1 简介

    在许多过程中，气液接触是十分重要的，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很高的传质强度；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很高的分散能力。

    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、自吸式和表面更新式。

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显著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十分有限的，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显著特点，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，主要用在粘度很低的流体。普通的自吸式搅拌器只适用于深度不超过2.5m的反应器，如果配上高效轴流桨，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很好的应用，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 表面更新式

    表面更新式搅拌器利用搅拌产生的湍流使气液接触表面不断更新，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，因此补充的气体很有限，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显著的影响。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更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。

4 气液分散与传质

    搅拌槽内的气液传质大都由液侧阻力控制，比界面积越大，传质能力越强。因此比界面积直接决定了传质速率，而比界面积又是由气液分散决定的。

4.1 叶轮形式对气液分散的影响

4.1.1 直叶圆盘涡轮

    排量较大。圆盘可以阻止气泡直接穿过搅拌器，从而降低泛点转速，若没有圆盘易发生气泛。

4.1.2 斜叶圆盘涡轮

    属循环剪切兼顾型。可获得较好的气液分散，气含率和传质系数大，搅拌功率较小，泛点转速较低。

4.1.3 弯叶圆盘涡轮

    和直叶圆盘涡轮相似，但降低了搅拌功率。

4.1.4半管圆盘

    直叶圆盘涡轮背面易形成气穴而降低效率，而半管叶片的弯曲抑制了气穴的形成，具有了以下优点：

    载气能力提高，泛点转速提高；

    改善了分散和传质性能；

    泵送能力提高。

4.1.5 宽叶翼流型搅拌器

    叶轮区的面积率很大，延长了气体的停留时间，且泵送能力强。

4.2 气体分布器对气液分散的影响

    气体进入搅拌容器的方式十分重要。气体一般是在搅拌器下方被喷入容器，喷射环的直径小于搅拌器直径，这样可以使气体被充分分散，更大程度的增加气液接触面积。但是喷射环较小会导致搅拌叶片背后形成气穴。工业中约有80％的气体分布采用喷射环。

    大直径、靠近槽壁安装的环形分布器能有效防止气泛的发生，但对气体的分散能力降低了。

5 传热

    搅拌槽中的气体行为从两种途径影响着传热系数：一是产生两次循环流，提高湍流强度；一是气泡在还热面上附着，增大热阻。

    斜叶圆盘涡轮＆直叶圆盘涡轮的组合式搅拌器表面传热系数较高，对气速的变化不敏感。

6 多层搅拌器

    对高径比大的搅拌容器，采用单层桨不能获得好的混合能力时就需要采用多层搅拌器，比如在发酵工业中。

    多层搅拌器中，常采用多种型式的搅拌器组合以获得较高的搅拌效果，使轴向循环能力和剪切分散能力得到综合的平衡。比如，有的搅拌过程需要循环与剪切兼顾，这时采用了上两层循环能力强的宽叶翼流型搅拌器，下层采用了剪切能力强的半管圆盘叶轮。

    不同层搅拌桨之间的层间距对气体的分散效果有较大影响。增大层间距可使下层叶轮的分散性能提高，并能提高平均气含率。

7 新型搅拌器

    现在，气液反应和搅拌系统又有了一些新进展：（1）高蒸汽压系统，比如沸腾。（2）高气速行为（表观气速>0.08m/s）。（3）搅拌器范围的扩大，包括凹面桨的设计和宽桨叶的液压成形。（4）气体的再循环率及其传质推动力关系的正确计算。

    气液搅拌中，为了得到更长的气体停留时间，或者更好的气体流型，有研究机构和公司开始设计新型的搅拌器。

    比如有的反应器在液体表面增加了一个自吸式搅拌器，使溢出的气体重新返回液体中，增加了气体的停留时间。

    有专家正在研究一种可以改变气体流型的搅拌器，如下图所示。这是一种多层桨，朂下层是径流桨，上两层是起吸气作用的翼流桨，通过翼流桨可以强制改善气体的流型。

8 气液搅拌设备的应用

    气液搅拌设备主要用于加氢、氧化气体脱除等物理化学过程。在加氢、氧化、氯化、磺化等过程中，需要搅拌器能提供较高的气液分散能力，增加气体的停留时间。在发酵等过程中，需要循环剪切兼顾，宜用多层组合桨。