1.2.2　環流反應器

環流反應器的基本結構是內部安裝了導流筒(或分區隔板)的鼓泡塔(圖1.16),將氣體引入導流筒內,導流筒內的氣液混合物的密度小于環隙的液體密度,從而形成液相在反應器內部的定向循環。與傳統的攪拌槽反應器和鼓泡塔反應器相比,它具有以下優點:①沒有機械運動部件,制造、密封和維修比較容易;②用參加反應的氣體作為液體循環的能量來源,有較高的能量效率;③由于氣液混合體系的有規律的循環流動,流場比較均勻化,流體不易短路,有利于強化傳熱和傳質;④環流反應器內的剪切率比較低,適宜于有剪切敏感物質(如微生物、細胞等)參與的過程(楊守志,1984;黃青山,2014)。環流反應器的早期構型是20世紀40年代用于冶金工業作為礦物浸取反應器的空氣攪拌浸取槽(或帕丘卡槽,Pachuca tank),圓柱體,底部錐形,導流筒直徑較小。如今的構型不限于用錐底,導流筒直徑較大,應用于石油化工、生物化工、食品、冶金、環境工程等眾多工業領域。

圖1.16(a)所示為一種內環流反應器,是與外環流反應器[圖1.16(b)]相對而言的。外環流反應器也以輸入的氣體作為循環的推動力。但由于液相外循環管路較長,也可以在氣體流量不足時用管路中的泵來增強循環。內環流反應器有兩種供氣方式:如圖1.16(a)所示向導流筒內供氣,或將氣體分布器設在環間,造成液相從環間循環流進導流筒內。兩種方式可根據工藝要求來選擇。

氣提式(內、外)環流反應器的操作性能指標:在輸入氣量Q_G和液相流量Q_L的條件下,液相的循環量(或循環流速)、此時的總氣含率α_G是重要的宏觀操作特性指標。它們的局部分布也十分重要。氣泡的大小直接關系到氣液接觸面積(與氣液相間傳質速率有關),湍流強度和分布涉及相間傳質系數的大小,也都十分重要。環流反應器有獨特的混合性能,這些特性一直是化學反應工程研究中的重要課題(Clark N,1984;Roy G,2000;Rodríguez ME,2007;Zhang WP,2014)。

混合時間是表述混合過程的重要參數,文獻多用示蹤法來實測。混合時間是指示蹤劑脈沖加入后,示蹤劑分散均勻到指定程度所需要的時間。為了盡可能準確地代表全反應器的混合情況,示蹤劑的注入點和檢測點應該相距較遠,都在混合狀況較差的地方,示蹤劑無法短路到達的位置,測定數據才能代表反應器整體的混合難易程度。圖1.17的例子中,示蹤劑在液面近壁處加入,在反應器對角處靠近器底檢測(Zhang WP,2014)。圖1.18所示為典型的內環流反應器的宏觀混合時間隨表觀氣速變化的結果。表觀氣速的增加導致了氣泡數量及聚并破碎頻率的增大,使得液體循環速度也隨之增加,反應器內的湍動加劇,使得反應器內混合能力增強,混合時間降低。

T_c=0.10m,B_c=0.06m,D_d為?200mm×7mm,多孔板分布器。Zhang WP,2014)

液體射流也可以作為推動環流的動力,形成射流環流反應器(jet loop reactor)。氣體可以被液體射流吸入,分散成氣泡,隨液體一起進入反應器(圖1.19,孫建陽,2015),也可以通過設置在反應器下方的氣體分布器進入。

環流反應器中加裝攪拌槳,或攪拌槽中加裝導流筒,是改善反應器中流動和混合的有效措施。大高徑比的環流反應器中,攪拌槳多加裝在導流筒內

(圖1.20)。高徑比小的環流反應器中,攪拌槳常加在導流筒之下,一方面推動導流筒下方正在轉向的徑向流動,同時也能起到促進底部固相懸浮,或破碎輸入氣體流為小氣泡的作用。?

環流反應器的宏觀混合也可用軸向分散系數(Liu ML,2008)和停留時間分布(Zhang TW,2005)來定量表征宏觀混合的能力。