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氣液體系的流型與操作

       1 簡介
       在許多過程中，氣液接觸是重要的，氣體需要與液體進行充分且有效的接觸以提供足夠的質量傳遞或熱量傳遞能力。比如有的氯化和磺化反應是快反應，這需要攪拌器能提供高的傳質強度；有的反應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。
       早期研究認為，氣液分散是氣體直接被攪拌器剪切成細小的氣泡而形成的。但近年的研究表明，氣液分散是受氣穴控制的。當氣速過大或攪拌轉速過低時，整個攪拌器被氣穴包裹，氣體穿過攪拌器直接上升到液面，發生氣泛。
       氣液接觸過程的主要有有以下幾種：氣相和液相需要的停留時間分布、允許壓力降、相對質量流率、是否逆流接觸、局部混合能力、是否需要補充或移出熱量、腐蝕條件、泡沫行為與相分離、反應時需要的流型、反應與傳質的關系、層流和過渡區的流變行為等。這些因素又大都與攪拌器關系密切。
       攪拌槽內的氣體分散大致有以下幾個狀態：氣泛狀態（大部分氣體未分散，氣泡沿攪拌軸直接上升到液面），載氣狀態（氣體基本得到分散，分布器以下分布不良），完全分散狀態。
       2 氣液攪拌設備的結構類型
       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、攪拌槽構成。
       2.2 自吸式
       自吸式機械攪拌反應器，是攪拌槳具有開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速率的高低，一般的攪拌設備總是圍繞如何提高新鮮補充氣體的分散特性而設計制造的，但補充的新鮮氣體流量有時是有限的，這就嚴重制約了反應速率提高。而自吸式攪拌機具備將釜內液面上的氣體重新吸入并分散于液相的特點，可大幅度提高氣含率和氣-液相的接觸面積，從而達到提高反應速率的目的。
       自吸式氣液攪拌槳葉中氣泡從槳端逸出，呈球形，運動至釜壁，經擋板碰擊后分別向上向下形成兩個環流流動。就整個反應器而言，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生變形。
       這種攪拌器不需要氣體分布器，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2.5m的反應器，如果配上軸流槳，自吸式攪拌器的操作深度可達5m。目前這種深槽操作的自吸式攪拌器已經在工業上得到了好的應用，取得了良好的效果。
       如果用在三相反應中，比如液相加氫中有顆粒催化劑時，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生的湍流使氣液接觸表面不斷新，增加氣液傳質。但是，由于既沒有外部氣體通入，又不能像自吸式攪拌器那樣吸入氣體，因此補充的氣體有限，適用在所需氣體不多的場合。
       3 流型與操作
       氣液攪拌體系的宏觀流動狀態大部分為湍流狀態。其中液體的流動主要與攪拌槳相關，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和返混程度，并決定了氣液傳質推動力。它還對液相的宏觀流動和均一程度有著影響。評價氣體返混的指標是再循環比例。一般來說，大反應器的氣體再循環比例要小于小反應器的。氣速較小時，氣體的流動主要受攪拌器的影響；氣速較大時，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。葉輪與氣體分布器地距離直接決定了氣體地流動，如下圖所示。
       3.2 液體的混合時間
       液體的混合時間主要和氣速以及攪拌功率有關。液體溫度高時的混合要大大高于低溫時的。大氣速時，由于氣體的再循環比例減小，導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遠低于高徑比為1、采用單層槳的。