曝气形式对气升式内循环反应器中传质行为的影响文献综述

 2021-09-30 22:56:01

毕业论文课题相关文献综述

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文 献 综 述

气升式环流反应器(ALR)是一种以气源作为动力、使液体混合与循环流动的反应器 ,是在鼓泡塔的基础上发展起来的已工业应用的ALR有内循环式和外循环式两种类型,无论哪种类型的反应器都由4个基本部位组成:上升段、下降段、器底和气液分离器。每一部位的液体流动特性各有差异,基质传递、产物形成、热量交换情况在各处也不一样 [1]。内循环式和外循环式环流反应器的基本结构见图1[2]。

气升式内循环反应器为内部装有导流筒的鼓泡塔。导流筒的主要作用是将反应体系隔离为一通气区与非通气区，以使反应器中的流体产生上下流动，增强流体的轴向循环；使流体沿一固定方向运动，以减少气泡的兼并，有利于提高氧传递速率；使反应器内剪切力更加均匀。[3]

当气体通过分布器进入导流筒内时，导流筒成为升液管；若相反，气体直接进入导流筒和反应器筒体之间的环隙时，导流筒则为降液管。气体分布器附近和升液管内的流体密度较小，而反应器其他部位和降液管内流体密度则较大，因此在密度差的推动下实现流体循环，以使其传递与混合过程得到强化。[3]

Gavrilescu等对内循环式反应器的重要结构参数进行了归纳，如表1[3]。

参数类型

计算式

反应器的高径比

S=HL/D

气-液分离区的无量纲高度

T=hs/D

底部澄清区的无量纲高度

B=hB/D

降液管与升液管的横截面积之比

R=AD/AR

气液分离系统

Y=(hs D)/Ds

其中HL为反应器液面高度；D为反应器直径；hs为升液管顶部与反应器物料液面间距离，为气-液分离区的特征参数；hB为导流筒边与反应器底部间距离，为底部澄清区的特征参数；AD和AR分别为降液管和升液管的横截面积；DS为气液分离器的直径[3]。

气升式内循环反应器是一种新型生物反应器[4]，与传统的机械搅拌反应器相比，具有结构简单、容易密封、能耗低、噪音小、造价低等优点[5]。目前在生物工程、化学工业、湿法冶金及能源化工等领域中得到了应用[6]。

氧在水中的溶解度较低，在常温常压下，纯水中氧的溶解度为0.2mmol/L，在发酵液中的溶解度则更低。然而在发酵过程发酵液中氧气浓度是限制微生物生长的重要因素，所以生物反应器的设计对其传质性能要求较高。特别是随着反应器体积的增大，其内部各区域的局部气含率及传质性能将成为反应器设计的一项重要内容。氧传递的强化在生物发酵过程中十分重要，尤其在高密度发酵中氧的传递常常成为限制性因素。因此，作为强化氧传递的手段，曝气方式的正确选择占有重要地位。

曝气是指将空气中的氧强制向液体中转移的过程，其目的是获得足够的溶解氧。此外，曝气还有防止池内悬浮体下沉，加强池内有机物与微生物及溶解氧接触的目的。从而保证池内微生物在有充足溶解氧的条件下，对污水中有机物的氧化分解作用[7]。

气升式反应器作为一种结构简单的节能型反应器，在生化工程领域的应用逐渐被推广。生化反应涉及到的许多发酵液表现出非牛顿流体特性。[8]曝气形式的不同，会引起表观气速、气泡上升速度、气含率等参数的变化。南京工业大学的张峰等[9]在相同曝气量下，通过比较曝气头结合膜管曝气与单纯的曝气头曝气的效果，发现前者对氧体积传质系数的提高更为明显。Jajuee等[10]在平板膜一侧曝气，利用膜组件本身导流形成气液内循环流，提高了膜表面冲刷速度。Antonio Contreras等[11]研究了分布器孔径对海水剪切速率和传质的影响，发现在泡状流中，具有最小孔隙尺寸的分布器产生最低剪切速率和最高的质量传递速率。在非均匀流体中，喷头孔径不影响剪切速率或质量转移。

Luo 等[12]研究了2孔喷嘴、4孔喷嘴和环形气体分布器对气含率，液体循环速度与体积传质系数的影响。2孔喷嘴、4孔喷嘴实验数据表明喷嘴孔径越小数量越多对传质越有利，这是因为产生的气泡直径较小且液体循环速度较大。尽管环形分布器的孔径最小，孔数最多，但测定体积传质系数要比4孔喷嘴小，这是因为较低的气体逸出速度影响气液相相互作用，导致气泡直径较大，液体循环速度较小，从而降低体积传质系数。

不同粘度的发酵液，会不同程度地影响气-液相流体力学性质与传质行为，从而影响发酵结果。粘度的改变，会造成气-液相流体力学性质及传质行为的改变。Qian Wu等[13]发现随着液体粘度的增加，平均气含率起先增加而在液体粘度超过临界值（μ1≈3.7 cP）后转向减少，只有气泡直径呈现相反的变化。μ1 3.7 cP后，截面平均索特直径随着液体粘度的增加而增加。其分布在较低液体粘度下分布会更加均匀。在液体粘度上升至10.3cP之后，气泡上升速度先明显增加后保持不变。而随着轴向高度的增加，平均气含率先增加后保持不变。局部气含率的径向分布呈现中心峰分布，并且入口处的值小于更高位置处的值。

本课题考察膜管和孔板分布器两种曝气方式，对气升式内循环反应器，气-液相流体力学性质与传质行为的影响。

参考文献：

[1]聂大仕，崔莹莹，张强，孙当如.气升式环流反应器的特性及应用.[J]化学工业与工程技术.Dec.，2004：Vol.25 No.6

[2]赵东胜等.气升式反应器研究进展.[J]化工进展.2007年第26卷第6期

[3]戚以政，夏杰，王炳武.生物反应工程.化学工业出版社.2009.8第二版

[4]金仁村等. 改进型气升式内环流硝化反应器氧传递特性的研究.[J]Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities.Feb.2006：No.1 Vol 20

[5]何静，许文跃. 内循环气升式反应器冷模特性的研究.[J]华中农业大学学报. 2003年4月: Vol 22 No.2

[6]董永刚，严超宇. 环流反应器的研究现状与展望.[J]现代机械.2009年第4期：P87-88

[7]曝气，百度百科.

http://baike.baidu.com/link?url=vLg_N_txnWCDRt5p3nFsukmc5xw-uAWwhcL21Q1Ug8YmUsVE_UZXa9g2Rc-1g2QJ

[8] 赵佼，章学钦.环隙气升式反应器在非牛顿流体体系中的应用.[J].华东理工大学学报.1995-10：Vol.21 No.5

[9]张峰，景文珩，邢卫红，徐南平，王焕章.外循环气升式膜反应器中的体积传质系数.[J]化学工程.2008年11月，Vol.36 No.11

[10]JAJUEE B，MARGARITIS A,KARAMANEV D,et al.Mass transfer characteristics of a novel three-phase airlift contactor with a semipermeable membrane[J].Chem Eng Joural,2006,125(2):119-126

[11] Antonio Contreras, Francisco Garca, Emilio Molina, Jose C. Merchuk，Influence of sparger on energy dissipation,shear rate,and mass transfer to sea water in a concentric-tube airlift bioreactor.[J]Enzyme and Microbial Technology 25(1999)820-830

[12] L.J. Luo, F.N. Liu, Y.Y. Xu, J.Q. Yuan，Hydrodynamics and mass transfer characteristics in an internal loop airlift reactor with different spargers, Chem. Eng. J. 175 (2011) 494-504.

[13] Qian Wu,Xuekui Wang,Tiefeng Wang,et al.EFFECT OF LIQUID VISCOSITY ON HYDRODYNAMICS AND BUBBLES BEHAVIOUR OF AN EXTERNAL-LOOP AIRLIFT REACTOR.[J]The Canadian Journal of Chemical Engineering:Volume 9999,2013

文 献 综 述

气升式环流反应器(ALR)是一种以气源作为动力、使液体混合与循环流动的反应器 ,是在鼓泡塔的基础上发展起来的已工业应用的ALR有内循环式和外循环式两种类型,无论哪种类型的反应器都由4个基本部位组成:上升段、下降段、器底和气液分离器。每一部位的液体流动特性各有差异,基质传递、产物形成、热量交换情况在各处也不一样 [1]。内循环式和外循环式环流反应器的基本结构见图1[2]。

气升式内循环反应器为内部装有导流筒的鼓泡塔。导流筒的主要作用是将反应体系隔离为一通气区与非通气区，以使反应器中的流体产生上下流动，增强流体的轴向循环；使流体沿一固定方向运动，以减少气泡的兼并，有利于提高氧传递速率；使反应器内剪切力更加均匀。[3]

当气体通过分布器进入导流筒内时，导流筒成为升液管；若相反，气体直接进入导流筒和反应器筒体之间的环隙时，导流筒则为降液管。气体分布器附近和升液管内的流体密度较小，而反应器其他部位和降液管内流体密度则较大，因此在密度差的推动下实现流体循环，以使其传递与混合过程得到强化。[3]

Gavrilescu等对内循环式反应器的重要结构参数进行了归纳，如表1[3]。

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