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氣液體系的流型與操作
1 簡(jiǎn)介
在許多過(guò)程中，氣液接觸是重要的，氣體需要與液體進(jìn)行充分且有效的接觸以提供足夠的質(zhì)量傳遞或熱量傳遞能力。比如有的氯化和磺化反應(yīng)是快反應(yīng)，這需要攪拌器能提供高的傳質(zhì)強(qiáng)度；有的反應(yīng)需要吸收難以溶解的氧氣，這又需要攪拌器能提供高的分散能力。
早期研究認(rèn)為，氣液分散是氣體直接被攪拌器剪切成細(xì)小的氣泡而形成的。但近年的研究表明，氣液分散是受氣穴控制的。當(dāng)氣速過(guò)大或攪拌轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，整個(gè)攪拌器被氣穴包裹，氣體穿過(guò)攪拌器直接上升到液面，發(fā)生氣泛。
氣液接觸過(guò)程的主要有有以下幾種：氣相和液相需要的停留時(shí)間分布、允許壓力降、相對(duì)質(zhì)量流率、是否逆流接觸、局部混合能力、是否需要補(bǔ)充或移出熱量、腐蝕條件、泡沫行為與相分離、反應(yīng)時(shí)需要的流型、反應(yīng)與傳質(zhì)的關(guān)系、層流和過(guò)渡區(qū)的流變行為等。這些因素又大都與攪拌器關(guān)系密切。
攪拌槽內(nèi)的氣體分散大致有以下幾個(gè)狀態(tài)：氣泛狀態(tài)（大部分氣體未分散，氣泡沿?cái)嚢栎S直接上升到液面），載氣狀態(tài)（氣體基本得到分散，分布器以下分布不良），完全分散狀態(tài)。
2 氣液攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型
氣液分散攪拌器主要有三種：通氣式、自吸式和表面新式。
2.1 通氣式
工業(yè)上約80％采用了通氣式攪拌器。通氣式常采用各種渦輪攪拌器，主要由氣體分布器、攪拌器、攪拌槽構(gòu)成。
2.2 自吸式
自吸式機(jī)械攪拌反應(yīng)器，是攪拌槳具有開(kāi)小孔的空心軸或在攪拌軸外裝有軸套，利用葉輪將液體甩出形成的負(fù)壓從液面上部吸入氣體，再靠槳葉分散氣泡。
氣-液相接觸面積的大小影響反應(yīng)速率的高低，一般的攪拌設(shè)備總是圍繞如何提高新鮮補(bǔ)充氣體的分散特性而設(shè)計(jì)制造的，但補(bǔ)充的新鮮氣體流量有時(shí)是有限的，這就嚴(yán)重制約了反應(yīng)速率提高。而自吸式攪拌機(jī)具備將釜內(nèi)液面上的氣體重新吸入并分散于液相的特點(diǎn)，可大幅度提高氣含率和氣-液相的接觸面積，從而達(dá)到提高反應(yīng)速率的目的。
自吸式氣液攪拌槳葉中氣泡從槳端逸出，呈球形，運(yùn)動(dòng)至釜壁，經(jīng)擋板碰擊后分別向上向下形成兩個(gè)環(huán)流流動(dòng)。就整個(gè)反應(yīng)器而言，氣泡在宏觀上分布比較均勻。氣泡直徑大多是2-3mm的圓球形氣泡，并不象通氣式攪拌中的氣泡要發(fā)生變形。
這種攪拌器不需要?dú)怏w分布器，主要用在粘度低的流體。普通的自吸式攪拌器只適用于深度不超過(guò)2.5m的反應(yīng)器，如果配上軸流槳，自吸式攪拌器的操作深度可達(dá)5m。目前這種深槽操作的自吸式攪拌器已經(jīng)在工業(yè)上得到了好的應(yīng)用，取得了良好的效果。
如果用在三相反應(yīng)中，比如液相加氫中有顆粒催化劑時(shí)，自吸式攪拌器則通常要配以能懸浮催化劑顆粒的攪拌器。
2.3 表面新式
表面新式攪拌器利用攪拌產(chǎn)生的湍流使氣液接觸表面不斷新，增加氣液傳質(zhì)。但是，由于既沒(méi)有外部氣體通入，又不能像自吸式攪拌器那樣吸入氣體，因此補(bǔ)充的氣體有限，適用在所需氣體不多的場(chǎng)合。
3 流型與操作
氣液攪拌體系的宏觀流動(dòng)狀態(tài)大部分為湍流狀態(tài)。其中液體的流動(dòng)主要與攪拌槳相關(guān)，可分為徑向流、軸向流和切向流，此處不再介紹，僅介紹氣體的流型。
3.1 氣體的流型
氣體的流型控制著氣相的再循環(huán)和返混程度，并決定了氣液傳質(zhì)推動(dòng)力。它還對(duì)液相的宏觀流動(dòng)和均一程度有著影響。評(píng)價(jià)氣體返混的指標(biāo)是再循環(huán)比例。一般來(lái)說(shuō)，大反應(yīng)器的氣體再循環(huán)比例要小于小反應(yīng)器的。氣速較小時(shí)，氣體的流動(dòng)主要受攪拌器的影響；氣速較大時(shí)，則主要受氣速的影響。
軸向流葉輪比徑向流葉輪能好地控制氣體地流動(dòng)。葉輪與氣體分布器地距離直接決定了氣體地流動(dòng)，如下圖所示。
3.2 液體的混合時(shí)間
液體的混合時(shí)間主要和氣速以及攪拌功率有關(guān)。液體溫度高時(shí)的混合要大大高于低溫時(shí)的。大氣速時(shí)，由于氣體的再循環(huán)比例減小，導(dǎo)致了液體的混合能力減弱。
值得注意的是：多層槳的情況與單層槳的情況大不一樣，比如高徑比為3、采用3層槳的混合能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高徑比為1、采用單層槳的。
