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1 簡介

    在許多過程中，氣液接觸是十分重要的，氣體需要與液體進(jìn)行充分且有效的接觸以提供足夠的質(zhì)量傳遞或熱量傳遞能力。比如有的氯化和磺化反應(yīng)是快反應(yīng)，這需要攪拌器能提供很高的傳質(zhì)強(qiáng)度；有的反應(yīng)需要吸收難以溶解的氧氣，這又需要攪拌器能提供很高的分散能力。

    早期研究認(rèn)為，氣液分散是氣體直接被攪拌器剪切成細(xì)小的氣泡而形成的。但近年的研究表明，氣液分散是受氣穴控制的。當(dāng)氣速過大或攪拌轉(zhuǎn)速過低時，整個攪拌器被氣穴包裹，氣體穿過攪拌器直接上升到液面，發(fā)生氣泛。

    氣液接觸過程的主要有有以下幾種：氣相和液相需要的停留時間分布、允許壓力降、相對質(zhì)量流率、是否逆流接觸、局部混合能力、是否需要補(bǔ)充或移出熱量、腐蝕條件、泡沫行為與相分離、反應(yīng)時需要的流型、反應(yīng)與傳質(zhì)的關(guān)系、層流和過渡區(qū)的流變行為等。這些因素又大都與攪拌器關(guān)系密切。

    攪拌槽內(nèi)的氣體分散大致有以下幾個狀態(tài)：氣泛狀態(tài)（大部分氣體未分散，氣泡沿攪拌軸直接上升到液面），載氣狀態(tài)（氣體基本得到分散，分布器以下分布不良），完全分散狀態(tài)。

2 氣液攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型

    氣液分散攪拌器主要有三種：通氣式、自吸式和表面更新式。

2.1 通氣式

    工業(yè)上約80％采用了通氣式攪拌器。通氣式常采用各種渦輪攪拌器，主要由氣體分布器、攪拌器、攪拌槽構(gòu)成。

2.2 自吸式

     自吸式機(jī)械攪拌反應(yīng)器，是攪拌槳具有開小孔的空心軸或在攪拌軸外裝有軸套，利用葉輪將液體甩出形成的負(fù)壓從液面上部吸入氣體，再靠槳葉分散氣泡。

    氣-液相接觸面積的大小顯著影響反應(yīng)速率的高低，一般的攪拌設(shè)備總是圍繞如何提高新鮮補(bǔ)充氣體的分散特性而設(shè)計制造的，但補(bǔ)充的新鮮氣體流量有時是十分有限的，這就嚴(yán)重制約了反應(yīng)速率提高。而自吸式攪拌機(jī)具備將釜內(nèi)液面上的氣體重新吸入并分散于液相的顯著特點，可大幅度提高氣含率和氣-液相的接觸面積，從而達(dá)到提高反應(yīng)速率的目的。

    自吸式氣液攪拌槳葉中氣泡從槳端逸出，呈球形，運(yùn)動至釜壁，經(jīng)擋板碰擊后分別向上向下形成兩個環(huán)流流動。就整個反應(yīng)器而言，氣泡在宏觀上分布比較均勻。氣泡直徑大多是2-3mm的圓球形氣泡，并不象通氣式攪拌中的氣泡要發(fā)生變形。

    這種攪拌器不需要氣體分布器，主要用在粘度很低的流體。普通的自吸式攪拌器只適用于深度不超過2.5m的反應(yīng)器，如果配上高效軸流槳，自吸式攪拌器的操作深度可達(dá)5m。目前這種深槽操作的自吸式攪拌器已經(jīng)在工業(yè)上得到了很好的應(yīng)用，取得了良好的效果。

    如果用在三相反應(yīng)中，比如液相加氫中有顆粒催化劑時，自吸式攪拌器則通常要配以能懸浮催化劑顆粒的攪拌器。

2.3 表面更新式

    表面更新式攪拌器利用攪拌產(chǎn)生的湍流使氣液接觸表面不斷更新，增加氣液傳質(zhì)。但是，由于既沒有外部氣體通入，又不能像自吸式攪拌器那樣吸入氣體，因此補(bǔ)充的氣體很有限，適用在所需氣體不多的場合。

3 流型與操作

    氣液攪拌體系的宏觀流動狀態(tài)大部分為湍流狀態(tài)。其中液體的流動主要與攪拌槳相關(guān)，可分為徑向流、軸向流和切向流，此處不再介紹，僅介紹氣體的流型。

3.1 氣體的流型

    氣體的流型控制著氣相的再循環(huán)和返混程度，并決定了氣液傳質(zhì)推動力。它還對液相的宏觀流動和均一程度有著顯著的影響。評價氣體返混的指標(biāo)是再循環(huán)比例。一般來說，大反應(yīng)器的氣體再循環(huán)比例要小于小反應(yīng)器的。氣速較小時，氣體的流動主要受攪拌器的影響；氣速較大時，則主要受氣速的影響。

    軸向流葉輪比徑向流葉輪能更好地控制氣體地流動。葉輪與氣體分布器地距離直接決定了氣體地流動，如下圖所示。

3.2 液體的混合時間

    液體的混合時間主要和氣速以及攪拌功率有關(guān)。液體溫度高時的混合要大大高于低溫時的。大氣速時，由于氣體的再循環(huán)比例減小，導(dǎo)致了液體的混合能力減弱。

    值得注意的是：多層槳的情況與單層槳的情況大不一樣，比如高徑比為3、采用3層槳的混合能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高徑比為1、采用單層槳的。

4 氣液分散與傳質(zhì)

    攪拌槽內(nèi)的氣液傳質(zhì)大都由液側(cè)阻力控制，比界面積越大，傳質(zhì)能力越強(qiáng)。因此比界面積直接決定了傳質(zhì)速率，而比界面積又是由氣液分散決定的。

4.1 葉輪形式對氣液分散的影響

4.1.1 直葉圓盤渦輪

    排量較大。圓盤可以阻止氣泡直接穿過攪拌器，從而降低泛點轉(zhuǎn)速，若沒有圓盤易發(fā)生氣泛。

4.1.2 斜葉圓盤渦輪

    屬循環(huán)剪切兼顧型。可獲得較好的氣液分散，氣含率和傳質(zhì)系數(shù)大，攪拌功率較小，泛點轉(zhuǎn)速較低。

4.1.3 彎葉圓盤渦輪

    和直葉圓盤渦輪相似，但降低了攪拌功率。

4.1.4半管圓盤

    直葉圓盤渦輪背面易形成氣穴而降低效率，而半管葉片的彎曲抑制了氣穴的形成，具有了以下優(yōu)點：

    載氣能力提高，泛點轉(zhuǎn)速提高；

    改善了分散和傳質(zhì)性能；

    泵送能力提高。

4.1.5 寬葉翼流型攪拌器

    葉輪區(qū)的面積率很大，延長了氣體的停留時間，且泵送能力強(qiáng)。

4.2 氣體分布器對氣液分散的影響

    氣體進(jìn)入攪拌容器的方式十分重要。氣體一般是在攪拌器下方被噴入容器，噴射環(huán)的直徑小于攪拌器直徑，這樣可以使氣體被充分分散，**大程度的增加氣液接觸面積。但是噴射環(huán)較小會導(dǎo)致攪拌葉片背后形成氣穴。工業(yè)中約有80％的氣體分布采用噴射環(huán)。

    大直徑、靠近槽壁安裝的環(huán)形分布器能有效防止氣泛的發(fā)生，但對氣體的分散能力降低了。

5 傳熱

    攪拌槽中的氣體行為從兩種途徑影響著傳熱系數(shù)：一是產(chǎn)生兩次循環(huán)流，提高湍流強(qiáng)度；一是氣泡在還熱面上附著，增大熱阻。

    斜葉圓盤渦輪＆直葉圓盤渦輪的組合式攪拌器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高，對氣速的變化不敏感。

6 多層攪拌器

    對高徑比大的攪拌容器，采用單層槳不能獲得好的混合能力時就需要采用多層攪拌器，比如在發(fā)酵工業(yè)中。

    多層攪拌器中，常采用多種型式的攪拌器組合以獲得較高的攪拌效果，使軸向循環(huán)能力和剪切分散能力得到綜合的平衡。比如，有的攪拌過程需要循環(huán)與剪切兼顧，這時采用了上兩層循環(huán)能力強(qiáng)的寬葉翼流型攪拌器，下層采用了剪切能力強(qiáng)的半管圓盤葉輪。

    不同層攪拌槳之間的層間距對氣體的分散效果有較大影響。增大層間距可使下層葉輪的分散性能提高，并能提高平均氣含率。

7 新型攪拌器

    現(xiàn)在，氣液反應(yīng)和攪拌系統(tǒng)又有了一些新進(jìn)展：（1）高蒸汽壓系統(tǒng)，比如沸騰。（2）高氣速行為（表觀氣速>0.08m/s）。（3）攪拌器范圍的擴(kuò)大，包括凹面槳的設(shè)計和寬槳葉的液壓成形。（4）氣體的再循環(huán)率及其傳質(zhì)推動力關(guān)系的正確計算。

    氣液攪拌中，為了得到更長的氣體停留時間，或者更好的氣體流型，有研究機(jī)構(gòu)和公司開始設(shè)計新型的攪拌器。

    比如有的反應(yīng)器在液體表面增加了一個自吸式攪拌器，使溢出的氣體重新返回液體中，增加了氣體的停留時間。

    有**正在研究一種可以改變氣體流型的攪拌器，如下圖所示。這是一種多層槳，**下層是徑流槳，上兩層是起吸氣作用的翼流槳，通過翼流槳可以強(qiáng)制改善氣體的流型。

8 氣液攪拌設(shè)備的應(yīng)用

    氣液攪拌設(shè)備主要用于加氫、氧化氣體脫除等物理化學(xué)過程。在加氫、氧化、氯化、磺化等過程中，需要攪拌器能提供較高的氣液分散能力，增加氣體的停留時間。在發(fā)酵等過程中，需要循環(huán)剪切兼顧，宜用多層組合槳。