[VIP专享]气升式环流反应器

气升式环流反应器的简介和进展
杨帆
（华东理工大学,上海,200237）
摘要：综述了气升式环流反应器的工作原理和主要影响因素的研究进展和最新应用，并且介绍了今后气升式环流反应器的主要进展方向。

关键词：气升式环流反应器；原理；影响因素；最新进展
气升式环流反应器(airlife loop reactor，简称ALR)，是目前应用最广泛的生物反应设备。

这类反应器具有结构简单、能耗低、剪切应力小、混合好等优点。

气升式环流反应器对于反应物之间的混合和传质都是相当有利的。

气升式环流反应器是由鼓泡反应器改进而来的新型反应器，它综合了鼓泡床和搅拌釜的性能，与鼓泡床反应器相比，环流反应器具有液体定向流动的特点，在较低的表观气速之下即可以实现固体颗粒的完全悬浮，并且目前被应用于诸多领域诸如费托合成、一步法合成甲醇与二甲醚、汽油脱硫、重油氢化、生物废水处理及发酵工程等。

反应器有多种形式，大致可以分为：内环流和外环流，单级和多级，单筒和多桶等等。

1气升式环流反应器的工作原理
气升式环流反应器的构造如图1-1所示，在反应器内没有搅拌器，其中央
有一个导流筒，将反应器内部的液体分成上升区（导流筒内）和下降区（导流筒外），在上升去的下部安装了很多的空气喷嘴，或者环型气体分布管，空气分布管的下方许多喷孔。

反应器工作时，加压空气通过喷嘴或者喷孔喷射进入反应器的上升区，喷射气速可达250~300m/s，气体进入上升管后，通过汽液混合物的湍流作用使空气气泡分割细碎，形成巨大的接触面积，与导流筒内的液相或者液固混合物密切接触从而充分反应。

由于导流筒内形成的气液混合物密度会降低，加上空气被压缩后的动能，因此会使得导流筒内的液体向上流动；到达反应器上部液面后，一部分气生泡破碎，汽液混合物中的气体排出到反应器的上部空间，因排出部分气体的液体通过导流筒上部向导流筒外流动，导流筒外的液体因排出气体后会变得气含率减小，密度增大，所以在重力作用下液体
图2-1 气含率随表观气速变化关系
影响。

气泡的尺寸和分布是环流反应器的重要研究内容。

衡量气泡尺寸的主要指标是Sauer 直径，其表达式为：
∑∑=23/bi
i bi i n d n d n d 公式的含义是将气泡分为不同的级别，
为第个级别的气泡直径，而为第
bi d i i n 个级别气泡的数量。

i 气泡尺寸及其分布的主要影响因素有表观气速、液相物性和反应器的尺寸等。

观气速增加，气泡的空间密度上升，气泡的聚并速率加快，气泡尺寸变大；粘度增加，气泡的破碎速率变慢，使得气泡尺寸增加；表面张力增加，气泡的聚并速率加快，破碎速度变小，气泡尺寸相应变大；压力增加，气泡内外的相对压力变小，气泡破碎所需克服的能量变小，气泡破碎速度变大，使气泡尺寸减小。

2.4扩散系数
环流反应器内部的传质包括气液相之间的传质和液体内部的传质两部分，为了对这两种行为进行区分，人们一般将液体内部之间发生的传质行为成为扩散，而将气液两相之间的传质行为称作传质。

环流反应器内的液相的扩散行为与反应器的形式和气液相之间的流动方式密切相关而液相混合又直接关系到气液相界面传递的物质能否快速进入液相深内部发生反应。

工业上经常使用轴向返混模型或者Peclet 准数去描述反应器的混合行为，并且采用脉冲法来测定反应器内部的停留时间分布，得到返混的模型。

2.5传质特性
传质特性是指气体向液相内部扩散的扩散速率，具体的传质速率可以表示为：
)
(i e L c c k K -=其中K 表示传质速度，kL 表示传质速率系数，两个浓度分别是相际接触表面的平衡浓度和液相主体的浓度，是传质的推动力。

K 作为气升式环流反应器的最重要传质性能参数，也是反应器放大的重要依据。

研究表明，液相的湍动程度增加可以是传质系数变大，从而增加传质速率，而浓度主要是收到了气液两相性质的影响，跟粘度也有关系。

3反应器的设备参数
反应器的设备参数主要有高径比、气体分布器、气液分离器和其他内件的
数据。

3.1高径比
对于改进型方圆气升式反应器，气含率、液体循环速度和混合时间随升气
管的高度与升气管直径之比及升气管和降液管的截面积之比不同而变化。

在实
验范围内，高径比为11.2及升气管和降液管的截面积之比为0.695时，流体力
学性能较好。

另外也有学者研究了高径比对外环流气升式反应器性能的影响，
结果也存在一个最佳的高径比。

较多研究结果表明气升式环流反应器的最佳高径比在10~14左右。

3.2气体分布器
气体分布器对ALR的影响取决于流体的流型和物性。

当流动形态为鼓泡时，气泡的大小由分布器的孔径和气速决定。

气含率随着气速的增加几乎呈线性，
同一气速下，小孔径分布器的气含率和传质速率大于大孔径的气含率和传质速率。

在不均匀湍动的流动下，湍动控制着流体动力学的行为，气泡的大小并不
受到分布器和喷嘴的影响。

3.3气液分离器
气液分离器能够显著的影响气体再循环的速度，今儿影响气升式反应器总
的流体力学与传质性能。

有气液分离器的ALR中降液管的气含率和气体再循环量减少，但是液体的循环速度、湍流强度增强，相对于没有气液分离器的ALR，总气含率和气体再循环量都比较大，操作时易不稳定。

4气升式环流反应器研究进展
目前气升式反应器的研究与开发越来越深入，已进入光化学、声化学等高
能化学应用领域。

4.1气升式光化学反应器
新开发的气升式光生物反应器能较好的移除光合成氧，可用来培养需光的
有机物。

Sanchez Miron等研究了工作体积均为0.06m3、用于海藻培养的鼓泡塔与气升式光生物反应器，测定并关联了水力学性能及总气液传质系数。

Merchuke等研究了红微藻在3种13dm3生物反应器（鼓泡塔、气升式反应器、
改进的具有螺旋流促进器气升式超声反应器）内的生长，光流密度为
250muE/m2，实验结果表明第种结构的气升式反应器需要较少的气体量。

4.2气升式化学反应器
利用气升式超声反应器破碎海带提取硫酸酯多糖。

在相同实验条件下，使
用超声波的硫酸酯多糖提取率为1.86%，远大于无超声波的提取率1.11%，且提取时间由3h缩短到25min。

5结语
气升式环流反应器正在以其独特的力学性能和汽液传质的优点被越来越广泛的推广于生物反应器和化工反应器，目前已从的基础理论研究转向应用研发及开发新的高能气升式反应器。

国内对气升式反应器的研究、应用正在逐步赶上国际水平。

但由于实际应用反应体系的复杂性与多样性，且在气升式反应器中流体力学与传质的复杂性，所以今后仍需要对气升式环流反应器进行更详细的理论研究。

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