气液体系的流型与操作

       1 简介
       在许多过程中，气液接触是重要的，气体需要与液体进行充分且有效的接触以提供足够的质量传递或热量传递能力。比如有的氯化和磺化反应是快反应，这需要搅拌器能提供高的传质强度；有的反应需要吸收难以溶解的氧气，这又需要搅拌器能提供高的分散能力。
       早期研究认为，气液分散是气体直接被搅拌器剪切成细小的气泡而形成的。但近年的研究表明，气液分散是受气穴控制的。当气速过大或搅拌转速过低时，整个搅拌器被气穴包裹，气体穿过搅拌器直接上升到液面，发生气泛。
       气液接触过程的主要有有以下几种：气相和液相需要的停留时间分布、允许压力降、相对质量流率、是否逆流接触、局部混合能力、是否需要补充或移出热量、腐蚀条件、泡沫行为与相分离、反应时需要的流型、反应与传质的关系、层流和过渡区的流变行为等。这些因素又大都与搅拌器关系密切。
       搅拌槽内的气体分散大致有以下几个状态：气泛状态（大部分气体未分散，气泡沿搅拌轴直接上升到液面），载气状态（气体基本得到分散，分布器以下分布不良），完全分散状态。
       2 气液搅拌设备的结构类型
       气液分散搅拌器主要有三种：通气式、自吸式和表面新式。
       2.1 通气式
       工业上约80％采用了通气式搅拌器。通气式常采用各种涡轮搅拌器，主要由气体分布器、搅拌器、搅拌槽构成。
       2.2 自吸式
       自吸式机械搅拌反应器，是搅拌桨具有开小孔的空心轴或在搅拌轴外装有轴套，利用叶轮将液体甩出形成的负压从液面上部吸入气体，再靠桨叶分散气泡。
气-液相接触面积的大小影响反应速率的高低，一般的搅拌设备总是围绕如何提高新鲜补充气体的分散特性而设计制造的，但补充的新鲜气体流量有时是有限的，这就严重制约了反应速率提高。而自吸式搅拌机具备将釜内液面上的气体重新吸入并分散于液相的特点，可大幅度提高气含率和气-液相的接触面积，从而达到提高反应速率的目的。
       自吸式气液搅拌桨叶中气泡从桨端逸出，呈球形，运动至釜壁，经挡板碰击后分别向上向下形成两个环流流动。就整个反应器而言，气泡在宏观上分布比较均匀。气泡直径大多是2-3mm的圆球形气泡，并不象通气式搅拌中的气泡要发生变形。
       这种搅拌器不需要气体分布器，主要用在粘度低的流体。普通的自吸式搅拌器只适用于深度不超过2.5m的反应器，如果配上轴流桨，自吸式搅拌器的操作深度可达5m。目前这种深槽操作的自吸式搅拌器已经在工业上得到了好的应用，取得了良好的效果。
       如果用在三相反应中，比如液相加氢中有颗粒催化剂时，自吸式搅拌器则通常要配以能悬浮催化剂颗粒的搅拌器。
       2.3 表面新式
       表面新式搅拌器利用搅拌产生的湍流使气液接触表面不断新，增加气液传质。但是，由于既没有外部气体通入，又不能像自吸式搅拌器那样吸入气体，因此补充的气体有限，适用在所需气体不多的场合。
       3 流型与操作
       气液搅拌体系的宏观流动状态大部分为湍流状态。其中液体的流动主要与搅拌桨相关，可分为径向流、轴向流和切向流，此处不再介绍，仅介绍气体的流型。
       3.1 气体的流型
       气体的流型控制着气相的再循环和返混程度，并决定了气液传质推动力。它还对液相的宏观流动和均一程度有着影响。评价气体返混的指标是再循环比例。一般来说，大反应器的气体再循环比例要小于小反应器的。气速较小时，气体的流动主要受搅拌器的影响；气速较大时，则主要受气速的影响。
       轴向流叶轮比径向流叶轮能好地控制气体地流动。叶轮与气体分布器地距离直接决定了气体地流动，如下图所示。
       3.2 液体的混合时间
       液体的混合时间主要和气速以及搅拌功率有关。液体温度高时的混合要大大高于低温时的。大气速时，由于气体的再循环比例减小，导致了液体的混合能力减弱。
       值得注意的是：多层桨的情况与单层桨的情况大不一样，比如高径比为3、采用3层桨的混合能力要远远低于高径比为1、采用单层桨的。