特性3個方面著手，這3個參數是評價氣液混合狀態的關鍵指標，也是攪拌設備設計及放大的重要參數。本文作者將從實驗和計算流體力學（CFD）模擬角度，討論攪拌槳型、操作條件以及黏度或非牛頓性對氣液分散特性的影響

1 攪拌槳對分散特性的影響

攪拌槳的型式和組合對中高黏物系下氣液分散起關鍵作用，從氣穴理論說明不同攪拌槳對氣液分散特性的影響。

氣穴結構控制著能量耗散率、液相中氣相的空間分布以及氣泛狀態等[8]。而氣穴的形成和組成取決于氣液傳遞性能、充氣速度和攪拌槳轉速以及槳葉的形式和數目。氣液分散主要是氣穴在尾部破裂，小氣泡在離心力的作用下被甩出，并隨著液體的流動被甩出至槽內其它區域。Vivek等[9]利用水研究發現氣體易于在槳葉背面的低壓區積聚，從而改變槳葉的性能，液體循環速度和湍流動能耗散率與槳葉尖端速度成比例。其中湍流動能耗散率隨著槳葉背面氣體的增多而減小；液體循環速度增加，氣穴中氣體就會越來越多。

減小單個氣穴的尺寸可以促進黏性流體中氣液分散。李艷等[10]用黃原膠溶液對4種攪拌槳組合的氣含率和體積氧傳遞系數進行試驗研究，結果發現拋物線凹葉圓盤渦輪槳+翼型軸流槳+翼型軸流槳在相同功率輸入下氣含率和傳氧性能明顯好于其它組合，這是由于凹葉圓盤渦輪槳的拋物型葉面更符合流體力學，在葉片后不形成較大的氣穴，因此有更多的氣體被打散進入流體循環中，從而導致該組合的氣體分散性能最佳。

Iranzo等[11]以細胞培養基為機制，對不同的槳型進行模擬研究發現：穿孔的Rushton渦輪與傳統的相比并沒有顯著提高氣含率。這主要是因為葉片開孔后，流體從開孔流過葉片，導致葉片后部的液相速度變大，破壞了葉片后部的氣穴，在葉片后由于負壓而聚集的部分氣體被驅散；斜葉圓盤渦輪式提高了氣含率，迎流面和背流面的壓差越小，形成的氣穴越小，便于氣體分散。而Rushton槳由于前后壓差較大，形成的氣穴較大，不利于氣體分散；上翻式攪拌槳顯著提升了氣液混合，產生了較高的氣含率和相界面積。較好的攪拌槳組合是下層為圓盤渦輪槳、上面兩層是上翻軸流槳。Zhu等[12]也指出上翻式攪拌槳的湍流功率準數不受通氣速度的影響，氣含率大，總體流場和液體速度并沒有為低通氣速度所影響，而下壓式攪拌槳受通氣速度的影響較大，得出上翻式攪拌槳明顯優于下壓式攪拌槳。

夏建業[13]利用黏度為280 mPa?s的液體模擬，結果發現KLa（體積氧傳遞系數）與槳型沒有直接關系，而是同反應器內具體的流場參數如能量耗散率分布、氣液比表面積等直接相關。即使在不同的組合中使用同一個槳葉，傳質系數也是不一樣的。需要指出的是，在中高黏物系中這種狀況尤其明顯，因為受到流場等的影響，單個槳葉的傳質效果將明顯不同。

2 操作條件對分散特性的影響

在中高黏物系中，通氣量和攪拌轉速對傳質的影響有別于純水和空氣。Vyakaranam等[14]利用3層Rushton攪拌槳對中等黏度流體進行試驗，總結研究發現在雷諾數較小（轉速較小）的情況下，攪拌槳的漩渦形成主要以這組組合槳的最上端和最下端的兩個漩渦最大，攪拌槳間各有兩個小漩渦；隨著轉速的增大，漩渦連接起來，形成兩個大蝌蚪狀漩渦；雷諾數再增大，漩渦的中心向中間移動，至中間槳葉的上下兩端，漩渦呈翅膀狀。這表明隨著轉速的增加，攪拌槳的良好混合區擴大，氣泡帶動區也隨之擴大，使釜內死區體積明顯減小，在低轉速下，最小氣泡出現在釜底，該區域聚并概率小；隨著轉速的增加，氣體由分布器出來后直接沿軸上升，由此釜底氣泡尺寸明顯增大，最小氣泡出現在分布器周圍；在一定轉速下，氣泡尺寸隨轉速增大而減小，均勻性好，超過這一轉速，氣泡尺寸隨轉速的增大而增大，均勻性變差。

段所行[15]以黃原膠溶液對最大葉片槳葉進行研究發現：增大通氣量和轉速均有利于提高總體氣含率，但轉速對總體氣含率的增加效果更加明顯。隨著通氣流量的增加，高氣含率處增加顯著，但總體氣含率分布形式基本保持不變，增大通氣量提高局部氣含率，但對改變死區影響不大。隨著通氣量增大，上循環區和下循環區大部分區域氣泡尺寸明顯增加，氣泡聚并概率增大。雖然通氣量增大有利于增大傳質系數，但是氣含率分布的不均勻程度也明顯增大。而且這項研究是利用最大葉片槳葉，改變槳葉后操作參數的影響是否會有大的變化尚不清楚，比如最小氣泡的出現處、整體氣含率的不均勻程度等。

Caval等[16]討論了表面黏度、生物量濃度（Cx，g/L）、功率輸入（PG）、表觀氣速（ug）對氣液質量傳遞系數的影響，得出生物發酵液傳質系數與以上變量之間的關系式為式（1）。

Caval等指出在較高轉速下，氣泡的停留時間增加，使循環速度比未充氣時低，同時氧氣的濃度梯度降低，改變了傳質效果。在低黏度下，增加通氣速度可以改善槽內氣含率，但是黏度增加后這種效果將逐漸減弱，氣液傳質將主要集中在攪拌槳區域，形成大氣泡和較高上升速度。然而這項研究對于局部的傳質說明不足，因為總體傳質系數不能反映局部傳質的不均勻程度，在如何減少死區、轉速的最大臨界值等問題上沒有給出具體的答案。

3 黏度對分散特性的影響

流體黏度的增大會改變氣泡的平均直徑、湍流動能耗散率以及表面張力，這些參數的改變會導致碰撞速率和接觸面積的改變，進而影響碰撞頻率，從而使氣泡的聚并速率降低。Cai等[17]指出，在低黏度的溶液中單個氣泡的上升速度隨著氣泡尺寸的增大而增大，但是有極值，在高黏度中沒有；并指出了中高黏物系中曳力系數和雷諾數之間的關系。

黏度的增加通過影響氣泡的參數進一步影響氣含率。Moraveji等[18]以低黏度的脂肪醇為介質進行研究發現，與純水相比，平均氣泡尺寸減小，而氣含率和交界面的質量傳遞系數增加，認為脂肪醇相當于氣泡聚并的抑制劑，改變了液體的整體性質，減小了液體的循環速度和表面張力，它的影響效果取決于它所含有的碳原子數。說明脂肪醇阻礙了氣泡的聚并，改變了氣泡表面的排液系數，使整體的氣泡尺寸減小。

Zhang等[19]研究發現氣含率與黏度之間關系如式（2）所示。

在非聚并體系中，氣泡聚并受到抑制，在攪拌區產生的小氣泡可以在其它區域維持原有直徑，因此黏度較低時全槽范圍內氣泡大小較為均勻，而且比在聚并體系中小得多；黏度增大時，由于攪拌槳尺寸和流體物性的原因，氣泡不均勻性增大。非聚并體系主要是指高黏流體、粒子濃度較大的電解質溶液和含有表面活性劑的體系。

Calderbank[20]、Parthasarathy[21]、Bhavaraju[22]等提出了氣泡平均尺寸方程式，如式（3）。

式中，μL表示牛頓流體的黏度，對于非牛頓流體采用Casson黏度；σ表面張力，N/m。

Caval等[16]發現對于低黏度的含有聚合物、電解質的溶液或者發酵液，氣泡的聚并較少，氣泡尺寸較小，但是隨著黏度的進一步增大，比如表觀黏度大于10 mPa?s的發酵液則展現出非牛頓流體行為，氣泡的聚并和破碎被打破，大氣泡形成，氣液相界面積減小，溶液中氣相分布極度不均勻，沿著中軸線形成較高上升速度的大氣泡路線。需要強調的是，這里指出氣泡的聚并和破碎規律被打破，大氣泡形成，是黏度增加時傳質效果大大降低的主要原因之一。Moilanen等[23]研究發現黏度的提高降低了總體的湍動能、液體的流動速率以及氣泡的滑移速度，但是氣含率和氣泡尺寸增加，降低了流動性能，使大部分區域成為死區，氣泡尺寸分布更加廣泛，大氣泡所占的體積占據氣含率的大部分。需要指出的是氣含率增加，傳質效果可能減弱，然而該文獻沒有給出全釜的氣泡尺寸分布，這樣對傳質的研究意義不大。

黏度增加使傳質效果大大降低，主要傳質集中在攪拌槳區域。夏建業[13]通過 CFD模擬非牛頓流體發現，發酵液非牛頓性質增強，體積氧傳遞系數降低，這可能是由于受到非牛頓流體的影響使得反應器內湍流能量耗散率降低，從而使氣液界面上的氧傳遞系數降低；反應器內氣含率也受非牛頓流體的影響而很小，這就造成氣液比表面積降低，也使得氣液氧傳遞系數降低。這一點與 Garcia等[24]在黃原膠發酵時得到的結果一致。但對非牛頓流體中如何增加傳質以及內部氣體的分布等問題上沒有做進一步的研究。

4 計算流體力學模型修正

目前關于水和空氣的數值模擬已經取得很好的結果，一般采用歐拉兩相流模型，將液相以連續相處理，氣相以分散相處理，湍流模型采用k-ε模型，動靜區域一般以多重參考系模型或滑移網格法處理。關于水和空氣體系下相間作用力[25-26]、氣泡群聚并和破碎行為[27-28]以及氣液傳質模型[29]等方面的研究已有不少文獻涉及。對于中高黏度物系下氣液分散的模擬，是基于對上述模型的修正。

中高黏流體中曳力系數和雷諾數之間的關系[17]，即在高黏流體中很難形成較大雷諾數，曳力系數也隨之變化。Moilanen等[30]利用CFD在單一氣泡尺寸的假設基礎之上采用氣泡群曳力修正子模型，對不同濃度黃原膠溶液的氣液兩相傳質進行了模擬，并研究功率消耗、總體氣含率等。而對于非牛頓流體的處理，目前主要采用廣義牛頓流體力學模型[31]。

隨著黏度增加，氣泡分布的不均勻程度增大，大氣泡的體積占氣含率的大部分，但是傳質主要集中在槳葉周圍，以小氣泡傳質居多。Pinelli[32]對中黏物系下氣液兩相的傳質模型進行修正，采用兩分型氣泡模型，即將氣泡分為兩類，大氣泡和小氣泡，從而增加小氣泡傳質的因素考慮，使模擬曲線和實驗數據吻合。

黏度的增加改變了氣泡的聚并和破裂速率，Martin等[33]認為液體黏度會改變氣泡的聚合與破裂速率，由于韋伯數（We=ρut2d/σ）隨著液體黏度的增加而增大，氣泡更加穩定。同時由于氣泡表面的排液速率降低，氣泡的聚合速率降低。并在此基礎之上提出對DT槳的We數修正模型。這對改變黏性流體中氣泡的聚并和破碎現象有一定的指導作用，也為模擬中高黏物系下氣液數值模擬提供了依據。

5 結 語

多相攪拌槽內氣液兩相分散是空間和時間上非常復雜的過程，如果液相為中高黏物系，這種分散的不均勻性更加突出。深入研究中高黏物系下氣液兩相分散特性，對多相攪拌槽的設計、放大提供參考。

（1）能減小氣穴的徑流式攪拌槳和上翻式的軸流槳更適合中低黏物系下氣液的攪拌；就單個攪拌槳而言，大覆蓋面式攪拌槳比較適合中高黏物系的攪拌。

（2）攪拌轉速比通氣量的影響效果更明顯。攪拌轉速增加，良好混合區和氣泡帶動區增加，氣泡的分布均勻性變好；通氣速度的增加雖然提高了氣含率，但是大氣泡體積占據氣含率大部分，對死區沒有改善，氣泡分布的不均勻程度增加。

（3）黏度或非牛頓性的增加減小了氣泡的碰撞頻率，低黏時氣泡平均尺寸較小，氣泡穩定；黏度增大，聚并和破裂打破，大氣泡增多（上升速度大）。

（4）中高黏度體系中雷諾數的減小、曳力系數的變化、氣泡聚并的減弱、氣泡分布的不均勻等各種現象需要更多與實驗相貼合的理論模型來模擬中高黏物系下的氣液分散。

雖然在這項研究上取得一定進展，但是尚有很多問題未解決，在數值模擬中，沒有提出較吻合的理論模型，黏度增加時，誤差較大；在實驗中，關于攪拌槳葉的影響區域、適合不同黏度體系的新型攪拌槳的開發、操作條件對各個參數影響的量化關系和機理、不同黏度的流體中氣體分散的差別等，目前都尚未有很深入的研究，需要進一步努力。

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Research progress of gas dispersion in stirred vessel w ith medium or high viscosity fluids

LI Hongxing1，WANG Jiajun2，FENG Lianfang2，JIN Zhijiang1
（1Institute of Chemical Process Equipment，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China；2State Key Lab of Chem ical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China）

Research progress of air hold-up，bubble size distribution and gas-liquid mass transfer in stirred vessel w ith viscous fluid were summarized from the perspective of experiment and simulation. The influences of impeller，operating conditions，viscosity or non-New tonian characteristics on gas dispersion were discussed. The combination of radical-flow impellers and up-pumping axial impellers could decrease the scale of air cavitation，and was suitable for low viscosity and moderately viscous fluids. The influence of agitation speed was more significant than air inflation rate. With increasing agitation speed，uniform ity of bubble distribution became better. Increasing air inflation rate enhanced air hold-up occupied by big bubbles. The non-uniform ity of air distribution became worse. Increasing viscosity or non-New tonian capacity changed the rate of collision of bubbles，making mean bubble size smaller. Correction of computational model for viscous fluids was presented and the direction of future research was prospected.

viscous fluid；gas-liquid flow；stirred vessel；dispersion

TQ 027.3

A

1000–6613（2012）07–1415–05

2012-01-04；修改稿日期：2012-02-16。

李紅星（1986—），男，碩士研究生。聯系人：金志江，教授。E-mail jzj@zju.edu.cn。