氣升式環(huán)流反應(yīng)器的研究進(jìn)展

馬文婷

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程學(xué)院)

0 前言

環(huán)流反應(yīng)器是一種高效的氣-液、氣-液-固反應(yīng)器，廣泛應(yīng)用于石油化工、生物化工、冶金、制藥和環(huán)保等領(lǐng)域。氣升式環(huán)流反應(yīng)器是在鼓泡床基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它是一種氣體攪動(dòng)裝置，由氣體提供動(dòng)力帶動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)的混合物進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和混合。相比于機(jī)械攪拌釜，在降低設(shè)備投資成本的同時(shí)，氣升式環(huán)流反應(yīng)器避免了由于密封、軸承或者磁力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致污染的可能。相比于傳統(tǒng)的鼓泡床，氣升式環(huán)流反應(yīng)器還具有使流體定向流動(dòng)的特點(diǎn)，因此可以在較低的表觀氣速下實(shí)現(xiàn)固體顆粒的完全懸浮，提高操作彈性與穩(wěn)定性，降低能耗，在縮減成本的同時(shí)也達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)流反應(yīng)器的研究也越來(lái)越深入，其理論也越來(lái)越完善，自1955年被提出至今，從初始的針對(duì)氣液、氣液固體系的研究，到后來(lái)中國(guó)石油大學(xué) （北京）的劉夢(mèng)溪等人將氣液環(huán)流的理論合理地移植、耦合到氣固體系，從而進(jìn)行的氣固體系的研究都在蓬勃發(fā)展著[1，5]。

1 氣升式環(huán)流反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)研究

氣升式環(huán)流反應(yīng)器 (airlift loop reactors，簡(jiǎn)稱(chēng)ALR)根據(jù)其自身結(jié)構(gòu)的不同，通常按照上升管和下降管的布置分為兩類(lèi)。一類(lèi)稱(chēng)為氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器，其上升管和下降管都在反應(yīng)器內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊，循環(huán)也是在反應(yīng)器內(nèi)部完成的，在鼓泡床的內(nèi)部放置隔板或?qū)Я魍玻瑢⒎磻?yīng)器內(nèi)部分隔為不同的流道，根據(jù)氣體入口位置的不同又進(jìn)一步分為中心氣升式和環(huán)隙氣升式反應(yīng)器[2-3]；另一類(lèi)為氣升式外環(huán)流反應(yīng)器，通常將下降管置于反應(yīng)器外部以便加強(qiáng)傳熱。內(nèi)環(huán)流、外環(huán)流反應(yīng)器如圖1所示。

圖1 內(nèi)環(huán)流與外環(huán)流反應(yīng)器

2 氣升式環(huán)流反應(yīng)器主要流體力學(xué)特性的研究

氣含率是用氣相在氣升式環(huán)流反應(yīng)器中所占的體積分?jǐn)?shù)表示的，根據(jù)考察空間的不同可分為局部氣含率和平均氣含率，氣含率的大小對(duì)氣-液相界面積有直接影響，并進(jìn)而影響相間傳質(zhì)速率。中國(guó)石油大學(xué) （北京）的金家琪[4]等人采用空氣-水的氣液兩相體系考察了不同表觀氣速下有中心下料管和環(huán)管式氣體分布器的環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)部局部氣含率和內(nèi)環(huán)氣泡上升速度的流體力學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：氣含率隨表觀氣速的增大而增大；在相同的條件下外環(huán)的氣含率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)環(huán)的氣含率，分布器下部的氣含率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于分布器上部氣含率，外環(huán)氣含率隨軸向高度的增大而逐漸增大；氣體分布器和下料管的液體入口之間的氣含率和氣泡速度明顯受到影響。

劉夢(mèng)溪[5]等人針對(duì)工業(yè)化中氣固環(huán)流器的缺陷，提出了一種新型的環(huán)隙氣升式氣固環(huán)流反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)環(huán)隙區(qū)床層空隙率隨著環(huán)隙區(qū)表觀氣速的增加而增加，顆粒流動(dòng)速率基本不隨軸向位置的變化而變化。導(dǎo)流筒區(qū)顆粒流動(dòng)速率受氣體分布器結(jié)構(gòu)影響較大，顆粒流動(dòng)屬于密相輸送，顆粒環(huán)流所受阻力主要集中在底部區(qū)域，其次為氣固分離區(qū)，底部區(qū)域阻力大小由床層流化質(zhì)量和導(dǎo)流筒下端距反應(yīng)器底部的間隙所決定。

液體循環(huán)速度是氣升式反應(yīng)器的重要流體力學(xué)參數(shù)，它不但影響反應(yīng)器的流體混合特性，還影響顆粒懸浮、溫度和濃度的均勻性。

王紅心[6]等研究表明，隨著上升氣體表觀速度的增加和導(dǎo)流筒直徑的增加，床內(nèi)循環(huán)液速也增加；固含率一定條件下，固含物粒徑越大，循環(huán)液速也越大；溶液濃度增加，循環(huán)液速也增加；床層中的固含率增加，循環(huán)液速將減小；系統(tǒng)溫度增加，循環(huán)液速也增加；降液管給氣時(shí)的循環(huán)液速小于中心導(dǎo)流筒給氣方式的循環(huán)液速。

3 氣升式旋流反應(yīng)器的工業(yè)應(yīng)用

氣升式反應(yīng)器已廣泛應(yīng)用于生化過(guò)程 (發(fā)酵、酶反應(yīng))、化學(xué)工業(yè)、環(huán)境工程、冶金及煤的液化和加工。自1984年方鳳山用氣升式環(huán)流反應(yīng)器生產(chǎn)酵母，證實(shí)反應(yīng)器放大成功之后，氣升式反應(yīng)器在各種生化過(guò)程及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的應(yīng)用越來(lái)越多，國(guó)內(nèi)已在發(fā)酵紅曲酶素、核酸酶P、單細(xì)胞蛋白、β-胡蘿卜素、黃原膠、谷氨酸、甘油發(fā)酵等產(chǎn)品的生產(chǎn)研究中使用了氣升式反應(yīng)器，其使用效果均令人滿意。值得一提的是目前氣固環(huán)流反應(yīng)器已被成功應(yīng)用于石油煉制工程中，盧春喜、劉夢(mèng)溪等人成功開(kāi)發(fā)了一種組合式環(huán)流汽提器，并已在揚(yáng)子石化、燕山石化8×105t/a等國(guó)內(nèi)多套催化裂化裝置（FCCU）上成功應(yīng)用。

4 結(jié)論與展望

本文簡(jiǎn)要介紹了氣升式環(huán)流反應(yīng)器的類(lèi)別和結(jié)構(gòu)，并就操作條件和幾何結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)兩相流體力學(xué)行為的影響規(guī)律進(jìn)行了分析。本文簡(jiǎn)單列舉了環(huán)流反應(yīng)器在工業(yè)上的應(yīng)用，可為實(shí)際生產(chǎn)中反應(yīng)器的選擇與應(yīng)用提供合理的參考依據(jù)。

[1] 張喆．氣升式環(huán)流反應(yīng)器CFD優(yōu)化研究 [D] ．上海：上海交通大學(xué)，2009．

[2] Juan C Garcia， Antonio G Lavin， Mario Diaz.High liquid holdup airlift tower loop reactor（I）:Riser hydrodynamic characteristics[J] .Journal of Chemical Technology and Biotechnology， 2000， 75： 369-377．

[3] Olivieri G,Marzocchella A,Ommen J R van.Local and global hydrodynamics in a two-phase internal loop airlift[J] .Chemical Engineering Science,2007,62:7068-7077．

[4] 金家琪，王莉，盧春喜，等．強(qiáng)制液體外循環(huán)氣升式內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器的流體力學(xué)特性 [J] .化工學(xué)報(bào)，2007， 58 （7）： 1677-1684．

[5] 劉夢(mèng)溪，謝建平，盧春喜，等．環(huán)隙氣升式氣固環(huán)流反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)特性的理論 [J] ．化工學(xué)報(bào)，2008， 59 （9）： 2198-2205．

[6] 王國(guó)勝，王紅心．氣升式反應(yīng)器內(nèi)三相條件下流動(dòng)行為研究Ⅱ——循環(huán)液速的影響[J] ．遼寧化工，2001， 30(10)： 437-43.