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双环流气升式反应器流动及混合特性研究 ( 摘要) 气升式反应器因其结构简单、良好的混合传热性能、便于操作等优点已广泛用 于化工、生物化工等行业。国内外学者对其进行了广泛而深入的研究，其中包括从 对物料的性质、反应器的操作条件、反应器的结构等方面考察气升式反应器的流体 力学、传递性能等方面。 喷射环流反应器( j l r ) 因其高效的多相传递性能以及简单的设备结构、低能 耗、易于操作等优点，已广泛应用于生物、环境化工过程中。对于喷射环流反应器 的性能，多针对有氧过程，其研究对象多集中在细长型反应器上，其中对高径( h d ) 比为7 1 2 的反应器的研究约占7 0 以上，研究的重点侧重于气液传质效果，气体 停留时间等。而对于适用于厌氧反应的低高径比反应器性能的研究报道则很少见。 气升式反应器在好氧发酵中已被大量采用，在厌氧反应领域的应用则很少见。 目前，厌氧发酵中，以酒精发酵生产为例，应用较多的还是传统的无搅拌大型罐。 这类反应器的总体特点是：结构简单，具有较低的高径比( 一般h d = 1 1 ：l 左右) 。 随着生产规模的大型化，其应用中存在的问题也日益暴露。 大型罐在酒精生产使用过程中，存在易积物、易染菌，浓度梯度差大等问题， 同时在后发酵期又会因积料占去一定的罐容，使发酵时间被迫缩短从而引发原料的 浪费与酒精产率的降低。 将喷射环流反应器应用于厌氧发酵，主要通过气液内循环使醪液搅动，减少滞 留和染菌现象。其中由于在喷射过程中，气液混合强度很大，剪切力也很大，这对 于消除细胞周围的代谢物抑制膜将十分有利。同时考虑到生产大型化发展趋势的要 求，宜在内循环的基础上加入外循环以实现外冷，减少内部复杂冷却清洗装置，增 加有效罐容。同时由于喷射自吸式环流反应器循环量与通气量的调节方便，结构形 式简单易于实现连续化操作，对于厌氧发酵过程，所需的气量不大故而又可节约附 加设备投资。 本文重点针对厌氧反应的特点，将喷射式双环流反应器用于厌氧发酵过程。对 一种具有低高径比( h d = 1 6 7 ) 的双环流气升式反应器的流动及混合性能进行了研 究。主要考察导流简直径、外循环流量通气量的变化对气含率、混合时间、循环 液速及单位体积料液功耗的影响。由于喷射自吸式反应器在喷射过程中能耗损失较 大因此我们采用通气和吸气两种不同的气体引入方式，将两种情况下反应器的流 动、混合及功耗情况进行研究。将二者进行经济性对比。为工业实际应用提供一定 参考。 本实验包括内、外两个循环通路。实验介质为：空气水体系，气液比范围为 0 , 0 1 0 1 m 3 ( g ) m i n m 3 ( l ) ；外循环流范围为：通气情况2 6 m 3 m ，吸气情况3 5 m 3 m ： 导流简直径变化范围d 。d 。= 0 7 3 3 ，o 7 6 ，0 7 8 7 。 实验主要采用的测量方法：气含率的测量采用体积膨胀法；下降区循环液速、 混合时间的测量采用电导示踪迹法。泵有效功率的计算运用柏努力方程式求得。压 缩空气功率按绝热过程计算。 通过对实验结果进行分析和讨论，在实验范围内回归到得相应关联式。 实验范围内，不论是通气还是吸气情况，气含率与循环液速均随表观气速的增 大而增大。气含率受表观气速影响，其变化规律可用占= k u ! 或近似以直线 s = a + b “。关系描述。外循环流量对气含率影响不大。外循环流量较小时，气含率 随外循环流量增大而减小。循环液速随外循环流量的增大而增大。 混合时间随表观气速及外循环流量的增大而减小。吸气时的混合情况要好于通 气情况。功耗随表观气速及外循环流量的增大而增大。其主要取决于外循环流量的 大小。达到相同的混合效果时，吸气时所消耗的功率要远大于通气情况。导流筒尺 寸变化对气含率、混合时间及功耗的影响可通过一定的无因次关系反映。 关键词：双环流气升式反应器，低高径比，气含率，混合时间，循环液速，功耗。 as t u d yo nt h ef l o w i n ga n gm i x i n gf e a t u r e o f ad o u b l el 0 0 pa i r l i f tb i o r e a c t o r ( a b s t r a c t ) a i r l i f tr e a c t o rh a sb e e nw i d e l yu s e di nc h e m i c a li n d u s t r y , b i o l o g i c a lc h e m i s t r yf o r t h e i rs i m p l ec o n s t r u c t i o n ，g o o dm i x i n g ，g o o dh e a tc o n d u c t i n gp e r f o r m a n c e ，a n de a s yt o b eo p e r a t e dc o m p a r e dw i t hs t i r r e dt a n k s i th a sb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e db ys c h o l a r sa t h o m ea n da b r o a d ，i n c l u d i n g t r y i n g t oe v a l u a t ei t s h y d r o d y n a m i c sp e r f o r m a n c ea n d t r a n s m i t t i n gc a p a b i l i t yf r o mm a t e r i a lc h a r a c t e r , o p e r a t i o nc o n d i t i o n ，a n dc o n s t r u c t i o n so f t h er e a c t o r j e t l o o pr e a c t o r ( j l r ) i s ak i n do f m u l t i p h a s e r e a c t o r sw i t h h i g h - e f f i c i e n t h e t e r o g e n e o u st r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e ，s i m p l ed e v i c es t r u c t u r e ，h i g hh e a ta n dm a s s t r a n s f e rr a t e s ，w e l lm i x i n ge f f e c t s ，l o we n e r g y c o n s u m p t i o na n de a s y t ob eo p e r a t e de t c i t h a sb e e nu s e di nb i o l o g y e n g i n e e r i n ga n dc h e m i c a le n v i r o n m e n ti n d u s t r ye x t e n s i v e l y m o s tr e s e a r c ho fj l r sp e r f o r m a n c ei sf o c u s e do na e r o b i o s i sc o u r s e m o r et h a n7 0 p e r c e n to f a l lt h er e a c t o r ss t u d i e dw e r es l i g h t n e s s ，w i t hr a t i oo f h e i g h tt od i a m e t e ra b o u t 7 - 1 2 f o c a l p o i n t sw e r ep a r t i c u l a r l ye m p h a s i z e d o nm a s st r a n s f e rr a t e sb e t w e e ng a sa n d l i q u i da n dt h et i m eo fg a sh e l du p f e wr e p o r t sa b o u tt h ea n a e r o b i cr e a c t o r sw i t hl o w r a t i oo f h e i g h tt od i a m e t e rc a nb ef o u n d a l rh a sa l r e a d yb e e n a d o p t e d i na l a r g ea m o u n t i nt h ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，b u t f e w e rc a nb ef o u n d d u r i n g a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o ni na n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n ，f o r e x a m p l ea l c o h o l i cf e r m e n t a t i o n ，w h a ta r eu s e dm o r eo f t e np r e s e n ta r es t i l l t r a d i t i o n a l l a r g ep o t sw i t h o u tb l e n d e ra p p a r a t u s t h eo v e r a l lc h a r a c t e r i s t i co f t h i sk i n do fr e a c t o ri s i t ss i m p l ec o n s t r u c t i o n sa n do fl o wr a t i oo f h e i g h tt od i a m e t e r ( o f t e nh d 2 1 1 ：w i t h t h ed e v e l o p m e n to f l a r g e s c a l ep r o d u c t i o n ，p r o b l e m se x i s t i n gi ni t sa p p l i c a t i o n sb e c o m e i n c r e a s i n g l yd a yb yd a y ，l l i l ea p p l i e dt oa l c o h o lp r o d u c t i o n 1 a r g e s c a l ep o ti sa p tt o a c c u m u l a t em a t e r i e l ，e a s yt oi n f e c to t h e rb a c t e r i aa n do f t e no fh e a v yc o n c e n t r a t i o n g r a d i e n t a tt h es a m et i m e ，m a t e r i e la c c u m u l a t i o nw i l lo c c u p ym o s te f f e c t i v es p a c e w h i c ht e n d st os h o r t e nf e r m e n t a t i o nt i m e ，c a u s ew a s t eo fr a wm a t e r i a l sa n dr e d u c e p r o d u c t i o n r a t ea l c o h 0 1 w h i l ea p p l i e dj l rt oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，m a t e r i a lc a nb es t i r r e d b yi n s i d e c i r c u l a t i o no f g a s a n d l i q u i dt or e d u c eh e l du p a n di n f e c to t h e rb a c t e r i a d u r i n gt h ec o u r s e o f j e t t i n g ，g a sa n dl i q u i da r em i x i n gs t r o n g l ya n ds h e a rs t r e n g t hb e c o m e se v e nh e a v y , t h u s p a y sf o rd i s p e ls u p p r e s sm e m b r a n e o fm e t a b o l i t en e a ry e a s tc e l l c o n s i d e rr e q u e s t s o ft h ed e v e l o p m e n tt r e n do f l a r g es c a l ep r o d u c t i o nm e a n w h i l e ，o u t s i d ec i r c u l a t i o ns h o u l d b ep u ti n t oa c c o u n ti no r d e rt or e a l i z eo u t s i d ec o o l i n go nt h eb a s i so f c i r c u l a t i n gi n s i d e ， t h e r e f o r e ，i n s i d ec o m p l i c a t e dc o o l i n gw a s hd e v i c ec o u l db er e d u c e d a sa r e s u l t ，e f f e c t i v e p o th o l dw o u l di n c r e a s e m e a n w h i l et h ef l u x o ff l u i da n dg a sw i l lb ec o n v e n i e n tt o r e g u l a t ew h e nj l ra r ea d o p t e d t h er e a c t o r s s t r u c t u r eb e c o m e ss i m p l ea n de a s yt o r e a l i z ec o n t i n u o u s p r o d u c t i o n b e s i d e s ，i na n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n n o tl a r g ea m o u n to f g a s i sn e e d e d ，t h e r e f o r ei n v e s t m e n tf o ra d d i t i o n a le q u i p m e n tw i l lb er e d u c e dt os o m ee x t e n t c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e ro f a n a e r o b i cr e a c t i o n ，o n ek i n do fd o u b l el o o pj e t - a i rl i f t b i o r e a c t o ri s a p p l i e di na n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n f l o wa n dm i x i n gc h a r a c t e r i s t i co fo n e k i n do f d o u b l el o o pa i rl i f tb i o r e a c t o rw i t hl o wr a t i oo f h e i g h tt od i a m e t e rrh ，d = 1 6 7 ) a r e s t u d i e di nt h i sp a p e r h o wc h a n g e so fd i v e r s i o nt u b e sd i a m e t e r , f l u xo f g a sa n do u t s i d e c i r c u l a t i o ni n f l u e n c et h et o t a lg a sh o l du p ，m i x i n gt i m e ，l i q u i dc i r c u l a t i o ns p e e da n d c o n s u m p t i o no f u n i tv o l u m em a t e r i a la r em a i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e r c o n s i d e r i n gt h a t j e t - i n h a l e c o u r s ec o n s u m em o r ee n e r g ya n do f h i 、g hl o s s ，t w o k i n d so fd i f f e r e n t i n t r o d u c i n gw a y so fg a s ：i n h a l eg a sa n d v e n t i l a t eg a sa r ea d o p t e d f l o wa n d m i x i n ge f f e c t o ft h et w oa r e c o m p a r e d e c o n o m i cc o n t r a s t o ft h e mi sc a r r i e do nt o o ，t oo f f e rf o r i n d u s 虹y sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n 。t h ee x p e r i m e n ti n c l u d e st w oc i r c u l a t i o n s ，i n s i d ea n d o u t s i d ec i r c u l a t i o n a i ra n dw a t e rw e r eu s e da sg a sa n dl i q u i dp h a s e ；t h ev o l u m er a t i oo f g a s t ol i q u i di s 0 0 1 0 t m 3 ( g ) t m i nm 3 ( l ) ；v o l u m e o f o u t s i d ec i r c u l a t i o nf l u xi s ：v e n t i l a t eg a s ：2 - 6 m 3 h ； i n h a l eg a s ：3 - 5 m 3 h a ；c h a n g es c o p eo fd i v e r s i o nt u b e sd i a m e t e ri sd i d o = 0 7 3 3 ，o 7 6 ， 0 7 8 7 。 m e a s u r e m e n t sa d o p t e di nt h ee x p e r i m e n ta r el i n e do u tb e l o w t h et o t a lg a sh o l d u p w a sg a i n e db yv o l u m ee x p a n s i o nm e t h o d l i q u i dc i r c u l a t i o nv e l o c i t yi nt h ed o w m e o m e r a n d m i x i n gt i m ew e r e o b t a i n e db yt r a c e ra n a l y s i s e f f e c t i v ec o n s u m p t i o no fp o w e ro ft h ep u m pi sc a l c u l a t e df r o mb e r n o u l l ie q u a t i o n c o n s u m p t i o np o w e ro fc o m p r e s s e da i rg a s w a sc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt o t h ea d i a b a t i c p r o c e s s t h r o u g hd i m e n s i o n a la n a l y s i s o fe x p e r i m e n t a lr e s u l t so fd i f f e r e n tc a s e s ，s o m e e q u a t i o n sw e r e o b t a i n e d c o n c l u s i o n sd e s e r v e di nt h i sp a p e ra r e t o t a l g a sh o l d u p a n dl i q u i dc i r c u l a t i o nv e l o c i t y g r o ww i t ht h e i n c r e a s eo fg a s s u p e r f i c i a lv e l o c i t y , w h e t h e rg a si s i n h a l e do rv e n t i l a t e di n t o t a lg a sh o l d u pc a nb e r e f l e c t e dt h r o u g ht h eg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t yb y 5 = k u ：e x p r e s s i o n o r a p p r o x i m a t e l yb y l i n e a r e q u a t i o n = 4 + b u g f l u xo fo u t s i d e c i r c u l a t i o nc o n t r i b u t e sl i t t l et ot o t a l g a s h o l d u p t o t a lg a sh o l d u pb e c a m es m a l lw i t ht h ed e c r e a s eo f o u t s i d ec i r c u l a t i o nf l u x w h e ni t sn o tb i ge n o u g h l i q u i dc i r c u l a t i o nv e l o c i t yg r o w sw i t ht h ei n c r e a s eo f o u t s i d e c i r c u l a t i o nf l u x m i x i n gt i m eb e c o m e s l e s sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h eg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t ya n d o u t s i d ec i r c u l a t i o nf l u x t i m ec o n s u m e si ni n h a l i n gg a si sl e s st h a n t h a ti nv e n t i l a t i n gg a s i n e f f e c t i v ec o n s u m p t i o no fp o w e rp e ru n i t sv o l u m em a t e r i a ll i q u i dg r o w sw i t ht h e i n c r e a s eo ft h e g a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y a n do u t s i d ec i r c u l a t i o nf l u x i t i s m a i n l y d e t e r m i n e db yt h ef l u xo ft h eo u t s i d ec i r c u l a t i o n e f f e c t i v ep o w e rc o n s u m e di ni n h a l i n g g a sw i l lb eq u i t em o r et h a nt h a tc o s ti nv e n t i l a t i n gg a sw h e nn e a r l yt h es a m em i x i n g e f f e c ti so b t a i n e d t h et o t a l g a sh o l d u p ，m i x i n gt i m ea n de f f e c t i v ec o n s u m p t i o no fp o w e rp e ru n i t m a t e r i a l sa r ea l s oi n f l u e n c e db yt h ec h a n g eo f t h ed i v e r s i o nt u b e sd i a m e t e rd i m e n s i o n ， a n di tc a nb er e f l e c t e db ys o m el i o n d i m e n s i o n a le q u a t i o n s k e y w o r d s ：d o u b l el o o pa i r l i f tr e a c t o r , l o wr a t i oo fh e i g h tt od i a m e t e r ，g a sh o l d u p m i x i n gt i m e ，l i q u i dc i r c u l a t i o nv e l o c i t y , c o n s u m p t i o no f p o w e r 主要符号及说明 上升区或下降区的截面积 下降区面积环隙面积 导流筒截面积 简体的横截面积 上升区面积 比定压热容 比定容热容 导流筒内径 反应器内径 总气含率 上升区气含率 下降区气含率 绝热指数，对于实验条件下，k = i 4 两电导电极间距离 单位体积料液功耗 工业状态下被测气体的绝对压力 标定工业标准状况时的绝对压力 标定气体( 空气) 在标准状态下的密度空气 被测气体在标准状态下的密度 外循环流量 单位时间内通入的空气量( 标准状况下) 工业状态下被测气体的绝对温度 标定工业标准状况时的绝温度 混合时间 2 2 2 2 2 ( ，l 1 1 畔一畔酽m眦吣陋陋 m耐脚州州咖r董邵h a舢气时印(5叭m。岛o l 队虬 p 叫呻h h 三 通过上下两对电极测得的波峰之间的时间 s 下降区表观液速 m ，s 】 对于筒间隙下降区拟均相平均速度u d = “g d - t - u d ， m s 】 下升区液相的表观流速【m s 】 上升区拟相平均速度为蚱= “。，+ 肛 m s 上升区液相的表观流速 m s 上升区表观气速 m s 为空气质量流量 k g s 液相线速度( 实际液速)【m s 上升区液相的实际流速为 m s 下降区的实际液速为 m s 按绝热过程计的压缩功率 w d i d o ； s t a n d a r dd e v i a t i o no f t h ef i t n u m b e ro f d a t ap o i n t s p - v a l u e ，p r o b a b i l i t y ( t h a tr i sz e r o ) 佛鲁德准数 雷诺准数 们叭 啪 坼 岍 吣垤眦巾 n ，删n k 前言 1 1 通气生物反应器简介 1 前言 生物工程技术是二十一世纪最有发展前途的一门科学技术。生物工程的核心是 生物反应器。由于大多数的生物反应过程都是需氧的，故通气反应器是生物工程设 备的核心和基础。由于生物反应大多要求在温和的反应条件下进行，换热温差小， 对剪切力敏感等的特殊性决定了其所需的反应器应具有良好的传质和传热性能，结 构严密，防杂菌污染，培养基流动与混合良好，良好的检测与控制，设备较简单， 方便维护检修，能耗低等特点。目前，常用的通气生物反应设备主要有机械搅拌式、 气升式和自吸式等几种类型。 机械搅拌式反应器是应用较早的一类生物反应器，因其使用技术的成熟，因而 在目前的通风发酵设备中占据主导。这类反应器主要靠通入压缩空气和搅拌叶轮来 实现反应物料的混合、溶氧传质，同时强化传热。在其应用中，主要存在剪切力大、 溶氧率较低、功耗大、机械密封要求严格、结构复杂、易染菌等问题。由于这些制 约因素的存在，因而其大规模的应用受到了一定的限制。 气升式反应器( a l r ) 是环境工程、冶金工业、化学工业、食品工业及制药工 业等生产中广泛使用的一类反应器。这类反应器在运行中以引入压缩空气作为引入 能量的单一方式。它利用压缩空气借助于喷嘴( 或气体分布器) 以高速喷入培养液， 造成局部液体重度下降及获得高速气流的动能，便由循环管上升，同时在循环管外 的液体借重度差而下降，并从底部升入循环管以填补空缺，形成持续不断的循环。 空气与培养液在反应器内上部分离，并从其顶部排出。常见的气升式反应器包括气 升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，其中尤以气升环流式最为常见。 气升环流式生物反应器中液体的流动特性决定了反应器结构的多样性【1 “，它总 的可分成内环流、外环流及分隔型三类，其结构分别见图1 1 。内环流型的主要由罐 体和内套筒组成，液体在内套筒中上升，在内套筒与罐体的环隙问下降，或者相反； 外环流型则由相互平行的两部分简体组成，上下连通形成一个环，流体在其中流动。 问隔型的结构则与内环流型相似，不过以间隔取代了筒内的环流。无论是外循环型、 内循环型还是间隔型，反应器都有四个基本部位组成! 上升段、下降段、器底和气液 前言 分离器。每一部位的液体流动特性各有差异，基质传递、产物形成、热量交换情况 在各处也不一样。上升段：气体由这一段的下部注入，液体向上流动。下降段：与 上升段相平行，在底部和顶部与上升段相连，液体向下流动。这一段中液体与上升 段中液体存在的静压差是液体循环的动力。 一 f6 州 ei jf 内环流型间隔型外环流型 图1 - 1 气升环流生物反应器的结构型式 比较而言，内环流型的结构比较紧凑，导流筒可以做成多段以加强局部及总体 循环，导流筒内还可以安装筛板( 或静态混合原件) ，以改善气体分布及强化传质 并可适当地抑制液体循环速度。外环流式将有利于罐顶及罐底物料的混合及循环。 同时还可以在其循环回路中设置换热设备和液速调节装置以加强传热及控制传质特 性，因而特别适于反应热效应较大的气液反应过程以及需要严格控制操作条件的各 类反应过程。 在传统的搅拌式生物反应器中，培养微生物须满足以下几种情况：通气供氧和带 走废气；搅拌使反应器中营养成份、添加的酸碱和基质均匀分布；良好的热交换性 能；满足密封条件有效抑制杂菌生长等。而运用气升式环流反应器，上述各项都能 很好地满足，微生物在其中能更好生长( 4 1 。与传统的机械搅拌式反应器相比，气升 式反应器不含运动部件，以其结构简单、混合效果好、具有较好的传热传质的特性、 不易染菌、低剪切、溶氧效率高、低能耗、易放大以实现大型化连续操作等优点， 目前在工业生产及环境保护方面显示了较高的应用价值。 自吸式反应器是一种不需要空气压缩机提供加压空气，而依靠特设的机械搅拌 吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气，并同时实现混合搅拌与溶氧的传质的 反应器。自2 0 世纪6 0 年代开始欧洲和美国展开研究开发，然后在国际和国内的酵 母及单细胞蛋白生产、醋酸发酵与维生素生产等获得应用。与传统的机械搅拌通风 反应器相比，自吸式反应器具有如下的优点： 1 ) 不必配备空气压缩机及其附属设备，节约设备投资，减少厂房面积； 2 ) 溶氧速率高，溶氧效率高，能耗较低，尤其是溢流自吸式发酵罐的溶氧比能 耗可降至o 5 k w h ( k 9 0 2 ) ； 3 ) 用于酵母生产和醋酸发酵具有生产效率高，经济效益高的优点。 但因一般的自吸式反应器是负压吸入空气的，故发酵系统不能保持一定的正压， 较易产生杂菌污染。同时，必须配备低阻力损失的高效空气过滤系统。为克服上述 缺点，可采用自吸气与鼓风相结合的鼓风自吸式发酵系统，即在过滤器前加装一台 鼓风机，适当维持无菌空气的正压，这不仅可减少染菌机会，而且可增大通风量， 提高溶氧系数。 自吸式反应器根据吸气部件的不同，可分为机械自吸式反应器、文式管吸气自 吸式反应器、液体喷射白吸式反应器、和溢流喷射白吸式反应器。 机械自吸式反应器：其原理是当反应器内充有液体，启动搅拌机，转子高速旋 转，转子框内的液体被甩向叶轮外缘，液体获得能量。转子的线速度越大，液体( 其 中还含有气体) 的动能愈大，当其离开转子时，由动能转变为静压能也愈大，在转 子中心所造成的负压也越大，故吸气量也越大，通过导向叶轮而使气液均匀分布甩 出，并使空气在循环的料液中分裂成细微的气泡，在湍流状态下混合，湍动和扩散， 因此自吸式充气装置在搅拌的同时完成了充气作用。 文式管吸气自吸式反应器：其原理是用泵将发酵液压入文氏管中，由于文氏管 的收缩段中液体的流速增加，形成负压将空气吸入，并使气泡分散与液体混合，增 加发酵液中的溶解氧。这种设备的优点是：吸氧的效率高，气、液、固三相混合均 匀，设备简单，无须空气压缩机及搅拌器，动力消耗省。但由于文式管吸气量有限， 故这种设备适用于宇宙飞船的密封舱中，利用藻类的光合作用将气体中的二氧化碳 还原成氧。 液体喷射自吸式反应器：其原理基本与文式管自吸反应器相同。但其吸气过程 则通过专门的喷射吸气装置来实现。由于提供了特别的混合空间，故其吸气量与混 合效果要明显强于文式管吸气式反应器。这类反应器目前已广泛用于化工、医药环 保等领域，在生物反应中也有应用。对于这类反应器的研究很多。对此本文在下面 将予以详细讨论与介绍。 溢流喷射自吸式反应器：溢流喷射自吸式反应器的通气是依靠溢流喷射器，其 吸气原理是液体溢流时形成抛射流，由于液体的表面与其相邻的气体的动量传递， 前言 使边界层的气体有一定的速率，从而带动气体的流动形成自吸气作用。要使液体处 于抛射非淹没溢流状态，溢流尾管略高于液面，尾高1 2 米时吸气速率较大。 各类反应器均有着各自的优缺点，因而其在实际生产过程中都有着不同程度的 应用。其中气升式反应器，因其具有机械搅拌反应器无法比拟的优点，故对这类反 应器的研究开发方面的论述也较多，其工业化的应用发展迅速。自吸式生物反应器 的研究和应用由于起步较晚，但由于其综合了气升式反应器与机械搅拌反应器的大 部分优点，因而在目前的研究中备受关注。本文就将对其中之一的液体喷射自吸式 环流反应器的结构与混合性能等问题展开初步的研究与讨论。 1 2喷射环流反应器的应用现状 喷射式反应器是近几十年迅速发展起来的多相反应器。多用于气液两相反应， 也可用于含催化剂等悬浮颗粒的气液固三相反应。其原理是利用高速流动相去卷吸 其它相，使各相密切接触，继而在反应器内均匀分散或悬浮，并完成反应。喷射反 应器是一大类反应器的总称，其主体部分一般由一个反应釜和一个射流喷嘴所组成， 根据需要还可j j n 2 , 其它附件，如换热器、循环泵等。喷射式反应器的型式及特点由 于应用背景不同，出现了多种喷射式形式。根据不同的特点，将其分为不同的类型 5 , 6 1 ，如：当气体进料方式不同时，若气体以泵入的方式引入则为喷射式，若气体由 液体射流卷吸引入则为喷射自吸式：根据操作原理的不同，有内循环式和外循环式； 根据驱动流体循环作用形式的不同，有气升式环流反应器( 简称a l r ) 和液体喷射 环流反应器( 简称j l r ) ；根据两流体流动方向的不同，有并流、逆流和混流。其中 有的是气体作连续相，液体作分散相；有的是气体作分散相，液体作连续相，总之， 要么是气体喷射使液体分散形成雾状，要么是气体在液体中呈鼓泡状。根据反应工 艺过程的不同，有一次喷射反应式：也有利用循环泵将物料多次循环的所谓喷射环 路反应器( 有时简称为环路、环流或回路反应器) 。根据射流喷嘴在反应器内的不同 位置，有上喷式、下喷式及水平式喷射反应器之分。而反应器喷嘴的类型也有很多 种，如文丘里喷嘴、环状喷嘴、槽状喷嘴、单孔喷嘴、多孔喷嘴、单级喷嘴及多级 喷嘴等n 此外，喷嘴的进气方式也有不同，若气相由其它相卷吸引入，即构成引 射式喷嘴；而如果气相是由泵打入，则为喷射式喷嘴【“。事实上，在工业应用中， 根据具体的反应特点，常会将几种方式结合起来应用。 4 前言 喷射反应器的研究起步相对较晚，但其发展迅速，种类越来越多，性能也不断 得到完善，并越来越受到国际学术界和工程界的关注。1 9 3 9 年，f l u g e l 9 1 最早提出了 可适用于插述单相物质系统中喷射反应嚣实验结果的基本理论概念。箕利用常用的 流体管理论建立模型并导出单相喷射装置的基本计算公式。索科洛夫等【1o j 较全面地 论述了各主要类型喷嘴的结构，阐述了喷嘴计算的理论和方法，并分析了各状态因 素和结构因素等对喷嘴工作性能的影响。h e n z l e r 9 】则系统地讨论了喷嘴的设计优化 和模化。而b l e n k e 6 1 在1 9 8 5 年对喷射环路反应器作了较为全面的综述，并划分了反 应器性能的不同方面及其表征参数。随后，d i r i x 等 6 , 1 1 1 6 1 对反应器的各种性能作了 大量研究，并提出不少理论模型。d a nd i e r e n d o n c k t l 4 从工作特性、设计放大及应用 等方面对比分析了喷射反应器和机械搅拌釜反应器，阐明了喷射反应器的优异性能， 并指出喷射反应器极有可能取代搅拌釜反应器成为多相反应器的首选。d u v e e n 悼j 在 此基础上详细总结了喷射反应器的各种性能，认为喷射反应器作为高性能反应器即 将成为气液反应器的设计标准。在国际上，有不少公司对喷射反应器进行了研究丌 发，如瑞士b u s s 、e c c h e m 公司及美国c h e m i t h o n 公司等。b u s s 和e c c h e m 公司的 喷射反应器起初多应用于催化加氢反应，后又应用于烷氧基化反应【i ”。而c h e m i t h o n 公司的喷射反应器则主要应用于磺化反应。 我国对喷射反应器的研究相对较为滞后，2 0 世纪六七十年代开始有文献报道。 当时的喷射反应器多用于除尘、抽真空、直接加热、传质和制冷等化工单元操作中， 而真正作为强化多相反应的反应器则起步更晚。但其在石蜡氯化、乙醇氧化等实际 工业生产中所取得的显著效果，已经引起了行业人士的广泛关注。进入9 0 年代后， 我国对喷射反应器的研究又掀起了一股热潮，成为多相反应器的研究热点之一，尤 其是在反应器的工程开发和工业应用上不断取得新进展，如中国日用化学工业研究 院开发的喷射环路反应器制叔胺、天津大学研究的喷射环路反应器磺化甲苯等项目， 均取得良好结果。 目前工业上主要有以下两种型式的喷射式气一液反应器：上喷式内环流反应器和 下喷自吸式反应器，分别见图l 一2 及图1 3 。 前言 图1 - 2 上喷式环流反应器 图1 2 是典型的上喷式内环流反应器， 流动及喷射等特点。 图1 - 3 下喷式反应器 内部设有导流简，集中了鼓泡、循环 由于喷嘴和导流筒的作用，使液体形成规整的环流，在喷射区内能量集中，因 而剪切场强。当液体喷射速度增加时，对气泡的破碎作用也增大，气泡平均直径减 小，局部气含率增加，从而增加了气、液相接触面积，强化了传质。同时，喷射所 产生的分散作用加强了混合效果，使气泡在反应空间分布均匀。 图l 一3 所示是典型的下喷自吸式反应器【1 9 1 ，由喷嘴、吸气室、混合室和扩散室 四部分组成。当具有一定压力的反应液经喷嘴喷射时，产生很高的流速，在喷嘴周 围形成压力降，而将进行反应的原料气吸入气室，然后在混合室内充分混合形成湍 流，同时进行反应。产物在扩散室内流速逐渐降低，利用增加的静压力将产物送出 去，因此不需要压缩机等送气设备即可自行吸入大量气体，大大减少了能耗。并且 物料在喷嘴处形成稳定的湍流，强化了气液间的混合，对扩散控制的气- 液相瞬间反 应非常有利【2 0 】。 事实上，此两种型式的喷射反应器是在工业上应用广泛的喷雾塔和鼓泡塔的基 础上发展而来的，是为了增加气、液相接触面积，强化传质和传热。并且，根据不 同的生产要求，还可将喷射式反应器直接与反应塔、反应槽或管道反应器串联使用。 喷射反应器作为一类新型反应器，有许多独特、优异的性能鹏l ，其优点可总结概 括为：多相传质性能好；传热能效大；密封性能好，便于高压反应；单位 体积输入功率大；工作体积大，操作弹性好；反应器结构简单，无动件，节约 能耗且便于反应过程的连续化；传质速率和混合效果对反应器规模依赖程度小， 便于工程放大；用途广泛。 有环路的反应装置可抑制气液反应时泡沫的产生，从而有利于生化反应的顺利 6 一 前占 进行 2 1 1o 如k a w a s e 等6 1 将喷射反应器用于多相生物反应，并对反应器性能作了研究。 天津大学6 】贝0 研究了喷射反应器中游离酵母菌糖蜜制乙醇，建立中试模型并进行了模 拟。 1 3 喷射环流反应器研究进展 喷射环流反应器( j e tl o o pr e a c t o r ，简作j l