1  前 言
 
氣液攪拌反應(yīng)器廣泛應(yīng)用在石油、化工、生物、制藥、食品等行業(yè)中。 比如在發(fā)酵過(guò)程中 ,攪拌的shou要作用是要分散氣體 ,增加氣液接觸面積 ,提高氣液傳質(zhì)速率。 針對(duì)適用于氣液兩相攪拌器的研究開(kāi)發(fā)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程 ,這主要是由于氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜性所決定的。相比較而言 ,適用于氣液兩相攪拌器的研究要落后于單相流攪拌器的研究。近年來(lái) ,隨著實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)及計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,對(duì)氣液兩相流動(dòng)行為的研究不斷深入 ,各混合設(shè)備公司及研究機(jī)構(gòu)也加強(qiáng)了氣液兩相攪拌器的研究開(kāi)發(fā)力度 ,出現(xiàn)了各種各樣的新型氣液兩相攪拌器。 本文將對(duì)氣液兩相攪拌器的研究歷史與現(xiàn)狀作簡(jiǎn)單綜述。
2 Rushton 渦輪攪拌器
 
從 50年代開(kāi)始 , Rushton渦輪一直被看作是氣-
 
液混合裝置的標(biāo)準(zhǔn)配置。 Rushto n渦輪攪拌器的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 ,通常是一個(gè)圓盤(pán)上面帶有六個(gè)直葉葉片 ,也稱為六直葉圓盤(pán)渦輪。 由于 Rushton渦輪在許多條件下能夠滿足工藝的需要 ,同時(shí)其結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單 ,容易加工制造 ,所以其應(yīng)用還是比較廣泛的。 但是事實(shí)證明:這種結(jié)構(gòu)并不是適用于氣液分散的**優(yōu)結(jié)構(gòu)。 V an 't Riet, Smith 等 ^{[1, 2 ]}發(fā)現(xiàn) ,當(dāng)用六直葉圓盤(pán)渦輪式攪拌器把氣體分散于低粘流體時(shí) ,在每片槳葉的背面都有一對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的漩渦 ,漩渦內(nèi)負(fù)壓較大 ,從葉片下部供給的氣體立即被卷入漩渦 ,形成氣體充填的空穴 ,稱為氣穴。 氣穴的存在使得攪拌器在充氣時(shí)的旋轉(zhuǎn)阻力減小 ,因而造成攪拌功率降低。功率的變化使得在裝置設(shè)計(jì)上出現(xiàn)一些問(wèn)題 ,如果按不充氣的功率設(shè)計(jì) ,會(huì)造成 
 
 
入 ,流動(dòng)一般說(shuō)來(lái)是非對(duì)稱的。 因此 ,在設(shè)計(jì)氣體分散攪拌器時(shí) ,將葉片設(shè)計(jì)成相對(duì)于圓盤(pán)成對(duì)稱結(jié)構(gòu) ,并不是**優(yōu)化設(shè)計(jì)。 1998年 , Bakker提出了采用彎曲非對(duì)稱葉片的想法 ,并據(jù)此開(kāi)發(fā)了**新一代的氣液混合攪
拌器 BT -6 ( Bakker  Turbine ) , 并申請(qǐng)了**
 
( U SP5791780)。
 
BT-6攪拌器的特點(diǎn)是采用了上下不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ,上面的葉片略長(zhǎng)于下部的葉片。 該設(shè)計(jì)使得上升的氣體被上面的長(zhǎng)葉片蓋住 ,避免了氣體過(guò)早地從葉輪區(qū)域直接上升而逃逸 ,而是使更多的氣體通過(guò)葉輪區(qū)域在徑向被分散。 該設(shè)計(jì)既保留了彎曲葉片的優(yōu)點(diǎn) ,能減少葉片后方發(fā)生氣穴 ,同時(shí)又能提高氣體分散的效率 ,其性能均優(yōu)于前述的各種徑向流氣液分散攪拌器。
圖 6是在不充氣狀態(tài)
 
時(shí) Rush ton 渦輪 ( D-6) , CD-6, BT -6攪拌器的攪拌
 
功率曲線。 從圖中可以看
 

出 , 在湍流區(qū)域 , 對(duì) Rush-
ton渦輪其功率準(zhǔn)數(shù)為 4.		6	圖 5  BT -6攪拌器
～ 5.	2,對(duì)于 CD-6約為 2.	8
～ 3.	2,而對(duì)于 BT -6僅約為 2.		3。 B T-6的設(shè)計(jì)更趨合

 
理 ,因而其功率**小。
 
圖 7是在充氣狀態(tài)時(shí)三種攪拌器的功率變化曲
 
線。 從圖中可以看出 , Rush to n渦輪功率下降非常明顯 ,僅為不充氣時(shí)的 25% 。 對(duì)于 CD-6,充氣后功率降為原來(lái)的約 70% 。 BT -6在充氣后功率變化較小 ,為不充氣時(shí)的 80% ～ 85% 。
 
良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能夠提高氣體處理量 ,而且能夠提高氣液間的傳質(zhì)速率。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 , CD-6的氣液間的傳質(zhì)系數(shù)較 Rushton 渦輪提高了 40% , 而B(niǎo)T-6 的氣液間傳質(zhì)系數(shù)較 Rushton 渦輪提高了 60% ,傳質(zhì)效果明顯加強(qiáng)。
圖 7  通氣時(shí)三種攪拌器的功率曲線
 
5  軸流式攪拌器
 
近年來(lái) ,氣液分散攪拌器的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是軸流式攪拌器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。軸流式攪拌器的特點(diǎn)主要有:能耗低 ,循環(huán)量大 ,剪切性能溫和等。在許多裝置 ,尤其是生化反應(yīng)器方面應(yīng)用得越來(lái)越廣泛。 G內(nèi)外軸流式攪拌器的應(yīng)用已經(jīng)很多 ^{[3 ]} ,較典型的有 Pro Chem 公司的 Max flo。 在 800 L罐曲霉的培養(yǎng)下 ,使用該軸流槳比傳統(tǒng)的 Rush to n渦輪傳質(zhì)系數(shù)提高 40% ,功耗降低
 
50% 。 還有美G Lightnin公司的 A315攪拌器。 A315
 
特別適合于氣液傳質(zhì)過(guò)程 ,在直徑大于 1 m 的實(shí)驗(yàn)裝置中 ,同樣的輸入功率下 , A315槳的持氣量比 Rush-ton渦輪高 80% ,氣體分散量提高 4倍 ,同時(shí)產(chǎn)量提高
10% ～ 50% ,其剪切力僅為 Rushto n渦輪的 25% , 較
 
適合于對(duì)剪切敏感的過(guò)程 ,如微生物的發(fā)酵過(guò)程等。此
 
外 ,還有德G Ekato 公司的 InterMig ,法G Ro bin公司的 HPM 等。 此類攪拌器的直徑均較傳統(tǒng)的 Rushto n 渦輪要大 ,約為槽內(nèi)徑的 47% ～ 60% 。
 
G內(nèi)在軸流式攪拌器的研究開(kāi)發(fā)方面已取得許多進(jìn)展。 北京化工大學(xué)開(kāi)發(fā)了 CBY系列攪拌器 ,并對(duì)各種工況下的流動(dòng)場(chǎng)、功耗、以及攪拌器的受力等進(jìn)行了


系統(tǒng)的研究 ,而且已經(jīng)將其成功的推廣應(yīng)用 ,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。華東理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了翼形槳 ,并提出采用組合槳 ^{[4, 5 ]}。 如在青霉素發(fā)酵中采用下為 Rushto n 渦輪 ,上為翼形槳的組合。用這種組合代替多層渦輪槳可使主體混合速率提高約 40% 。無(wú)錫輕工大學(xué)開(kāi)發(fā)了適用于中低粘物系的 LA攪拌器和適用高粘物系的 M T 攪拌器^{[ 6]}。江蘇石油化工學(xué)院開(kāi)發(fā)了 JH軸流式攪
 
拌器^{[7 ]}。
 
6  結(jié)語(yǔ)及展望
 
近年來(lái) ,隨著先進(jìn)測(cè)試技術(shù) (如 PIV , LDV 等 )及計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展 ,對(duì)氣液兩相體系流動(dòng)場(chǎng)的研究越來(lái)越多 ,而且越來(lái)越深入。 如 Friberg ^{[8 ]}將 Mo rud^{[9 ]} 的計(jì)算從二維擴(kuò)展到三維 ,在三個(gè)方向均得到了較好的計(jì)算結(jié)果 ,而且在計(jì)算中還捕捉到了位于葉輪后方的氣穴。**近 , Wu^{[ 10]}將 Rev stedt^{[11 ]}的大渦模擬方法擴(kuò)展到了兩相流動(dòng) ,采用歐拉 -拉各朗日法計(jì)算了雙層渦輪槳攪拌槽內(nèi)的氣 -液兩相流動(dòng)。其計(jì)算結(jié)果雖然沒(méi)有與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量比較 ,但這種方法卻是令人鼓舞的。有理由相信 ,將來(lái)會(huì)有更多高性能的氣液攪拌器被開(kāi)發(fā)出來(lái) ,并被推廣應(yīng)用。