1.2.2　环流反应器

环流反应器的基本结构是内部安装了导流筒(或分区隔板)的鼓泡塔(图1.16),将气体引入导流筒内,导流筒内的气液混合物的密度小于环隙的液体密度,从而形成液相在反应器内部的定向循环。与传统的搅拌槽反应器和鼓泡塔反应器相比,它具有以下优点:①没有机械运动部件,制造、密封和维修比较容易;②用参加反应的气体作为液体循环的能量来源,有较高的能量效率;③由于气液混合体系的有规律的循环流动,流场比较均匀化,流体不易短路,有利于强化传热和传质;④环流反应器内的剪切率比较低,适宜于有剪切敏感物质(如微生物、细胞等)参与的过程(杨守志,1984;黄青山,2014)。环流反应器的早期构型是20世纪40年代用于冶金工业作为矿物浸取反应器的空气搅拌浸取槽(或帕丘卡槽,Pachuca tank),圆柱体,底部锥形,导流筒直径较小。如今的构型不限于用锥底,导流筒直径较大,应用于石油化工、生物化工、食品、冶金、环境工程等众多工业领域。

图1.16　环流反应器

图1.16(a)所示为一种内环流反应器,是与外环流反应器[图1.16(b)]相对而言的。外环流反应器也以输入的气体作为循环的推动力。但由于液相外循环管路较长,也可以在气体流量不足时用管路中的泵来增强循环。内环流反应器有两种供气方式:如图1.16(a)所示向导流筒内供气,或将气体分布器设在环间,造成液相从环间循环流进导流筒内。两种方式可根据工艺要求来选择。

气提式(内、外)环流反应器的操作性能指标:在输入气量Q_G和液相流量Q_L的条件下,液相的循环量(或循环流速)、此时的总气含率α_G是重要的宏观操作特性指标。它们的局部分布也十分重要。气泡的大小直接关系到气液接触面积(与气液相间传质速率有关),湍流强度和分布涉及相间传质系数的大小,也都十分重要。环流反应器有独特的混合性能,这些特性一直是化学反应工程研究中的重要课题(Clark N,1984;Roy G,2000;Rodríguez ME,2007;Zhang WP,2014)。

混合时间是表述混合过程的重要参数,文献多用示踪法来实测。混合时间是指示踪剂脉冲加入后,示踪剂分散均匀到指定程度所需要的时间。为了尽可能准确地代表全反应器的混合情况,示踪剂的注入点和检测点应该相距较远,都在混合状况较差的地方,示踪剂无法短路到达的位置,测定数据才能代表反应器整体的混合难易程度。图1.17的例子中,示踪剂在液面近壁处加入,在反应器对角处靠近器底检测(Zhang WP,2014)。图1.18所示为典型的内环流反应器的宏观混合时间随表观气速变化的结果。表观气速的增加导致了气泡数量及聚并破碎频率的增大,使得液体循环速度也随之增加,反应器内的湍动加剧,使得反应器内混合能力增强,混合时间降低。

图1.17　环流反应器的混合时间测定方法

图1.18　宏观混合时间随表观气速的变化(内环流反应器D=0.3m,L=0.70m,

T_c=0.10m,B_c=0.06m,D_d为ϕ200mm×7mm,多孔板分布器。Zhang WP,2014)

液体射流也可以作为推动环流的动力,形成射流环流反应器(jet loop reactor)。气体可以被液体射流吸入,分散成气泡,随液体一起进入反应器(图1.19,孙建阳,2015),也可以通过设置在反应器下方的气体分布器进入。

环流反应器中加装搅拌桨,或搅拌槽中加装导流筒,是改善反应器中流动和混合的有效措施。大高径比的环流反应器中,搅拌桨多加装在导流筒内

图1.19　下喷式自吸式环流反应器(孙建阳,2015)

1—导流筒;2—排气口;3—反应器;4—溢出口;5—扩散管;6—反射板;7—喉管;8—进气口;9—喷嘴

(图1.20)。高径比小的环流反应器中,搅拌桨常加在导流筒之下,一方面推动导流筒下方正在转向的径向流动,同时也能起到促进底部固相悬浮,或破碎输入气体流为小气泡的作用。 

图1.20　带导流筒的搅拌式环流反应器

1—器体;2—搅拌桨;3—导流筒;4—导流叶片

环流反应器的宏观混合也可用轴向分散系数(Liu ML,2008)和停留时间分布(Zhang TW,2005)来定量表征宏观混合的能力。