雙層槳自吸式反應器的氣含率特性

高 勇，郝惠娣，黨 睿，高平強，亢玉紅，王戰輝

（1.榆林學院 化學與化工學院 陜西省低變質煤潔凈利用重點實驗室，陜西 榆林 719000；2.西北大學 化工學院，陜西 西安 710069）

在氣液反應器中，氣含率（ε）是影響氣液傳質效果的重要因素，與氣泡平均直徑一起決定了氣液相界面積和傳質速率。ε給出了反應器中氣相的體積分數及氣相的停留時間，與反應器的幾何結構、攪拌槳的型式、攪拌轉速和流體性質等有關［1］。現階段對ε也進行了廣泛的數值模擬［2-5］和實驗研究［6-9］，取得了一定的成果。鄭海飛［10］認為攪拌轉速增大，槳葉對氣泡的剪切作用增強，有利于氣泡的破碎，ε增大；范芳怡［11］認為黃原膠質量分數的增加，使得攪拌釜內的湍流強度減弱，氣泡溢出速度減慢，延長了氣體在攪拌釜內的停留時間，ε增加。但現有文獻中對下層槳的型式及結構尺寸對ε的影響缺乏深入的研究。對于單層槳自吸式反應器，攪拌槳排出的流體沿徑向到達器壁，在浮力作用下，氣泡從液面溢出，因此氣泡只存在于上層槳和液面之間，ε較低，且降低攪拌槳的安裝高度，并不能夠提高ε。為了改善氣液接觸，提高ε，采用雙層槳結構，利用下層槳將氣體拖曳到兩層槳之間和下層槳與器底之間，因此下層槳必須具有較強的分散氣體能力和給上層槳供應液體的能力。

本工作在前期研究基礎上，考察下層槳葉型式、下層槳安裝高度（L3）、下層槳槳葉角度（θ）、下層槳葉片長度（L/D）、下層槳葉片寬度（W/D）對雙層槳自吸式反應器ε特性的影響，對于預測氧傳質系數的主要影響因素具有重要的參考作用。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

雙層槳自吸式反應器是內部帶有定子的平底有機玻璃攪拌槽，實驗中選用具有強徑向作用的六直葉圓盤槳（6SBDT）作為上層槳，具有上揚操作的六葉上斜葉槳（6PBUT）和下壓操作的六葉下斜葉槳（6PBDT）作為下層槳，結構見圖1。由圖1可知，攪拌槽直徑為300 mm，槳葉直徑為100 mm，上層槳距液面距離為150 mm，兩層槳間距為100 mm，氣體分散通道外徑為190 mm，氣體分散通道葉片角度為30°，實驗介質為35%（w）的蔗糖水溶液。

圖1 雙層槳自吸式反應器結構Fig.1 Structure of double-impeller self-inspirating reactor.

1.2 ε 的計算

采用測量反應器內液位的方法計算ε，見式（1）。轉速均在臨界轉速之上［1］。

式中：Hg為吸氣后反應器內液位，mm；H0為攪拌前反應器內液位，mm。

將有定子時功率消耗與無定子時功率消耗之比定義為相對功率消耗（RPD），RPD 越小攪拌槳原有的輸送能力降低的越多，泵送效率越低。

2 結果與討論

2.1 下層槳型式的影響

圖2為下層槳型式對ε的影響。由圖2可知，6SBDT+6PBUT 組合的ε高于6SBDT+6PBDT 組合的ε。在雙層槳自吸式反應器中，氣體吸入和分散是由兩個不同的槳葉來實現的，上層徑向流槳和定子共同吸入氣體，下層軸向流槳將氣泡分散到整個反應器中。6SBDT+6PBDT 組合的功率準數高于6SBDT+6PBUT 組合的功率準數［12］，在相同單位體積功耗時，達到的攪拌轉速較低，不能有效分散氣體。同時6SBDT+6PBDT 組合的氣體吸入臨界轉速比6SBDT+6PBUT 組合的高，表明6SBDT+6PBDT 組合在相同的攪拌轉速下，可以處理的氣體量較少。而6PBUT 槳屬于具有上揚操作的軸向流型攪拌槳，反應器內湍流程度劇烈，可以使氣泡在反應器內充分循環，促進氣體吸入速率，ε較高，反應器內流場可以達到較好的載氣狀態甚至是完全分散狀態，為微生物細胞增殖提供合適的反應條件。

圖2 下層槳型式對ε 的影響Fig.2 Effects of lower impeller type on gas holdup(ε).

2.2 L3 的影響

槳葉組合為6SBDT+6PBUT 時，L3對ε和RPD的影響見圖3。由圖3可知，ε隨L3的增大而減小。在雙層槳自吸式反應器中，ε在很大程度上依賴于上層槳吸入氣體的速率，而上層槳吸入氣體的能力又依賴于下層槳向上層槳泵送液體的能力。隨著L3增大，RPD 減小，下層槳向上層槳泵送液體的能力減弱，一方面減弱了上層槳吸入氣體的能力，另一方面減弱了下層槳向反應器底部拖曳小氣泡的能力，因此ε減小，氣液兩相間的傳質速率降低。

圖3 L3 對ε 和RPD 的影響Fig.3 Effects of installing height of lower impeller(L3) on ε and relative power demand(RPD).

通過對ε與L3的擬合，得到如圖4所示直線，斜率為-0.11，則有關系式ε∝存在。

2.3 θ 的影響

槳葉組合為6SBDT+6PBUT 時，θ對ε和RPD 的影響見圖5。由圖5可知，ε隨著θ的增大而減小。當θ=30°時，ε最高，此時RPD 下降的幅度最小，可有效加快反應器內氣體再循環，提高氣液傳質效率。隨著θ的增大，RPD 下降的幅度增大，當θ=90°時，下層槳實際為徑向流的直葉槳，并不會產生向上的軸向流，泵送效率最低，上層槳吸入氣體的能力降低，ε降低將會導致氧傳質效率較低。

通過對ε與θ的擬合，得到如圖6所示直線，斜率為-0.56，則有關系式ε∝θ-0.56存在。

2.4 L/D 的影響

槳葉組合為6SBDT+6PBUT 時，L/D對ε和RPD的影響見圖7。

由圖7可知，ε隨L/D的增大而降低。雙層槳自吸式反應器內的ε一方面受吸氣量的控制，另一方面受下層槳載氣能力的影響［13］。隨著L/D的減小，RPD 增大，下層槳沿軸向泵送液體的能力提高，促進了上層槳吸入氣體速率。同時L/D越小，輸入相同的功率產生的攪拌轉速越大，使槳葉擁有更大的剪切速率，更有利于氣泡的破碎，且下層槳載氣能力高，氣泡在反應器中停留時間長，ε較高，氣液相界面積也較大，更有利于反應器內傳質效率的提高，從而極大的增加了反應器的產率。

圖6 ε 與θ 的擬合曲線Fig.6 Fitting curve of ε and θ.

圖7 L/D 對ε 和RPD 的影響Fig.7 Effects of blades length of lower impeller(L/D) on ε and RPD.

通過對ε與L/D的擬合，得到如圖8所示直線，斜率為-0.62，則有關系式ε∝（L/D）-0.62存在。

圖8 ε 與L/D 的擬合曲線Fig.8 Fitting curve of ε and L/D.

2.5 W/D 的影響

槳葉組合為6SBDT+6PBUT 時，W/D對ε和RPD 的影響見圖9。由圖9可知，ε隨W/D的增大而降低，當W/D=0.2 時，反應器內的ε最高。隨著W/D的增大，下層槳旋轉時的徑向作用增強，軸向作用減弱，同時RPD 隨W/D的增大而減小，使下層槳旋轉時沿軸向泵送液體的效率下降，ε降低，也會導致氧傳質效率降低。

通過對ε與W/D的擬合，得到如圖10所示直線，斜率為-0.26，則有關系式ε∝（W/D）-0.26存在。

綜上 所 述，當L3，θ，L/D，W/D增大 時，RPD 降低，下層槳向上層槳泵送液體的能力降低，分散氣體的能力較弱，ε較小，即當L3=0.05 m，θ=30°，L/D=0.125，W/D=0.2 時，下層槳具有較高的泵送效率和氣體分散能力，ε較高，可增加氣液相界面積，提高氣液傳質速率。確定ε與下層槳結構尺寸的關系為：ε∝L-30.11θ-0.5（6L/D）-0.6（2W/D）-0.26，可定量的表示ε隨下層槳結構尺寸變化的規律，對于預測氧傳質系數的主要影響因素具有重要的參考作用，從而有效地指導雙層槳自吸式反應器的設計及放大。

圖9 W/D 對ε 和RPD 的影響Fig.9 Effects of blades width of lower impeller(W/D) on ε and RPD.

圖10 ε 與W/D 的擬合曲線Fig.10 Fitting curve of the ε and W/D.

3 結論

1）槳葉組合為6SBDT+6PBUT 時，上層槳吸入氣體的速率較大，反應器內湍流程度劇烈，使氣泡在反應器內充分循環，ε較高，可以促進氣液傳質。

2）L3，θ，L/D，W/D增大時，RPD 降低，下層槳向上層槳泵送液體的能力降低，分散氣體的能力較弱，ε較小，即當L3=0.05 m，θ=30°，L/D=0.125，W/D=0.2 時，下層槳具有較高的泵送效率和氣體分散能力，ε較高，可增加氣液相界面積，提高氣液傳質速率。

3）雙層槳自吸式反應器的ε與下層槳結構尺寸的關系為ε∝L-30.11θ-0.56（L/D）-0.62（W/D）-0.26，可有效的預測容積傳氧系數的主要影響因素，指導雙層槳自吸式反應器的設計及放大。