双层桨自吸式反应器的气含率特性

高 勇，郝惠娣，党 睿，高平强，亢玉红，王战辉

（1.榆林学院 化学与化工学院 陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，陕西 榆林 719000；2.西北大学 化工学院，陕西 西安 710069）

在气液反应器中，气含率（ε）是影响气液传质效果的重要因素，与气泡平均直径一起决定了气液相界面积和传质速率。ε给出了反应器中气相的体积分数及气相的停留时间，与反应器的几何结构、搅拌桨的型式、搅拌转速和流体性质等有关［1］。现阶段对ε也进行了广泛的数值模拟［2-5］和实验研究［6-9］，取得了一定的成果。郑海飞［10］认为搅拌转速增大，桨叶对气泡的剪切作用增强，有利于气泡的破碎，ε增大；范芳怡［11］认为黄原胶质量分数的增加，使得搅拌釜内的湍流强度减弱，气泡溢出速度减慢，延长了气体在搅拌釜内的停留时间，ε增加。但现有文献中对下层桨的型式及结构尺寸对ε的影响缺乏深入的研究。对于单层桨自吸式反应器，搅拌桨排出的流体沿径向到达器壁，在浮力作用下，气泡从液面溢出，因此气泡只存在于上层桨和液面之间，ε较低，且降低搅拌桨的安装高度，并不能够提高ε。为了改善气液接触，提高ε，采用双层桨结构，利用下层桨将气体拖曳到两层桨之间和下层桨与器底之间，因此下层桨必须具有较强的分散气体能力和给上层桨供应液体的能力。

本工作在前期研究基础上，考察下层桨叶型式、下层桨安装高度（L3）、下层桨桨叶角度（θ）、下层桨叶片长度（L/D）、下层桨叶片宽度（W/D）对双层桨自吸式反应器ε特性的影响，对于预测氧传质系数的主要影响因素具有重要的参考作用。

1 实验部分

1.1 实验装置

双层桨自吸式反应器是内部带有定子的平底有机玻璃搅拌槽，实验中选用具有强径向作用的六直叶圆盘桨（6SBDT）作为上层桨，具有上扬操作的六叶上斜叶桨（6PBUT）和下压操作的六叶下斜叶桨（6PBDT）作为下层桨，结构见图1。由图1可知，搅拌槽直径为300 mm，桨叶直径为100 mm，上层桨距液面距离为150 mm，两层桨间距为100 mm，气体分散通道外径为190 mm，气体分散通道叶片角度为30°，实验介质为35%（w）的蔗糖水溶液。

图1 双层桨自吸式反应器结构Fig.1 Structure of double-impeller self-inspirating reactor.

1.2 ε 的计算

采用测量反应器内液位的方法计算ε，见式（1）。转速均在临界转速之上［1］。

式中：Hg为吸气后反应器内液位，mm；H0为搅拌前反应器内液位，mm。

将有定子时功率消耗与无定子时功率消耗之比定义为相对功率消耗（RPD），RPD 越小搅拌桨原有的输送能力降低的越多，泵送效率越低。

2 结果与讨论

2.1 下层桨型式的影响

图2为下层桨型式对ε的影响。由图2可知，6SBDT+6PBUT 组合的ε高于6SBDT+6PBDT 组合的ε。在双层桨自吸式反应器中，气体吸入和分散是由两个不同的桨叶来实现的，上层径向流桨和定子共同吸入气体，下层轴向流桨将气泡分散到整个反应器中。6SBDT+6PBDT 组合的功率准数高于6SBDT+6PBUT 组合的功率准数［12］，在相同单位体积功耗时，达到的搅拌转速较低，不能有效分散气体。同时6SBDT+6PBDT 组合的气体吸入临界转速比6SBDT+6PBUT 组合的高，表明6SBDT+6PBDT 组合在相同的搅拌转速下，可以处理的气体量较少。而6PBUT 桨属于具有上扬操作的轴向流型搅拌桨，反应器内湍流程度剧烈，可以使气泡在反应器内充分循环，促进气体吸入速率，ε较高，反应器内流场可以达到较好的载气状态甚至是完全分散状态，为微生物细胞增殖提供合适的反应条件。

图2 下层桨型式对ε 的影响Fig.2 Effects of lower impeller type on gas holdup(ε).

2.2 L3 的影响

桨叶组合为6SBDT+6PBUT 时，L3对ε和RPD的影响见图3。由图3可知，ε随L3的增大而减小。在双层桨自吸式反应器中，ε在很大程度上依赖于上层桨吸入气体的速率，而上层桨吸入气体的能力又依赖于下层桨向上层桨泵送液体的能力。随着L3增大，RPD 减小，下层桨向上层桨泵送液体的能力减弱，一方面减弱了上层桨吸入气体的能力，另一方面减弱了下层桨向反应器底部拖曳小气泡的能力，因此ε减小，气液两相间的传质速率降低。

图3 L3 对ε 和RPD 的影响Fig.3 Effects of installing height of lower impeller(L3) on ε and relative power demand(RPD).

通过对ε与L3的拟合，得到如图4所示直线，斜率为-0.11，则有关系式ε∝存在。

2.3 θ 的影响

桨叶组合为6SBDT+6PBUT 时，θ对ε和RPD 的影响见图5。由图5可知，ε随着θ的增大而减小。当θ=30°时，ε最高，此时RPD 下降的幅度最小，可有效加快反应器内气体再循环，提高气液传质效率。随着θ的增大，RPD 下降的幅度增大，当θ=90°时，下层桨实际为径向流的直叶桨，并不会产生向上的轴向流，泵送效率最低，上层桨吸入气体的能力降低，ε降低将会导致氧传质效率较低。

通过对ε与θ的拟合，得到如图6所示直线，斜率为-0.56，则有关系式ε∝θ-0.56存在。

2.4 L/D 的影响

桨叶组合为6SBDT+6PBUT 时，L/D对ε和RPD的影响见图7。

由图7可知，ε随L/D的增大而降低。双层桨自吸式反应器内的ε一方面受吸气量的控制，另一方面受下层桨载气能力的影响［13］。随着L/D的减小，RPD 增大，下层桨沿轴向泵送液体的能力提高，促进了上层桨吸入气体速率。同时L/D越小，输入相同的功率产生的搅拌转速越大，使桨叶拥有更大的剪切速率，更有利于气泡的破碎，且下层桨载气能力高，气泡在反应器中停留时间长，ε较高，气液相界面积也较大，更有利于反应器内传质效率的提高，从而极大的增加了反应器的产率。

图6 ε 与θ 的拟合曲线Fig.6 Fitting curve of ε and θ.

图7 L/D 对ε 和RPD 的影响Fig.7 Effects of blades length of lower impeller(L/D) on ε and RPD.

通过对ε与L/D的拟合，得到如图8所示直线，斜率为-0.62，则有关系式ε∝（L/D）-0.62存在。

图8 ε 与L/D 的拟合曲线Fig.8 Fitting curve of ε and L/D.

2.5 W/D 的影响

桨叶组合为6SBDT+6PBUT 时，W/D对ε和RPD 的影响见图9。由图9可知，ε随W/D的增大而降低，当W/D=0.2 时，反应器内的ε最高。随着W/D的增大，下层桨旋转时的径向作用增强，轴向作用减弱，同时RPD 随W/D的增大而减小，使下层桨旋转时沿轴向泵送液体的效率下降，ε降低，也会导致氧传质效率降低。

通过对ε与W/D的拟合，得到如图10所示直线，斜率为-0.26，则有关系式ε∝（W/D）-0.26存在。

综上 所 述，当L3，θ，L/D，W/D增大 时，RPD 降低，下层桨向上层桨泵送液体的能力降低，分散气体的能力较弱，ε较小，即当L3=0.05 m，θ=30°，L/D=0.125，W/D=0.2 时，下层桨具有较高的泵送效率和气体分散能力，ε较高，可增加气液相界面积，提高气液传质速率。确定ε与下层桨结构尺寸的关系为：ε∝L-30.11θ-0.5（6L/D）-0.6（2W/D）-0.26，可定量的表示ε随下层桨结构尺寸变化的规律，对于预测氧传质系数的主要影响因素具有重要的参考作用，从而有效地指导双层桨自吸式反应器的设计及放大。

图9 W/D 对ε 和RPD 的影响Fig.9 Effects of blades width of lower impeller(W/D) on ε and RPD.

图10 ε 与W/D 的拟合曲线Fig.10 Fitting curve of the ε and W/D.

3 结论

1）桨叶组合为6SBDT+6PBUT 时，上层桨吸入气体的速率较大，反应器内湍流程度剧烈，使气泡在反应器内充分循环，ε较高，可以促进气液传质。

2）L3，θ，L/D，W/D增大时，RPD 降低，下层桨向上层桨泵送液体的能力降低，分散气体的能力较弱，ε较小，即当L3=0.05 m，θ=30°，L/D=0.125，W/D=0.2 时，下层桨具有较高的泵送效率和气体分散能力，ε较高，可增加气液相界面积，提高气液传质速率。

3）双层桨自吸式反应器的ε与下层桨结构尺寸的关系为ε∝L-30.11θ-0.56（L/D）-0.62（W/D）-0.26，可有效的预测容积传氧系数的主要影响因素，指导双层桨自吸式反应器的设计及放大。