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(yè)中。 比如在發(fā)酵過程中 ,攪拌的shou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(fā)經歷了一個漫長的過程 ,這主要是由于氣液兩相流動狀態(tài)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(fā)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(fā)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(yōu)結構。 V an 't Riet, Smith 等
[1, 2 ]發(fā)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shou先是在槳葉的背面形成較為穩(wěn)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(qū)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(fā)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(yōu)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(yōu)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G 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(yōu)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(fā)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(qū)域直接上升而逃逸 ,而是使更多的氣體通過葉輪區(qū)域在徑向被分散。 該設計既保留了彎曲葉片的優(yōu)點 ,能減少葉片后方發(fā)生氣穴 ,同時又能提高氣體分散的效率 ,其性能均優(yōu)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(tài)
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
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出 , 在湍流區(qū)域 , 對 Rush- |
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ton渦輪其功率準數為 4. |
6 |
圖 5 BT -6攪拌器 |
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～ 5. |
2,對于 CD-6約為 2. |
8 |
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～ 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(tài)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(fā)展趨勢是軸流式攪拌器的設計開發(fā)。軸流式攪拌器的特點主要有:能耗低 ,循環(huán)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。 G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(yǎng)下 ,使用該軸流槳比傳統(tǒng)的 Rush to n渦輪傳質系數提高 40% ,功耗降低
50% 。 還有美G 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(fā)酵過程等。此
外 ,還有德G Ekato 公司的 InterMig ,法G Ro bin公司的 HPM 等。 此類攪拌器的直徑均較傳統(tǒng)的 Rushto n 渦輪要大 ,約為槽內徑的 47% ～ 60% 。
G內在軸流式攪拌器的研究開發(fā)方面已取得許多進展。 北京化工大學開發(fā)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(tǒng)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(fā)了翼形槳 ,并提出采用組合槳
[4, 5 ]。 如在青霉素發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)出來 ,并被推廣應用。
