气升式环流反应器的研究进展

马文婷

（中国石油大学（北京）化学工程学院)

0 前言

环流反应器是一种高效的气-液、气-液-固反应器，广泛应用于石油化工、生物化工、冶金、制药和环保等领域。气升式环流反应器是在鼓泡床基础上发展起来的，它是一种气体搅动装置，由气体提供动力带动反应器内的混合物进行运动和混合。相比于机械搅拌釜，在降低设备投资成本的同时，气升式环流反应器避免了由于密封、轴承或者磁力驱动导致污染的可能。相比于传统的鼓泡床，气升式环流反应器还具有使流体定向流动的特点，因此可以在较低的表观气速下实现固体颗粒的完全悬浮，提高操作弹性与稳定性，降低能耗，在缩减成本的同时也达到节能环保的目的。随着科学技术的发展，人们对环流反应器的研究也越来越深入，其理论也越来越完善，自1955年被提出至今，从初始的针对气液、气液固体系的研究，到后来中国石油大学 （北京）的刘梦溪等人将气液环流的理论合理地移植、耦合到气固体系，从而进行的气固体系的研究都在蓬勃发展着[1，5]。

1 气升式环流反应器的结构研究

气升式环流反应器 (airlift loop reactors，简称ALR)根据其自身结构的不同，通常按照上升管和下降管的布置分为两类。一类称为气升式内环流反应器，其上升管和下降管都在反应器内部，结构紧凑，循环也是在反应器内部完成的，在鼓泡床的内部放置隔板或导流筒，将反应器内部分隔为不同的流道，根据气体入口位置的不同又进一步分为中心气升式和环隙气升式反应器[2-3]；另一类为气升式外环流反应器，通常将下降管置于反应器外部以便加强传热。内环流、外环流反应器如图1所示。

图1 内环流与外环流反应器

2 气升式环流反应器主要流体力学特性的研究

气含率是用气相在气升式环流反应器中所占的体积分数表示的，根据考察空间的不同可分为局部气含率和平均气含率，气含率的大小对气-液相界面积有直接影响，并进而影响相间传质速率。中国石油大学 （北京）的金家琪[4]等人采用空气-水的气液两相体系考察了不同表观气速下有中心下料管和环管式气体分布器的环流反应器内部局部气含率和内环气泡上升速度的流体力学特性，实验结果表明：气含率随表观气速的增大而增大；在相同的条件下外环的气含率远远低于内环的气含率，分布器下部的气含率远远低于分布器上部气含率，外环气含率随轴向高度的增大而逐渐增大；气体分布器和下料管的液体入口之间的气含率和气泡速度明显受到影响。

刘梦溪[5]等人针对工业化中气固环流器的缺陷，提出了一种新型的环隙气升式气固环流反应器，发现环隙区床层空隙率随着环隙区表观气速的增加而增加，颗粒流动速率基本不随轴向位置的变化而变化。导流筒区颗粒流动速率受气体分布器结构影响较大，颗粒流动属于密相输送，颗粒环流所受阻力主要集中在底部区域，其次为气固分离区，底部区域阻力大小由床层流化质量和导流筒下端距反应器底部的间隙所决定。

液体循环速度是气升式反应器的重要流体力学参数，它不但影响反应器的流体混合特性，还影响颗粒悬浮、温度和浓度的均匀性。

王红心[6]等研究表明，随着上升气体表观速度的增加和导流筒直径的增加，床内循环液速也增加；固含率一定条件下，固含物粒径越大，循环液速也越大；溶液浓度增加，循环液速也增加；床层中的固含率增加，循环液速将减小；系统温度增加，循环液速也增加；降液管给气时的循环液速小于中心导流筒给气方式的循环液速。

3 气升式旋流反应器的工业应用

气升式反应器已广泛应用于生化过程 (发酵、酶反应)、化学工业、环境工程、冶金及煤的液化和加工。自1984年方凤山用气升式环流反应器生产酵母，证实反应器放大成功之后，气升式反应器在各种生化过程及化学反应过程的应用越来越多，国内已在发酵红曲酶素、核酸酶P、单细胞蛋白、β-胡萝卜素、黄原胶、谷氨酸、甘油发酵等产品的生产研究中使用了气升式反应器，其使用效果均令人满意。值得一提的是目前气固环流反应器已被成功应用于石油炼制工程中，卢春喜、刘梦溪等人成功开发了一种组合式环流汽提器，并已在扬子石化、燕山石化8×105t/a等国内多套催化裂化装置（FCCU）上成功应用。

4 结论与展望

本文简要介绍了气升式环流反应器的类别和结构，并就操作条件和几何结构对环流反应器内两相流体力学行为的影响规律进行了分析。本文简单列举了环流反应器在工业上的应用，可为实际生产中反应器的选择与应用提供合理的参考依据。

[1] 张喆．气升式环流反应器CFD优化研究 [D] ．上海：上海交通大学，2009．

[2] Juan C Garcia， Antonio G Lavin， Mario Diaz.High liquid holdup airlift tower loop reactor（I）:Riser hydrodynamic characteristics[J] .Journal of Chemical Technology and Biotechnology， 2000， 75： 369-377．

[3] Olivieri G,Marzocchella A,Ommen J R van.Local and global hydrodynamics in a two-phase internal loop airlift[J] .Chemical Engineering Science,2007,62:7068-7077．

[4] 金家琪，王莉，卢春喜，等．强制液体外循环气升式内环流反应器的流体力学特性 [J] .化工学报，2007， 58 （7）： 1677-1684．

[5] 刘梦溪，谢建平，卢春喜，等．环隙气升式气固环流反应器内流体力学特性的理论 [J] ．化工学报，2008， 59 （9）： 2198-2205．

[6] 王国胜，王红心．气升式反应器内三相条件下流动行为研究Ⅱ——循环液速的影响[J] ．辽宁化工，2001， 30(10)： 437-43.