氣液兩相攪拌器的研究進展

1  前 言
 
氣液攪拌反應器廣泛應用在石油、化工、生物、制藥、食品等行業中。 比如在發酵過程中 ,攪拌的**要作用是要分散氣體 ,增加氣液接觸面積 ,提高氣液傳質速率。 針對適用于氣液兩相攪拌器的研究開發經歷了一個漫長的過程 ,這主要是由于氣液兩相流動狀態的復雜性所決定的。相比較而言 ,適用于氣液兩相攪拌器的研究要落后于單相流攪拌器的研究。近年來 ,隨著實驗測量技術及計算流體力學技術的發展 ,對氣液兩相流動行為的研究不斷深入 ,各混合設備公司及研究機構也加強了氣液兩相攪拌器的研究開發力度 ,出現了各種各樣的新型氣液兩相攪拌器。 本文將對氣液兩相攪拌器的研究歷史與現狀作簡單綜述。
2 Rushton 渦輪攪拌器
 
從 50年代開始 , Rushton渦輪一直被看作是氣-
 
液混合裝置的標準配置。 Rushto n渦輪攪拌器的結構比較簡單 ,通常是一個圓盤上面帶有六個直葉葉片 ,也稱為六直葉圓盤渦輪。 由于 Rushton渦輪在許多條件下能夠滿足工藝的需要 ,同時其結構非常簡單 ,容易加工制造 ,所以其應用還是比較廣泛的。 但是事實證明:這種結構并不是適用于氣液分散的**優結構。 V an 't Riet, Smith 等 [1, 2 ]發現 ,當用六直葉圓盤渦輪式攪拌器把氣體分散于低粘流體時 ,在每片槳葉的背面都有一對高速轉動的漩渦 ,漩渦內負壓較大 ,從葉片下部供給的氣體立即被卷入漩渦 ,形成氣體充填的空穴 ,稱為氣穴。 氣穴的存在使得攪拌器在充氣時的旋轉阻力減小 ,因而造成攪拌功率降低。功率的變化使得在裝置設計上出現一些問題 ,如果按不充氣的功率設計 ,會造成 
資源浪費的問題; 如果按充氣時的功率設計 ,一旦停止通氣 ,功率會迅速上升 ,容易燒毀電機。 氣穴的存在還會影響到攪拌槽內的氣液傳質能力。因為 ,氣體并不是直接被攪拌器剪碎而得到分散的。 氣泡的分散**先是在槳葉的背面形成較為穩定的氣穴 ,而后氣穴在尾部破裂 ,這些小氣泡在離心力作用下被甩出 ,并隨液體的流動分散**槽內其它區域。
3 彎曲對稱葉片攪拌器
 
氣穴理論所揭示的氣液分散機理對開發新型攪拌
 
器有重大意義。 氣穴使得 Rush to n渦輪的泵送能力降低。 在高氣速下 ,有時整個攪拌器被氣穴包圍 ,攪拌器近似空轉 ,效率很低。 為了改進 Rush to n渦輪攪拌器的缺點 , Smith等提出采用彎曲葉片的概念 ,并解釋了彎曲葉片相對于直葉葉片所具有的優點。 彎曲葉片可使其背面的漩渦減小 ,抑制葉片后方氣穴的形成。這種結構使該攪拌器具有如下優點: 載氣能力提高; 改善了分散和傳質能力; 由于通氣而造成的攪拌功率下降的程度減小。根據這些研究成果 ,各混合設備公司推出了采用彎曲葉片的攪拌器 , 其中有: Chemineer 公司的
 
CD-6,如圖 2所示; Lightnin公司的 R130攪拌器。 此
 
類攪拌器的葉片采用的是半管的結構。在湍流條件下 ,
 
其功率準數一般在 2. 8~ 3. 2之間 , 比 Rushton 渦輪要小得多。后來 ,瑞典 Scaba 公司及英** ICI公司將半管的結構作了進一步改進 ,推出了兩種**攪拌器 ,如圖 3,圖 4所示 ,葉片采取了深度凹陷的結構。
4  彎曲非對稱葉片攪拌器
 
在不充氣狀況下 ,對各種圓盤渦輪攪拌器來說 ,其流動一般呈對稱結構。但在充氣條件下 ,由于氣體的介

 
 
入 ,流動一般說來是非對稱的。 因此 ,在設計氣體分散攪拌器時 ,將葉片設計成相對于圓盤成對稱結構 ,并不是**優化設計。 1998年 , Bakker提出了采用彎曲非對稱葉片的想法 ,并據此開發了**新一代的氣液混合攪
拌器 BT -6 ( Bakker  Turbine ) , 并申請了**
 
( U SP5791780)。
 
BT-6攪拌器的特點是采用了上下不對稱的結構設計 ,上面的葉片略長于下部的葉片。 該設計使得上升的氣體被上面的長葉片蓋住 ,避免了氣體過早地從葉輪區域直接上升而逃逸 ,而是使更多的氣體通過葉輪區域在徑向被分散。 該設計既保留了彎曲葉片的優點 ,能減少葉片后方發生氣穴 ,同時又能提高氣體分散的效率 ,其性能均優于前述的各種徑向流氣液分散攪拌器。
圖 6是在不充氣狀態
 
時 Rush ton 渦輪 ( D-6) , CD-6, BT -6攪拌器的攪拌
 
功率曲線。 從圖中可以看
 
出 , 在湍流區域 , 對 Rush-  
ton渦輪其功率準數為 4. 6 圖 5  BT -6攪拌器
~ 5. 2,對于 CD-6約為 2. 8  
~ 3. 2,而對于 BT -6僅約為 2. 3。 B T-6的設計更趨合
 
理 ,因而其功率**小。
 
圖 7是在充氣狀態時三種攪拌器的功率變化曲
 
線。 從圖中可以看出 , Rush to n渦輪功率下降非常明顯 ,僅為不充氣時的 25% 。 對于 CD-6,充氣后功率降為原來的約 70% 。 BT -6在充氣后功率變化較小 ,為不充氣時的 80% ~ 85% 。
 
良好的結構設計不僅能夠提高氣體處理量 ,而且能夠提高氣液間的傳質速率。 實驗結果表明 , CD-6的氣液間的傳質系數較 Rushton 渦輪提高了 40% , 而BT-6 的氣液間傳質系數較 Rushton 渦輪提高了 60% ,傳質效果明顯加強。
圖 7  通氣時三種攪拌器的功率曲線
 
5  軸流式攪拌器
 
近年來 ,氣液分散攪拌器的另一個發展趨勢是軸流式攪拌器的設計開發。軸流式攪拌器的特點主要有:能耗低 ,循環量大 ,剪切性能溫和等。在許多裝置 ,尤其是生化反應器方面應用得越來越廣泛。 **內外軸流式攪拌器的應用已經很多 [3 ] ,較典型的有 Pro Chem 公司的 Max flo。 在 800 L罐曲霉的培養下 ,使用該軸流槳比傳統的 Rush to n渦輪傳質系數提高 40% ,功耗降低
 
50% 。 還有美** Lightnin公司的 A315攪拌器。 A315
 
特別適合于氣液傳質過程 ,在直徑大于 1 m 的實驗裝置中 ,同樣的輸入功率下 , A315槳的持氣量比 Rush-ton渦輪高 80% ,氣體分散量提高 4倍 ,同時產量提高
10% ~ 50% ,其剪切力僅為 Rushto n渦輪的 25% , 較
 
適合于對剪切敏感的過程 ,如微生物的發酵過程等。此
 
外 ,還有德** Ekato 公司的 InterMig ,法** Ro bin公司的 HPM 等。 此類攪拌器的直徑均較傳統的 Rushto n 渦輪要大 ,約為槽內徑的 47% ~ 60% 。
 
**內在軸流式攪拌器的研究開發方面已取得許多進展。 北京化工大學開發了 CBY系列攪拌器 ,并對各種工況下的流動場、功耗、以及攪拌器的受力等進行了


系統的研究 ,而且已經將其成功的推廣應用 ,取得了較好的經濟效益。華東理工大學開發了翼形槳 ,并提出采用組合槳 [4, 5 ]。 如在青霉素發酵中采用下為 Rushto n 渦輪 ,上為翼形槳的組合。用這種組合代替多層渦輪槳可使主體混合速率提高約 40% 。無錫輕工大學開發了適用于中低粘物系的 LA攪拌器和適用高粘物系的 M T 攪拌器[ 6]。江蘇石油化工學院開發了 JH軸流式攪
 
拌器[7 ]。
 
6  結語及展望
 
近年來 ,隨著先進測試技術 (如 PIV , LDV 等 )及計算流體力學的發展 ,對氣液兩相體系流動場的研究越來越多 ,而且越來越深入。 如 Friberg [8 ]將 Mo rud[9 ] 的計算從二維擴展到三維 ,在三個方向均得到了較好的計算結果 ,而且在計算中還捕捉到了位于葉輪后方的氣穴。**近 , Wu[ 10]將 Rev stedt[11 ]的大渦模擬方法擴展到了兩相流動 ,采用歐拉 -拉各朗日法計算了雙層渦輪槳攪拌槽內的氣 -液兩相流動。其計算結果雖然沒有與實驗數據進行定量比較 ,但這種方法卻是令人鼓舞的。有理由相信 ,將來會有更多高性能的氣液攪拌器被開發出來 ,并被推廣應用。
草草影院发布页_女司机深夜福利视频_亚洲综合色在线视频久