三相機械攪拌反應器氣液傳質

楊立紅

摘 要：三相機械攪拌催化反應器當中的宏觀反應過程主要有和液相和液固間傳質，我們在這一過程中采用的是細顆粒的催化劑，液固表面的面積非常大，液固界面的位置的傳質阻力不能準確的估計出來，而氣液間的傳質過程主要有氣相中反應物和產物，其一般是三相催化反應的氣體組分在液相介質當中的溶解度并不是很大，氣相傳質一般是可以不計的，但是在這一過程中必須要充分的考慮到液相傳質的影響。

關鍵詞：三相機械攪拌反應器；液相容積傳質系數；操作參數

當前，有關固體顆粒粒徑、密度等多種固體性質的材料對三相攪拌混合體系傳質影響的研究還不是十分的廣泛，也不是十分的到位，但是這種研究已經在不斷的深入和發展，科學技術也在改進和完善，在這樣的情況下，三相機械攪拌反應器氣液傳質也就可以在更好的背景下求得發展。

1 實驗部分

1.1 反應器

實驗在內徑60mm、高220mm、壁厚5mm的有機玻璃制蝶形底自吸攪拌式反應器中進行，攪拌器由一根不銹鋼10mm×2mm空心軸和直徑30mm的兩圓盤組成，兩圓盤外緣加4根肋條，空心軸上端開有2個3mm的小孔，下端兩圓盤間亦開有3個2mm小孔，下圓盤離反應器底間隙為20mm，反應器內壁裝有4塊寬6mm的縱向條形擋板，以增強液相湍動并防止出現旋渦。當自吸式攪拌器以一定速度旋轉時，在兩圓盤間形成負壓，反應器內液面上方的氣體由空心軸上端小孔處吸入，沿空心軸向下，并由下端圓盤間小孔鼓出，氣泡從槳端逸出，運動至釜壁，被兩圓盤邊緣的擋板打碎成很小的氣泡，分散通過反應器內淤漿床.通過劇烈的攪拌，氣體在反應器內形成循環，固體顆粒懸浮在液體中，氣體與顆粒充分接觸。

1.2 實驗條件

實驗介質用空氣、水、液體石蠟以及黃沙、石英砂、甲醇合成催化劑XNC98.黃沙顆粒密度2609kgm-3，粒徑為0.375～0.140mm（40～120目的相鄰目數篩孔尺寸的算術平均值），石英砂顆粒密度2426kgm-3，催化劑XNC98顆粒密度1969kgm-3，實驗操作條件：表觀氣速0.10×10-2～1.50×10-2cms-1；固體濃度0～0.34gml-1溶劑；攪拌轉速450～1500rmin-1；水和液體石蠟的物性數據來源于大量文獻，在實驗溫度下，25℃時水的黏度0.894×10-3Pas，水的密度997kgm-3，溶解氧在水中的擴散系數2.407×10-9m2s-1，水的表面張力0.07194Nm-1.40℃時液體石蠟的黏度0.01048Pas，液體石蠟的密度837.54kgm-3，溶解氧在液體石蠟中的擴散系數0.6396×10-9m2s-1，液體石蠟表面張力0.02769Nm-1。

1.3 實驗流程

在該實驗當中主要采用容氧電機動態法去測定KLa，在反應器的上部還要插上溶解氧電極，這樣就可以十分有效的測定液相當中實時的含氧量，溶氧儀采用的是專業的溶氧儀，在攪拌轉速的控制上，我們采用的是可控直流調速儀進行處理。傳質系數測定。

在空氣經過了壓縮處理之后，要經過減壓閥進行減壓控制，這樣也就能夠充分的保證緩沖罐穩壓的情況，轉子流量計計量，主要是通過反應器頂蓋上方的位置進氣管引入，在經過了擋板沖擊折流之后經過三相攪拌淤漿床，之后再將氣體通過放空閥進行防空處理，在開展測定工作的時候，我們首先要通入適量的氮氣，此外，其在數量上也要保持在合理的范圍當中，使得溶氧儀上的液相氧含量能夠降低到滿足要求的水平上，對初始含氧量進行科學準確的記錄，之后再中止氮氣的通入，將三通閥直接切換到通入空氣的狀態，在看到了空氣炮開始進入到攪拌反應器之后，對其進行計時處理，此外還要在這一過程中對液相當中氧的濃度進行記錄。

2 實驗結果集討論

分別將水和醫用液體石蠟當作液相，在研究的過程中采用單因素法對實驗點進行設定，對操作因素和液體性質以及固體顆粒粒徑、密度等固體性質在內的無形因素對液相容積傳質系數的影響進行研究，在以上的實驗條件下一共測定了146個數據。

2.1.1 表觀氣速與固體濃度的影響

從實驗結果上我們可以充分的看出，不論是空氣、水、黃沙體系還是空氣液體石蠟，該體系在固體濃度處于穩定狀態下會隨著表觀的氣速增大而使得液相容積傳質系數也不斷的增大，同時在同一個表觀的氣速條件下，液相容積傳質系數在這一過程中也能得到顯著的提升。

在三相攪拌體系的角度上來講，固體濃度對液相容積傳質系數的影響具有非常明顯的復雜性，一方面，因為一定固體物質的加入，使得氣液兩相占據的空間在不斷的減少，這樣也就使得企業比表面積都呈現出減小的狀態，從而也對傳質的過程產生了非常顯著的影響，另外，如果懸浮液的表觀黏性因為固體物的影響而不斷的增大，就會使得固體濃度不斷增大的時候，體系的密度和摩擦都呈現出顯著的上升的狀態，這樣也就適當的流體的阻力也一直都呈現出逐漸走高的狀態。在攪拌速度完全相同的條件下，使得液體流動的阻力也在這一過程中顯著的增加。在攪拌速度完全相同的條件下，液相的湍流強度和氣體分散的程度都在不斷的減小，氣泡合并的速度越來越快，氣液表面更新的速率顯著的降低，這樣也就使得企業表面積在不斷的減小。此外，考慮到固體顆粒一直都在每一個氣泡的凈值當中，其可以十分有效的對氣泡的聚集產生一定的抑制作用。另外，企業固體間的速度差也造成了較大的剪切應力，懸浮顆粒和氣泡的相對速度是分裂氣泡的一個非常有效的動能，顆粒在這一過程中也促進了對氣體的分散作用，這樣也就使得氣液比表面積都得到了顯著的提升。而在不同因素的相互作用當中，它主要是要看哪個因素占到了主體的位置。在本文的實驗條件之下，固體濃度對傳質的影響主要表現為液相容積傳質系數會隨著固體濃度的增加而不斷的增大。

2.1.2 固體性質的影響

分別在空氣、水體細和空氣液體石蠟體系當中使用黃沙、石英砂和催化劑當作固體，對不同固體性質對液相容積傳質系數進行了研究。

在氣-液-固三相體系，固體顆粒的存在影響液體循環，改變氣泡聚并，從而影響傳質性能，究竟導致液相容積傳質系數上升還是下降，取決于顆粒粒徑、密度、固體濃度以及液相的物理化學性質等因素的綜合影響。由實驗結果來看不論是水體系還是液體石蠟體系，不同固體的液相容積傳質系數是不同的，順序分別為：黃沙<石英砂<催化劑XNC98，不難看出，顆粒密度減小，有利于液相容積傳質系數的提高，這可能是因為固體密度越小，相同攪拌轉速下，液體向上流動所克服顆粒的沉降阻力較小，顆粒易于懸浮，相同的顆粒粒徑和固體濃度下，固體密度越小，則體系中懸浮的顆粒數量越多，利于氣體的破碎分散，阻止氣泡的聚并，使氣液比表面積增加，促進傳質。

結束語

在本文實驗條件下，對于自吸式機械攪拌三相淤漿反應器，液相容積傳質系數隨著表觀氣速、攪拌轉速以及固體濃度的增加而增加，隨著液體黏度的增加而減小，相同條件下，不同固體顆粒體系的液相容積傳質系數不同，液相容積傳質系數隨固體顆粒粒徑的減小而增加；隨固體顆粒密度的增加而減小。

參考文獻

[1]包雨云，高正明，施力田.多相流攪拌反應器研究進展[J].化工進展，2005（10）.

[2]金仁村，鄭平，陳建偉，屠展.三相逆流湍動床氣液傳質性能的研究[J].生物工程學報，2007（1）.