环流反应器研究进展

戚航铭　赵德智　宋官龙

摘 要：综述了环流反应器在国内和国外的研究进展。介绍了环流反应器的工作原理及不同的分类方法。详尽介绍了衡量反应器主要性能指标的特性参数，气含率，固含率，循环液速的概念及测量方法。阐述了环流反应器实际工业应用以及研究的局限性，并提出了环流反应器未来的研究与发展趋势。

关 键 词：环流反应器；气含率；固含率；循环液速

中图分类号：TQ 051 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）09-2171-04

Abstract： Loop reactor research progress at home and abroad was reviewed as well as industrial application. Working principle and classifications of the loop reactor were introduced. The parameters to reflect performance of the reactor were described as well as concepts and measurement methods of gas holdup， solid holdup and circulating fluid velocity. The limitations of application and research of the loop reactor were discussed， and future research and development trend of the loop reactor was proposed.

Key words： Loop reactor； Gas holdup； Solid holdup； Liquid velocity

环流反应器是一类气-液，气-液-固多相反应器，具有结构简单，操作便捷，造价低，能耗低等优点，近年来，由于其独特的流动及传质性能而得到广泛应用。无需机械搅拌就能达到很好的混合效果，不仅降低了生产成本，还使反应器内物料传质，传热效果良好。气升式环流反应器可以使流体定向的流动，在较低的表观气速下可以使固体颗粒悬浮，提高操作弹性和稳定性。在石油炼制[1]，化学工程，生物化工[2，3]，环境工程[4-5]，污水处理等方面得到广泛应用。

国外自20世纪50年代开始对环流反应器进行系统研究，国内对于环流反应器的研究也取得了很大进展，自1955年至今，从初始的针对气液，气液固的研究到中国石油大学（北京）刘梦溪等人将气液环流理论合理的应用到气固体系，使得气固体系的研究取得巨大进步[6-10]。

1 环流反应器的类型及工作原理

1.1 反应器结构

根据环流反应器的结构不同可分为内环流反应器和外环流反应器其结构如图1所示。由于气体或液体的鼓入而造成反应器内物料在反应器内部进行循环流动的反应器叫做内环流反应器。由于气体或液体的鼓入而造成反应器内物料在反应器外部进行循环流动的反应器叫做外环流反应器。二者流动形式都比较规则，能耗小，因此均能达到良好的传质和传热特性。

1.2 驱动流体的类型

（1）气升式环流反应器

气升式环流反应器是利用从反应器底部鼓入气体，使反应器内部上升区和下降区形成密度差而驱动反应器内物料形成循环流动其结构如图2所示。

（2）喷射式环流反应器

喷射式环流反应器是通过喷射装置把流体以大于20 m/s的速率喷入反应器内，利用喷射动能，使反应器内物料进行循环流动，其结构如图3所示。

（3）推进器式环流反应器

推进器式环流反应器适于处理黏度较高的流体，导流筒可以换热，但搅拌装置不易密封，维修困难，容易造成危险，对人员和环境都存在潜在的危险性。关于推进器式环流反应器还有待于科研人员进一步研究才能应用到实际。其结构如图4所示。

1.3 根据组成形式分

根据组成形式分可将环流反应器分为单级环流反应器和多级环流反应器。单级环流反应器结构较为简单，而多级环流反应器结构相对复杂的多，同时对于反应器内物料的传质和传热效果比较好。

2 环流反应器的特性参数

2.1 气含率

气含率是指气相在整个环流反应器内或反应器的局部区域内相对于其他相所占有的体积百分比。气含率分为整体气含率和局部气含率，是环流反应器的重要性能参数，而且影响着其它的性能参数。

气含率的测定方法有很多：膨胀法[11，12]，是根据通气前后反应器内液体的高度差来测量总体气含率的方法。差压法[13]，根据轴向位置不同截面的压力差来测量两截面间的平均气含率。电导探头法[14]和光纤探头法[15，16]，利用电信号或光信号感应气相或液相来测量反应器内的局部气含率。并且通过面积加权平均法还可以求得径向方向上的平均气含率[17-19]。目前测量气含率的主要方法是压差法。

在气-液两相及气-液-固三相体系中，当气体速度比较低时，气含率随着气体速度的增大而明显增大，当在较高气速条件下，气含率随着气体速度的增大而没有明显变化。刘敏等[20]把这种趋势的变化称为流态化变化。张同旺[21]认为气泡的尺寸随表观气速的升高而增大。而表观液速对气含率的影响非常小，基本可以忽略不计。

液体的黏度，表面张力会对气含率产生重要影响，降低液体的表面张力和黏度，可以使气含率的径向分布更加均匀。

王铁锋[22]认为反应器内部的平均气含率受固含率的影响不大，李红星[23]认为平均固含率增加，平均气含率下降；随着固含率的增加，气含率下降的比较缓慢。压力增加，气含率增加，但是当压力增加到一定值时，对气泡影响就很小了。

2.2 固含率

固含率是指在反应器内三相物系中固相所占的体积分率。对于环流反应器的研究，传统的二相系统的研究已经比较成熟，对于三相反应物系，固含率的研究对于三相反应物系的流体性能，传质及传热同样具有重要的意义。

目前测量固含率的常用方法有取样法[24-27]。取样法由于操作简单，费用低廉，已被大范围的采用。压差法通过测量反应器轴向不同截面的静压差来测量，与气含率有所关联，具有操作简单快捷等优点，但只可以测出局部的平均固含率。

影响固含率的主要因素有循环气速，液速，固体颗粒的装载量及反应器的结构等。张锴等[28]研究得出随着表观气速的增大，固体装载量的增加，粒径的减小，反应器中的固体径向分布趋于均匀。三相内环流反应器中，相同轴向位置中固含率随导流筒底部间隙的增高而减小，上升区轴向位置固含率波动幅度随导流筒直径的减小而降低，并且固含率随之减小[29]。当反应器内固体颗粒密度较小时，颗粒随气泡上升，反应器内固体颗粒分布均匀；当反应器内固体颗粒密度增大时，反应器内固体呈现上稀下稠分布。

2.3 循环液速

循环液速是指环流反应器中多相混合流体在各反应室内进行循环流动的速度。循环液速可以表征流体在反应器内的停留时间，衡量反应进行的程度以及反应周期，是环流反应器性能参数的重要指标。

测量循环液速的方法有脉冲示踪法，LDV法，超声多普勒测速仪法和热膜测速仪法。超声多普勒仪法可以测量反应器下降区的液速，但是受气泡的影响较大。热膜测速仪法是依据热膜附近不同流速流体所产生的热效应计算得到流体的局部速度，适用于低表观气速条件下的测量[30，31]。目前测量循环液速最常用的方法是脉冲示踪法。脉冲示踪法是在一定的反应条件下注入脉冲试剂，并用电导率仪测量反应器内试剂浓度的变化，以示踪剂浓度最大的两处峰值作为示踪剂循环一周所用时间，再根据流体的循环距离，计算出流体在反应器内的循环速度。测量循环液速最常用的方法是脉冲示踪法。

当气速较低时，循环液速随着气速的增大而增大；当气速较高时，由于反应器内液体的湍流程度加强，出现大量气泡碰撞和聚并，反而使得循环液速的变化不明显。

由于固含率的增大使得液体流动阻力增大，因而循环液速随着固含率的增大而减小[32， 33]。

反应器结构对循环液速的影响较为明显，循环液速随着下降区截面积的减小而减小，因为当下降区截面积减小时，液体的流动阻力增大。通常，循环液速随着导流筒的高度增加而增大，增加高径比可以使反应器内部液体的流动性能增强，但高径比有一个临界值，超过了临界值反而使反应器的流动性能下降[34]。徐绍莉等[35]在多管环流反应器中，以空气-水为实验物系，研究表明：循环液速随上升管表观气速增加而增大，随管径比的增大循环液速减小。

3 环流反应器实际应用

（1）在石油化工领域，环流反应器应用于重质油加氢处理过程，由于其拥有简单的结构，较高的循环液速，可以有效抑制加氢过程中反应器内产生的焦质。设备造价低廉，养护成本较低。日本改进外循环式碳化塔生产纯碱，消除了碳化塔内换热管易结疤、传热效率低和操作周期长等缺点[36]。

（2）在生物工程方面，环流反应器不仅仅操作方便，极大的缩短了发酵周期，应用于发酵工业和生物细胞培养。李稳宏等[37]将外环流反应器用于苏云金杆菌的发酵，不仅操作方便，还能缩短发酵周期，提高发酵水平。Chao Yaping等[38]采用气升式反应器取代机械搅拌和静态培养，在富氧条件下用不同的果糖浓度生产细菌纤维，培养效果更好且能耗较小。

（3）在冶金方面，环流反应器的优势更加明显，即环流反应器无需添加任何机械动力设备和复杂内构件，具有结构简单，制造成本低廉和运转操作安全等优点。赵兵[39]等设计的气升式吸附塔应用于CGA工业提金，性能指标好，操作便捷，处理量明显大于其它反应器。

（4）在污水处理方面，环流反应器的应用，使得污水处理量大大提高，缩短了处理周期，操作简捷，节约了成本。范轶[40]等利用含有多孔载体的环流曝气塔处理污水，其具有占地面积小，处理量高，处理效率高等优点。

4 结 论

环流反应器具有结构简单，操作方便，能耗低，成本低，反应器内物料的流动特性和传质特性等优点，在两相及三相反应系统中有着广泛的应用。虽然环流反应器在工业上已经得到应用，国内外研究者对反应器内的传质与传热及流动特性也以进行了较为深入的研究，但是在工业设计与放大中仍依靠经验，可见，对环流反应器进行更深入的研究具有深远意义。

参考文献：

[1]卢春喜.环流技术在石油炼制领域中的研究与应用[J].化工学报，2010，61（9）：2177-2185.

[2]洪厚胜，杨丽.用于微生物石油脱蜡的新型气升式环流反应器[J].化学工业与工程，2000，17（6）：311-315.

[3]江田民，杨海光，陈筛林，等.动态气升式环流反应器对生物除磷的强化作用[J].环境科学研究，2003，16（2）：35-38.

[4]刘越男，吕效平，韩萍芳.超声气升式环流反应器降解乐果水溶液的动力学研究[J].环境科学，2008，29（6）：1502-1507.

[5]陈筛林，郭茹.气升式环流反应器处理石化废水研究[J].河南化工，2011，28（8）：41-43.

[6]张喆.气升式环流反应器CFD优化研究[D].上海：上海交通大学，2009.

[7]Juan C Garcia，Antonio G Lavin，Mario Diaz.High liquid holdup airlift tower loop reactor（I）：Riser hydrodynamic characteristics[J].Journal of Chemical Technology and Biotechnology，2000，75：369-377.

[8]Olivieri G，Marzoccheiia A，Ommen J R van.Local and global hydrodynamics in a two-phase internal loop airlift[J]. Chemical Engineering Science，2007，62：7068-7077.

[9]金家琪，王莉，卢春喜，等.强制液体外循环气升式呢环流反应器的流体力学特性[J].化工学报，2007，58（7）：1677-1684.

[10]刘梦溪，谢建平，卢春喜，等.环隙气升式气固环流反应器内流体力学特性的理论[J].化工学报，2008，59（9）：2198-2205.

[11]Olivieri G，Marzocchella A，Salatino P.Hydrodynamics and mass transfer in a lab-scale three-phaseinternal loop airlift [J]. Chemical Engineering Journal ，2003 ， 96 ：45-54.

[12]Wongsuchoto P ， Pavasant P. Internal liquid circulation in annulus sparged internal loop airlift contactors[J].Chemical Engineering Journal ， 2004 ， 100 ：1 -9.

[13]张同旺， 靳海波， 何广湘，等.采用压力传感技术测量鼓泡床中的流体力学参数[J] . 化工学报， 2004 ， 55（2）：476-480.

[14]Zhang T W， Wang J F ， Luo Z， et al . Spatial profiles of gas holdup in a novel internal-loop airlift reactor [J] .Studies in Surface Science and Catalysis ， 2006 ， 159 ：521-524.

[15]Wang T F ， Wang J F ， Yang W G， et al . Experimental study on gas-holdup and gas-liquid interfacial area in TPCFBs[J].Chemical Engineering Communication ， 2001 ，187 ：251-263.

[16]LO C S ， Wang S J . Local hydrodynamic properties of gas phase in an internal-loop airlift reactor [J].Chemical Engineering Journal，2003，91：3-22.

[17]韩威，冯朴荪，沈自求. 气升式环流反应器中气含率的研究[J]. 化工学报，1985，2：225-232.

[18]肖洪伟，周力行，李荣先. 进口速度和含气率对气泡液体两相湍流影响的数值研究[J]. 空气动力学学报，2005，23（2）：235-236.

[19]于伟，王铁峰，汪展文. 两级气液内环流反应器内气含率和循环液速[J].化工学报，2008，59（5）：1108-1113.

[20]刘敏，郭志，史士东，等.加压气升式内环流反应器流动特性[J]，化工学报，2010，61（6）：1437-1442.

[21]张同旺.气升式环流浆态床流动与传质行为的研究[D].北京：清华大学，2005.

[22]王铁锋.气液（浆）反应器流体力学行为的实验研究和数值模拟[D].北京：清华大学，2004.

[23]李红星.三相连续环流反应器流体特性实验研究[D].北京：北京化工大学，2007.

[24]汪洋，徐春明，高金森，等.液固环流反应器中固体流速及固含率分布[J].化学反应工程与工艺，2003，19（3）：284-288.

[25]朱慧红，刘永民，于大秋.多室气升式环流反应器气，液，固三相相含率的研究[J].石油学报；石油加工，2004，20（6）：68-73.

[26]朱慧红，刘永民，于大秋.气液固三相环流反应器的研究进展[J].化工科技，2003，11（4）：48-52.

[27]王国峰，杨茹，张晓东等.高固相浓度下多孔板分布器对淤浆床内流动特性的影响[J].北京化工大学学报：自然科学版，2006，33（2）：13-16.

[28]张锴，赵玉龙，张碧江. 锥形鼓泡浆液反应器内气含率和固含率轴向分布研究[J]. 燃料化学学报，1993，21（4）：400-406.

[29]刘永民，张天雨，张文飞. 导流管结构对三相环流反应器相含率的影响[J]. 化学工程师，2011，192（9）：17-20.

[30]刘永民，袁乃驹. 多管环流反应器的气含率研究[J]. 化学工程，1998，26（2）：23-27.

[31]Krishna R，Urseanu MI，Van Baten JM. Three-phase eulerian simulationsof bubble column reactors operating in the churn-turbulent regime ： a scale up stratehy [J]. Chemical Engineering Science，2000，55（16）：3275-3286.

[32]王焕君，费黎明，陈定旺，等. 三相外环流反应器的流体特性[J]. 化学反应工程与工艺，1990，6（3）：40-47.

[33]Yagna Prasad K，Ramanujam T K. Liquid circulation velocity and overall gas holdup in a modified jet loop bioreactor with low density particles[J].Bioprocess Engineering，1994，10（3）：131-137.

[34]董永刚，严超宇. 环流反应器的研究现状与展望[J]. 现代机械，2009，4：85-89.

[35]徐绍莉，刘永民，孙桂大.多管气升式环流反应器的循环液速和气含率[J].石油化工高等学校学报，2000，13（1）：18-22.

[36]刘永民，张强，张克铮，等. 气升式环流反应器的流体动力学模型[J]. 石油化工高等学校学报，2001，14（4）：13-15.

[37]李稳宏，刘永强，孙晓红，等. 苏云金杆菌在外环流气升式反应器中[J].化学工程，2000，28（3）：42-44.

[38]Chao Yaping，Sugano Y，Shoda M. Effect of Addition of Water-Soluble Polysaccharides on Bacterial Cellulose Production in a 50-L Airlift Reactor [J].Biotechnology Progress，2001，17（4）：781-785.

[39]赵兵，卢立柱，谢慧琴. 气升式吸附塔在CGA 工艺中的应用[J]. 黄金，1997，18（6）：38-42.

[40]范轶，丁富新，杨海光，等. 含有多孔载体的环流曝气塔处理污水的研究[J]. 环境科学，2001，22（5）：83-86.