耿淑君 ，毛在砂 ，黃青山 ,*，楊超 ,,*

a Key Laboratory of Biofuels, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101, China

b Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, China

c Key Laboratory of Green Process and Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

1.引言

氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器的特點是浮力驅(qū)動流動，能量輸入較少并且沒有移動部件。鼓泡塔和氣升式環(huán)流反應(yīng)器（ALR）是最常見的氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器。這些反應(yīng)器因結(jié)構(gòu)簡單、傳質(zhì)和傳熱性能優(yōu)異、能耗相對較低[6]，已廣泛應(yīng)用于氣-液和氣-液-固多相反應(yīng)過程，如生物發(fā)酵[1]、廢水處理[2]、光合生物的大規(guī)模培養(yǎng)[3,4]和能源化工[5]。除了這些優(yōu)點外，ALR還具有適用于生物反應(yīng)的低且均勻的剪切應(yīng)力[7–9]。ALR有兩種類型：內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器（IALR）和外環(huán)流反應(yīng)器（EALR）。ALR中的流體力學(xué)特性（如氣含率、固含率、液速、氣泡尺寸分布、流型、混合時間、停留時間分布等）、傳質(zhì)特性、傳熱系數(shù)和反應(yīng)速率代表了反應(yīng)器的操作性能，學(xué)者已在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（如反應(yīng)器高度[10]、降液管與上升管的橫截面面積比[11]、氣體分布器[12]）和不同操作條件（如溫度、壓力[5]、表觀氣速[13]、固體濃度[14]）下對其進行了系統(tǒng)的研究。基于實驗數(shù)據(jù)和能量平衡方程，得出了許多可預(yù)測漿態(tài)床反應(yīng)器中流體力學(xué)及傳遞特性的理論和經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式[15,16]。應(yīng)該注意的是，由于有限的數(shù)理統(tǒng)計或平衡方程的簡化，所提出的關(guān)系式對操作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)有一定的應(yīng)用局限。

隨著對傳統(tǒng)氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器研究的不斷深入，更多的研究開始集中于設(shè)計和優(yōu)化新型漿態(tài)床反應(yīng)器，以滿足不同的工業(yè)應(yīng)用。具體來說，在反應(yīng)器內(nèi)安裝內(nèi)管進行熱交換使得反應(yīng)器保持特定溫度；安裝擋板、靜態(tài)混合器和機械內(nèi)構(gòu)件，以增強反應(yīng)器內(nèi)部的整體混合[17,18]；使用多孔板來減少液體返混[19,20]；采用涂層的結(jié)構(gòu)化催化劑，無需對固體催化劑進行額外的分離[21]。學(xué)者關(guān)于這些新型氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器內(nèi)的流體力學(xué)、傳質(zhì)特性和混合特性已進行了許多研究，并提出各種經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式來預(yù)測和優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。

為了提高漿態(tài)床反應(yīng)器的性能，從而滿足不同工業(yè)過程的需要，研究者做出了許多努力。對于費托合成，固定床反應(yīng)器、列管反應(yīng)器、漿態(tài)床反應(yīng)器和循環(huán)流化床反應(yīng)器已經(jīng)商業(yè)化[22]。對于裝有內(nèi)冷卻管的工業(yè)氣-液-固漿態(tài)床反應(yīng)器，由于具有良好的混合和傳質(zhì)/傳熱性能，適用于生產(chǎn)柴油和石蠟[23]，因此是一種很有前景的工業(yè)反應(yīng)器。其中，對懸浮催化劑固體顆粒的分離是漿態(tài)床反應(yīng)器面臨的最大挑戰(zhàn)之一，推動了催化劑的設(shè)計（如蜂窩狀、結(jié)構(gòu)化填料或泡沫狀）以及混合與分離一體化漿態(tài)床反應(yīng)器的發(fā)展[24,25]。漿態(tài)床反應(yīng)器的設(shè)計和關(guān)注點與其他氣-液反應(yīng)過程，如甲醇合成和二甲醚合成[26]類似。與傳統(tǒng)的攪拌槽和鼓泡塔相比，ALR具有較高的吸附效率和較低的細(xì)胞剪切應(yīng)力，是一種有效的廢水處理裝置[27]。此外，ALR便于與各種技術(shù)相結(jié)合，如生物膜、膜、電凝聚、超聲波和光化學(xué)方法等，為廢水處理和生物發(fā)酵提供了多種選擇方案[28]。

本文綜述了氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器中氣-液兩相流和氣-液-固三相流過程強化的概念和技術(shù)，并介紹了相關(guān)的工業(yè)過程。此外，總結(jié)了過程強化漿態(tài)床反應(yīng)器中流動和傳遞的經(jīng)驗及理論關(guān)系模型。本文的結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)概述了鼓泡塔和ALR中混合和傳質(zhì)/傳熱的強化方法，包括內(nèi)構(gòu)件（即內(nèi)管、多孔板、擋板、靜態(tài)混合器、結(jié)構(gòu)化內(nèi)構(gòu)件或填充床以及機械內(nèi)構(gòu)件）、振動強化和組合方法。文中還介紹和比較了相關(guān)強化方法及其對流體力學(xué)和傳遞特性的影響。第3節(jié)主要概述了應(yīng)用于漿態(tài)床反應(yīng)器的液-固分離方法，重點介紹了沉降（重力沉降和離心沉降）、過濾和綜合分離方法。第4節(jié)闡述了氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器重要的工業(yè)設(shè)計問題和面臨的挑戰(zhàn)。隨著計算流體力學(xué)（CFD）的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬已成為漿態(tài)床反應(yīng)器設(shè)計、優(yōu)化和放大的有效方法，該方法可顯著提高氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器性能，也可以被認(rèn)為是一種強化方法。因此，第5節(jié)側(cè)重于CFD模擬。最后，第6節(jié)針對氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器進行了總結(jié)與展望。

2.混合與傳質(zhì)/傳熱的過程強化

人們普遍認(rèn)為，鼓泡塔反應(yīng)器中每一相均處于非理想流動狀態(tài)，這會顯著影響反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和選擇性[29]。而在ALR中，各相具有定向流動的突出優(yōu)點[7]。因此，過程強化技術(shù)應(yīng)按照流動的本質(zhì)特征進行分類。

2.1.鼓泡塔

鼓泡塔由于具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、傳質(zhì)和傳熱性能好等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生化和石化過程，如氫化、發(fā)酵和費托合成[19,30,31]。據(jù)報道，在將合成氣轉(zhuǎn)化為液體燃料方面，鼓泡塔反應(yīng)器與傳統(tǒng)的固定床反應(yīng)器相比具有很大的競爭力[32]。在鼓泡塔中進行的大多數(shù)反應(yīng)必須通過增加內(nèi)部熱交換管來使之保持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶?。流動結(jié)構(gòu)需要合理控制，以擴大氣-液界面面積并減少返混，進而提高氣-液傳質(zhì)，減少副產(chǎn)物。在鼓泡塔中安裝不同類型的內(nèi)構(gòu)件和實施恒頻脈動是兩種主要的過程強化方法，以增強流體之間相互作用、傳質(zhì)/傳熱特性和反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率及選擇性。

2.1.1.內(nèi)構(gòu)件強化

2.1.1.1.內(nèi)管

鼓泡塔中發(fā)生的許多化學(xué)反應(yīng)都是大量放熱的，如費托合成、甲醇合成和乙酸生產(chǎn)等。因此，需要一組換熱管來保持反應(yīng)所需溫度并避免局部過熱[22,33]。在20世紀(jì)90年代，Sasol開發(fā)了一種帶有換熱管的漿態(tài)床反應(yīng)器用于費托合成，容量為2500 bbl?d–1（1 bbl =158.9873 L）[23]。對于甲醇合成過程，美國得克薩斯州拉波特的替代燃料開發(fā)公司開發(fā)了直徑為457.2 mm、裝有內(nèi)管的鼓泡塔反應(yīng)器[19]。裝有內(nèi)管的鼓泡塔反應(yīng)器如圖1 [34]所示。研究結(jié)果表明，由于內(nèi)管的安裝，氣含率和氣泡通過頻率均增加[34]。同時，由于氣泡破碎的增強，氣泡弦長和氣泡上升速度減小，特別是在致密內(nèi)構(gòu)件占有較大截面積的時候[35,36]。內(nèi)管通常以六邊形或圓形排列（圖1）。在鼓泡塔反應(yīng)器中，不同類型和尺寸的內(nèi)構(gòu)件對反應(yīng)器的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能有不同的影響，進而影響反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和選擇性。表1[20,34,35,37–44]總結(jié)了在鼓泡塔反應(yīng)器中安裝不同內(nèi)管的相關(guān)研究。

圖1.安裝內(nèi)管的鼓泡塔反應(yīng)器的示意圖。經(jīng)American Chemical Society許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻[34]，?2009。

Kagumba和Al-Dahhan [35]通過四點式光纖探針研究了鼓泡塔中的流體動力學(xué)行為，該鼓泡塔中裝有兩種直徑不同（分別為12.7 mm和25.4 mm）的垂直管束，其橫截面面積占有率相同（25%）。實驗結(jié)果表明，當(dāng)表觀氣速為0.03 m?s–1時，反應(yīng)器內(nèi)部為均勻鼓泡流，塔中心的局部氣含率最大可提高40%，而且內(nèi)構(gòu)件直徑為25.4 mm的反應(yīng)器內(nèi)的氣含率大于內(nèi)構(gòu)件直徑為12.7 mm的反應(yīng)器內(nèi)的氣含率。然而，當(dāng)在表觀氣速為0.45 m?s–1的不均勻氣泡流狀態(tài)下，安裝25.4 mm和12.7 mm內(nèi)管，反應(yīng)器的氣含率僅平均增加2%。在表觀氣速為0.03 m?s–1～0.45 m?s–1時，實驗觀察發(fā)現(xiàn)，與使用25.4 mm內(nèi)管相比，使用12.7 mm內(nèi)管時的相界面面積和氣泡通過頻率更高。然而，Sultan等[45]得出了不同的結(jié)論，他們認(rèn)為兩種不同尺寸的內(nèi)管對均勻氣泡流狀態(tài)下的局部氣含率的影響可以忽略不計。當(dāng)表觀氣速為0.45 m?s–1時，反應(yīng)器處于不均勻氣泡流狀態(tài)，使用25.4 mm的內(nèi)管在靠近壁面的區(qū)域可獲得較高的氣含率。結(jié)果還表明，在有內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔中，氣含率徑向分布呈波浪型，而無內(nèi)管的鼓泡塔的氣含率徑向分布為拋物線型。此外，氣含率徑向分布曲線的形狀和陡度與內(nèi)管的數(shù)量和尺寸有關(guān)，Al-Mesfer等[46]也得到了類似的結(jié)論。

Pradhan等[37]研究了在不同表觀氣速下內(nèi)管所占體積分?jǐn)?shù)對整體氣含率的影響。當(dāng)內(nèi)管的體積分?jǐn)?shù)從1.4%增加到19.3%時，無論是安裝直管還是螺旋管，氣含率都單調(diào)增加。此外，安裝螺旋管比安裝直管可得到更高的氣含率。具體地，在表觀氣速為0.41 m?s–1的條件下，當(dāng)直管體積分?jǐn)?shù)為10.8%時，氣含率增加了約19.5%；而當(dāng)螺旋管的體積分?jǐn)?shù)為3.9%時，氣含率可增加48.4%。Youssef和Al-Dahhan [34]報道了當(dāng)內(nèi)管的橫截面面積占有率增加時，整體和局部氣含率以及氣-液界面面積均增加，尤其在鼓泡塔中心區(qū)域。

Saxena等[38]研究了空氣-水和空氣-水-玻璃顆粒系統(tǒng)在鼓泡塔中的氣含率，該鼓泡塔中分別裝有5根和7根稀疏排列的管及37根緊密的呈六邊形排列的管，分別占反應(yīng)器橫截面面積的1.9%、2.7%和14.3%。結(jié)果表明，當(dāng)表觀氣速大于0.1 m?s–1時，裝有37根管的鼓泡塔的氣含率明顯高于裝有5根管和7根管的鼓泡塔。然而，當(dāng)表觀氣速小于0.1 m?s–1時，管排列不同的鼓泡塔之間的氣含率差異不明顯，裝有7根管的鼓泡塔在室溫下獲得了最高氣含率。同時，由于中心區(qū)域氣泡破碎的增強，在中心放置內(nèi)管易于增大氣含率。對于三相體系，在溫度為298～353 K及固體濃度大于5%時，隨粒徑從125 μm增大到212 μm，氣含率逐漸減?。欢{（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為5%）的氣含率隨粒徑的變化趨勢對溫度比較敏感。在室溫下，氣含率隨粒徑的增大而減??；當(dāng)溫度大于323 K時，粒徑對氣含率幾乎沒有影響。

基于上述討論，反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)特性的強化與內(nèi)管的尺寸、所占橫截面面積、排布位置和運行條件有關(guān)。一般來說，隨著內(nèi)管截面面積占有率的增大，氣含率得到較大的提高，而中心排布規(guī)則的內(nèi)管更有利于氣泡的破碎。

2.1.1.2.多孔板

多孔板是鼓泡塔中最傳統(tǒng)的內(nèi)構(gòu)件之一，用于強化流體力學(xué)和傳質(zhì)/傳熱特性[47]。早在1962年，F(xiàn)air等[39]就在中試規(guī)模的鼓泡塔中研究了空氣-水體系的氣含率和傳熱性能。兩種鼓泡塔的直徑分別為457.2 mm和1016 mm，高度為3048 mm，其中裝有1～20個靜態(tài)或移動多孔板。多孔板的孔徑為3.175～7.925 mm，開孔面積為橫截面面積的9.5%～33.0%，安裝多孔板的數(shù)量分別為5個、10個、15個和20個。當(dāng)表觀氣速由1.524 cm?s–1變?yōu)?0.06 cm?s–1時，相較于空鼓泡塔，靜態(tài)多孔板的安裝使氣含率提高了40%～50%，而安裝移動多孔板使氣含率進一步提高了25%～30%。類似地，安裝靜態(tài)和移動多孔板，傳熱效率提高了10%～15%。表1總結(jié)了鼓泡塔中多孔板的強化效果。

表1 鼓泡塔反應(yīng)器中安裝內(nèi)構(gòu)件的相關(guān)研究

漿態(tài)鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)具有強烈的液體返混現(xiàn)象，可能會降低反應(yīng)物的選擇性和轉(zhuǎn)化率。液體軸向擴散可以通過在鼓泡塔中安裝多孔板來調(diào)節(jié)[48]。液體返混程度隨著孔徑以及開孔率的減小而減小[40]，該現(xiàn)象歸因于隨著氣體流動阻力的增大和密度梯度的減小，分散相在各多孔板上的均勻再分布。然而，在多孔板開孔率低、孔徑小的情況下，更容易出現(xiàn)新的堵塞問題。因此，多孔板的數(shù)量、孔徑和開孔率的合理設(shè)計對于實現(xiàn)所需的流體力學(xué)和液體分散特性非常重要[48]。軸擴散模型通常用于描述鼓泡塔中液相的停留時間分布[49,50]。此外，軸向擴散系數(shù)與表觀液速呈指數(shù)相關(guān)，當(dāng)液體凈速度比氣泡上升速度小10%時，指數(shù)為0.234～0.85 [40,51]。然而，當(dāng)循環(huán)速度比表觀液速大10倍以上時，液體軸向擴散系數(shù)與表觀液速無關(guān)[52]。此外，研究表明液體軸向擴散系數(shù)同樣和表觀氣速指數(shù)相關(guān)，指數(shù)為0.12～0.33[40,52]。Dreher和Krishna [20]采用引入液體交換速度的軸擴散模型研究了液體停留時間分布，并進行了定量計算。結(jié)果表明，液體交換速度與反應(yīng)器直徑無關(guān)，這對多級鼓泡塔反應(yīng)器的放大具有重要意義。

2.1.1.3.靜態(tài)混合器

靜態(tài)混合器所占空間小、設(shè)備成本低，且不需要額外的電源，在化工和工業(yè)過程中被廣泛應(yīng)用于分散液體中的氣相[53]。Lightnin公司生產(chǎn)的商用Inliner混合器已被應(yīng)用于石油化工過程，如碳?xì)浠衔锞芠53]。采用靜態(tài)混合器，增加了反應(yīng)器內(nèi)的氣-液界面面積，強化了傳質(zhì)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)。安裝靜態(tài)混合器的鼓泡塔如圖2（a）[41]所示，常見的靜態(tài)混合器如圖2（b）[53]所示。Fan等[54]及Wang和Fan [55]的研究表明，在液速為6.7～39.9 cm?s–1時，與未安裝靜態(tài)混合器的鼓泡塔相比，裝有Koch靜態(tài)混合器的鼓泡塔的氣-液傳質(zhì)速率幾乎增加了一倍。研究人員還推導(dǎo)了體積傳質(zhì)系數(shù)（kLa）與Vl（其中Vl是液速）的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。

Gaspillo和Goto [42]研究了鼓泡塔中導(dǎo)流筒內(nèi)的靜態(tài)混合器對氣-液和氣-液-固體系中懸浮固體顆粒所需最小氣速和傳質(zhì)系數(shù)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)導(dǎo)流筒存在時，懸浮漿液的最小氣速減小，但隨著靜態(tài)混合器的加入而略有增加，這可能是由于固體顆粒在靜態(tài)混合器中的湍流運動引起的。當(dāng)采用單噴嘴氣體分布器時，加入靜態(tài)混合器可使氣-液傳質(zhì)系數(shù)提高34%左右。然而，當(dāng)采用多孔球狀氣體分布器產(chǎn)生極細(xì)氣泡時，由于靜態(tài)混合器引起氣泡聚并，氣-液傳質(zhì)系數(shù)反而降低。無論采用哪種氣體分布器，導(dǎo)流筒內(nèi)裝有靜態(tài)混合器，氣-液傳質(zhì)速率都提高了20%左右。表1列舉了漿態(tài)床反應(yīng)器在強化流體力學(xué)和傳質(zhì)方面的研究。

圖2.（a）安裝靜態(tài)混合器的鼓泡塔示意圖；（b）常見的靜態(tài)混合器類型。LPD：低壓降；HEV：高效渦流。（a）經(jīng)Elsevier B.V.許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻[41]，?2014；（b）經(jīng)Chemical Engineers許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻[53]，?2003。

近期，Rabha等[41]利用超快電子束X射線層析成像技術(shù)研究了螺旋靜態(tài)混合器的長度對氣含率、氣相流動結(jié)構(gòu)、界面面積和氣泡尺寸分布的影響。分別將3個、6個和9個直徑為80 mm、長度為80 mm、葉片旋轉(zhuǎn)180o的螺旋靜態(tài)混合器放入反應(yīng)器中，以期研究其影響。液速以及螺旋結(jié)構(gòu)引起了額外剪切，促使氣泡破碎。在低流量比（Ug/Ul）條件下，氣泡尺寸分布明顯變窄，大氣泡在流經(jīng)靜態(tài)混合器后尺寸驟然減小。在相同軸向位置，與未經(jīng)過靜態(tài)混合器的氣泡相比，無論靜態(tài)混合器的數(shù)量如何，氣泡Sauter直徑都減小了約42%，如圖3（a）所示。隨著表觀氣速的增加，由于在湍流旋轉(zhuǎn)運動中氣泡的合并會加劇，導(dǎo)致大氣泡的數(shù)量增加，如圖3（b）[41]所示。但是，在液速較低的情況下增大流量比，靜態(tài)混合器不能使大氣泡明顯分散，導(dǎo)致氣泡Sauter直徑略有增大。同樣地，因為氣-液界面面積與氣泡直徑和液體循環(huán)直接相關(guān)，所以氣-液相比界面面積隨靜態(tài)混合器的不同而變化。

因此，為了實現(xiàn)鼓泡塔漿態(tài)床的過程強化，在考慮氣體分布器、其他內(nèi)構(gòu)件和操作條件的同時，應(yīng)對靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)和規(guī)模進行合理的設(shè)計。

圖3.不同液體和氣體表觀速度下靜態(tài)混合器長度對氣泡直徑的定量（a）和定性（b）的影響。經(jīng)Elsevier B.V.許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻[41]，?2014。

2.1.1.4.結(jié)構(gòu)化

液-固分離和減少返混是氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器所面臨的典型挑戰(zhàn)，其中液-固分離過程會增加操作和運行成本，而返混會降低反應(yīng)物的選擇性和轉(zhuǎn)化率。通過規(guī)整內(nèi)構(gòu)件來構(gòu)建結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器被認(rèn)為是強化鼓泡塔反應(yīng)器以避免液-固分離和減少返混的有效方法。一方面，將催化劑規(guī)整為單體結(jié)構(gòu)或涂覆在規(guī)則內(nèi)構(gòu)件上并放置于反應(yīng)器中，這樣就不需要將固體催化劑顆粒與液體產(chǎn)品進行分離。另一方面，可以設(shè)計精確形狀和尺寸的內(nèi)構(gòu)件，以引導(dǎo)流體流動，減少液體回流。同時，內(nèi)構(gòu)件可以根據(jù)催化、反應(yīng)動力學(xué)和傳熱特性進行精確設(shè)計，從而達到易于放大、穩(wěn)定操作的目的[21,56]。結(jié)構(gòu)化填料已成功應(yīng)用于工業(yè)吸收蒸餾過程，也在化工和石化工業(yè)中得到了應(yīng)用[57]。同時，由于填料床的表面積較高，很適合乙酸生產(chǎn)[58]。

結(jié)構(gòu)化填料可分為4類：具有平行直通道的整體式填料、具有開放或封閉流動結(jié)構(gòu)的波紋板填料、編織線填料和開孔泡沫填料[59]。高孔隙率、高比表面積和低壓降是結(jié)構(gòu)化填料的基本特征，目的是為傳熱傳質(zhì)提供足夠的比表面積并降低能耗。結(jié)構(gòu)化填料已被證明是促進徑向傳熱[21]和提高傳質(zhì)速率[60]的有效方式，從而可以提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率[56]。雖然結(jié)構(gòu)化鼓泡塔已經(jīng)得到了廣泛的研究，但是大多數(shù)的相關(guān)研究都集中在并流滴流床[59,61,62]，而不是逆流鼓泡塔。

在直徑為0.1 m和0.24 m的兩個鼓泡塔反應(yīng)器中分別使用開放錯流結(jié)構(gòu)（KATAPAK-S元件，由Sulzer Chetech提供）填料，Urseanu等[43]研究了其流體力學(xué)和混合特性，并將其與空鼓泡塔進行了比較。實驗裝置如圖4 [43,59]所示。實驗結(jié)果表明，在相同的表觀氣速下（基于自由橫截面面積計算），結(jié)構(gòu)化鼓泡塔的總氣含率與空鼓泡塔的總氣含率基本相同。由此可以推斷，結(jié)構(gòu)化填料的存在并沒有促進更多的氣泡聚并和破碎。關(guān)于軸向混合特性，Krishna等[49]研究表明，在表觀氣速高達1.25 m?s–1時，軸向擴散系數(shù)降低了約一個數(shù)量級，這是由于液相的整體軸向再循環(huán)受到了抑制。此外，對于空鼓泡塔和結(jié)構(gòu)化鼓泡塔反應(yīng)器，軸向擴散系數(shù)可以擬合成一個與液速線性相關(guān)的關(guān)系式。

研究者在方形截面的反應(yīng)器中研究了結(jié)構(gòu)化填料鼓泡塔和空鼓泡塔中的氣含率及液-壁傳質(zhì)特性，如參考文獻[44]所述。結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)化填料鼓泡塔中，氣含率隨表觀氣速和液體黏度的增加而增大。在相同的操作條件下，結(jié)構(gòu)化鼓泡塔中的氣含率高于空鼓泡塔。無論是牛頓流體還是非牛頓流體，結(jié)構(gòu)化填料鼓泡塔和空鼓泡塔可推出類似的傳質(zhì)關(guān)系式。結(jié)果還表明，結(jié)構(gòu)化填料對液-壁傳質(zhì)的影響較小。

2.1.2.振動強化

振動發(fā)生器，如脈動器、波紋管、活塞、電動凸輪和電磁振動器，可安裝在塔底，直接對反應(yīng)器內(nèi)漿液傳遞一定頻率的振動。圖5所示為常見的脈沖鼓泡塔。在鼓泡塔中，引入對液體的整體脈動已被證實是提高氣-液傳質(zhì)和傳熱性能的有效方法[63,64]。研究者針對振動對反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)和傳質(zhì)特性的影響進行了大量的研究，以揭示振動鼓泡塔的性能與操作條件之間的關(guān)系。表2 [64–73]總結(jié)了有關(guān)振動強化的研究和主要的結(jié)論。

圖4.（a）包含填充元件的結(jié)構(gòu)化鼓泡塔示意圖；（b）堇青石結(jié)構(gòu)化單體的典型示例。（a）經(jīng)Elsevier Science B.V.許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻[43]，?2001；（b）經(jīng)American Chemical Society許可，轉(zhuǎn)載自參考文獻[59]，?2008。

圖5.振動強化鼓泡塔示意圖。

Ellenberger等[64–67]系統(tǒng)地研究了鼓泡塔在低頻振動（40～200 Hz）時，空氣-水和空氣-水-二氧化硅體系的氣泡直徑、氣含率和傳質(zhì)特性。對于單孔氣體分布器，在表觀氣速不變的情況下，氣泡直徑隨著振動頻率和振幅的增加先急劇減小，然后在100 Hz左右的振動頻率下達到相對穩(wěn)定。氣泡直徑隨振幅的變化趨勢相似，但拐點隨表觀氣速的變化而變化。當(dāng)孔口氣速在0.2～3.0 m?s–1及脈沖頻率和振幅分別約為100 Hz和1 mm時，氣泡直徑減小了40%～50%。為了分析脈沖鼓泡塔中氣泡破碎的機理，Knopf等[68,69]采用高速攝影機觀察了玻璃T型注入器內(nèi)氣泡的形成過程。一個柔性活塞在低頻（0～30 Hz）和低振幅下對液相產(chǎn)生脈沖。當(dāng)氣體流速低于5 m?s–1（相應(yīng)的表觀氣速低于0.0064 m?s–1）時，在吸入和排出部分，氣相和液相混合導(dǎo)致氣相被破碎為具有較寬直徑分布的氣泡。同時，在高氣速下，外部正弦脈動導(dǎo)致水被吸回噴射器，將氣栓劇烈碎裂成微小的氣泡。隨著氣泡的破碎和小氣泡的形成，氣含率和氣-液比表面積增大，相間的傳質(zhì)過程隨之增強。

一些研究者[74,75]致力于尋求一種通用理論來解釋這些實驗現(xiàn)象，并為脈沖鼓泡塔的設(shè)計、優(yōu)化和放大提供指導(dǎo)。Waghmare等[70]以表觀氣速、液體黏度、振動頻率和振幅為自變量，構(gòu)建了傳質(zhì)系數(shù)的一維模型。液體脈動中氣泡所受浮力和阻力的平衡可以通過考慮三個附加效應(yīng)來實現(xiàn)。第一個效應(yīng)是Bjerknes力[70]，它是由液體和脈沖氣泡之間的相互作用引起的。這是一種與氣泡向上運動方向相反的動浮力，導(dǎo)致氣泡上升速度降低。第二個效應(yīng)是基于Hinze理論[74]，即脈動可以促使氣泡破碎，該理論同時考慮了氣體噴射和振蕩功率。第三個效應(yīng)是液體黏度增加導(dǎo)致的質(zhì)量擴散率降低，可以根據(jù)Stokes-Einstein方程得到。當(dāng)考慮這三種影響時，最終的傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測模型與脈動鼓泡塔的實驗數(shù)據(jù)吻合較好。表2列出了預(yù)測體積傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。該模型的一個缺陷是假設(shè)液體振動的振幅等于振動發(fā)生器的振幅，而實際上液體振動幅度與振動發(fā)生器的類型有關(guān)[69]。通過對氣體噴射器功率與總功率（包括噴射器功率和脈動功率）之比的修正，推導(dǎo)了基于Davidson和Schuler關(guān)系式[71]的氣泡尺寸預(yù)測模型。實驗數(shù)據(jù)成功地驗證了這種相關(guān)性，偏差為10%，具體如表2所示。

表2 鼓泡塔中振動強化的研究總結(jié)

根據(jù)上述分析，相間傳質(zhì)得以強化有兩個原因。首先，振動的存在為氣泡提供了一個額外的向下作用力——Bjerknes力，導(dǎo)致氣泡上升速度降低，從而增加了氣-液相的接觸時間[70,71]。第二，在鼓泡塔中，對連續(xù)相加入脈動提高了氣泡的破碎速率，促使小氣泡的形成，并增大了氣-液界面面積。最后，脈動可以顯著提高傳質(zhì)效率，且傳質(zhì)提升與表觀氣速、脈動振幅和頻率有關(guān)。通常存在最佳的操作條件，在該條件下，氣含率和傳質(zhì)可以得到極大的提高，同時需要較低的附加脈動功率。應(yīng)注意的是，脈沖活塞的類型會影響液體振蕩的振幅，進而影響氣泡破碎動力學(xué)。

2.1.3.組合強化

2.1.3.1.多種類型的內(nèi)構(gòu)件

多孔板和直管的組合可以減少鼓泡塔中的整體返混，并提供了相對恒溫的條件，適用于費托合成和甲醇合成等強放熱反應(yīng)[76]。Maretto和Krishna [77]在直徑為7 m、高度為30 m、裝有熱交換管的多級鼓泡塔中，模擬了費托合成過程中的合成氣轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率，具體如圖6 [77]所示。在等溫條件下，每一級的氣體流動可認(rèn)為是平推流，且漿相保持完全混合。模擬結(jié)果表明，當(dāng)多孔板數(shù)量從1增加到4時，費托合成反應(yīng)的選擇性和產(chǎn)率均顯著提高，當(dāng)多孔板數(shù)大于4時，反應(yīng)器中流型變?yōu)槠酵屏鳌４送?，還需要安裝額外的熱交換管，以確保塔內(nèi)的每一級均能達到所需的等溫條件。

2.1.3.2.不同強化方法的組合

如第2.1.1.2節(jié)和第2.1.2節(jié)所述，安裝多孔板及以恒定頻率振動是強化鼓泡塔混合的常規(guī)方法。這兩種方法的結(jié)合也被廣泛應(yīng)用于強化鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)的流體力學(xué)和傳質(zhì)特性。表3總結(jié)了這方面的研究進展[78–85]。

Lucas等[78]將多孔板振動鼓泡塔反應(yīng)器應(yīng)用于含對羥基苯甲酸（p-HBA）廢水的臭氧氧化過程。與傳統(tǒng)鼓泡塔相比，每摩爾臭氧的p-HBA降解率提高了20%，p-HBA礦化率提高了4.5～5.0倍。臭氧氧化過程的強化歸因于多孔板和脈動的存在，提高了氣含率和傳質(zhì)效率。使用多孔板振動鼓泡塔也增強了二氧化碳在水中的溶解[79]。結(jié)果表明，多孔板的設(shè)計參數(shù)（孔徑、孔數(shù)和開孔面積）對氣泡直徑分布和傳質(zhì)速率有顯著影響。表3[78–85]列出了相關(guān)的研究和主要結(jié)論。

Ahmed等[80]設(shè)計并研究了5種不同類型的振動鼓泡塔，包括螺旋擋板反應(yīng)器、平滑周期收縮反應(yīng)器、單孔擋板反應(yīng)器、多孔板振動反應(yīng)器和無擋板的振動鼓泡塔反應(yīng)器。在不同的脈動條件和表觀氣速下，對每個反應(yīng)器的kLa進行系統(tǒng)的測量和比較。實驗結(jié)果表明，孔板的加入和周期性收縮能顯著提高傳質(zhì)速率。在這些獨特的設(shè)計中，多孔板振動反應(yīng)器的kLa最高，在相同的操作條件下，其kLa比無擋板和振動的空鼓泡塔反應(yīng)器高7倍。

Ni和Gao [81]首次研究了兩種不同多孔板振動反應(yīng)器的放大因素，得到了以功率密度為自變量的kLa經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，具體如表3所示。結(jié)果表明，反應(yīng)器內(nèi)存在一個最佳的多孔板間距，此時可以不分散或抑制擋板之間的旋渦傳遞。他們的研究結(jié)果表明，最佳擋板間距為管徑的1.8倍。類似地，當(dāng)界面面積達到最大值并在不發(fā)生氣竄的情況下，達到的曝氣量是最佳的。當(dāng)振動頻率在2～6 Hz、振幅為4～12 mm時，kLa隨脈沖頻率和振幅的增加而單調(diào)增加。Oliveira等[82–84]使用高速攝影機研究了帶有單孔擋板的脈動鼓泡塔，并以功率密度為一個自變量得出了氣含率和氣泡尺寸之間的經(jīng)驗關(guān)系。結(jié)果是kLa的經(jīng)驗關(guān)系式得到了明顯改善，如表3所示。Smith和Mackley [85]研究了三種不同尺寸（即24 mm、54 mm和150 mm）振動鼓泡塔反應(yīng)器中的軸向擴散和液體返混，并在凈流量雷諾數(shù)（Re）、振動雷諾數(shù)（Reo）和斯特勞哈爾數(shù)（Str）恒定的條件下，推導(dǎo)出軸向擴散與管徑無關(guān)的關(guān)系式。當(dāng)Reoe–0.4Str值等于Re0.8的1.37倍時，反應(yīng)器中出現(xiàn)最小軸向擴散。

表3 多孔板振動鼓泡塔的研究總結(jié)

2.1.4.小結(jié)

到目前為止，許多強化鼓泡塔反應(yīng)器性能的方法已經(jīng)被報道，包括安裝不同的內(nèi)構(gòu)件、振動強化以及多種方法組合。這些方法都可以用來提高反應(yīng)器的氣含率和混合性能。由于小氣泡的生成，相界面面積的增大以及漩渦的形成，傳質(zhì)過程得到強化。

安裝內(nèi)管時，通常氣含率隨著內(nèi)管橫截面面積占有率的增加而增大。然而，關(guān)于內(nèi)管尺寸對流體力學(xué)的影響，在不同流型下仍然存在爭議。在強放熱的工業(yè)過程中，橫截面面積占有率為22%～25%的內(nèi)管對于熱交換必不可少[35]。多孔板可顯著降低液體返混，液體表觀速度隨開孔面積的減小而減小。靜態(tài)混合器可分散大氣泡，從而提高氣含率和體積傳質(zhì)速率。特殊設(shè)計的結(jié)構(gòu)化填料也可用作靜態(tài)混合器，同時可減少不必要的返混。此外，催化劑顆?？梢员焕壔蜇?fù)載在填料上，然后作為一個整體安裝在反應(yīng)器中，免去了液-固分離的問題。據(jù)估計，結(jié)構(gòu)化填料可應(yīng)用于全球25%的催化過程[86]。當(dāng)引入恒定頻率的振動時，漿液脈動導(dǎo)致氣-液界面面積增大，氣-液傳質(zhì)過程得到了加強，同時由于向下的Bjerknes力的作用，氣-液相接觸時間得以延長。采用這種振動強化的方法，不會產(chǎn)生額外的強烈液體返混或高剪切，該方法適用于生物技術(shù)過程。

與單一強化技術(shù)相比，不同方法的組合在各方面均具有更大的潛力。需要注意的是，無論采用哪種方法，只有通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計并與鼓泡塔操作條件相匹配，才能實現(xiàn)最佳的過程強化。

圖6.裝有直管和多孔板的鼓泡塔示意圖。經(jīng)Elsevier Science B.V.許可，轉(zhuǎn)載參考文獻[77]，?2001。

2.2.氣升式環(huán)流反應(yīng)器

在鼓泡塔的基礎(chǔ)上，通過安裝同心導(dǎo)流筒，將容器分成兩個垂直的部分，或是將頂部和底部相連，從而形成ALR。與鼓泡塔相比，ALR具有更優(yōu)的混合性能、更好的節(jié)能性和更低的剪切應(yīng)力[87]。由于這些優(yōu)勢，ALR已廣泛應(yīng)用于廢水處理、微生物發(fā)酵和費托合成等領(lǐng)域[88]。為了進一步提高ALR的性能，研究人員研究了許多過程強化方法和技術(shù)。反應(yīng)器內(nèi)的氣含率、氣泡大小分布、體積傳質(zhì)系數(shù)、混合時間和返混程度是決定反應(yīng)器內(nèi)流體動力學(xué)、傳質(zhì)、反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率和選擇性的主要參數(shù)。因此，過程強化主要針對這些主要參數(shù)進行研究。與鼓泡塔類似，加入內(nèi)構(gòu)件是ALR過程強化最常用的方法之一。以下幾節(jié)將簡要闡述ALR的過程強化方法。

2.2.1.擋板

ALR中安裝擋板可以改善混合特性，提高傳質(zhì)速率，改變流體流動方向。為了加強反應(yīng)器中的固體混合（尤其是在反應(yīng)器底部）和改善光合過程中外壁的熱交換，Gluz和Merchuk [89]與Schl?telburg 等[90]在ALR的降液管中安裝了與軸向成35o角的螺旋擋板。通過插入螺旋擋板，氣-液-固漿相在反應(yīng)器內(nèi)進行螺旋運動，增強了徑向混合，從而使能量和懸浮的固體顆粒分布更加均勻。由于擋板的阻礙作用，水和羧甲基纖維素（CMC）稀溶液的液體循環(huán)時間增加了不到15%。與沒有內(nèi)構(gòu)件的鼓泡塔相比，在使用螺旋擋板時，一半的氣體流量足以達到完全的流化狀態(tài)。此外，研究者還考察了固體濃度對氣含率、液速和傳質(zhì)速率的影響。結(jié)果表明，隨著固體濃度的增加，氣含率和液速略有下降，但氣-液體積傳質(zhì)速率下降較明顯。從定量角度來說，在添加206.5 g?L–1固體顆粒后，水和0.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）CMC溶液中的體積傳質(zhì)速率分別降低了37%和47%?；诖罅坎煌僮鳁l件下的實驗數(shù)據(jù)，研究者總結(jié)了氣含率、液速和kLa與各種影響因素的經(jīng)驗關(guān)系，如表4 [17,90–97]所示。

為了觀察IALR中的詳細(xì)流動結(jié)構(gòu)并識別其流動軌跡，Wu和Merchuk[98]應(yīng)用光學(xué)軌跡追蹤系統(tǒng)進行了研究。以熒光粒子為示蹤劑，通過與計算機相連的兩個攝像頭拍攝連續(xù)的照片。這樣示蹤粒子的三維坐標(biāo)、速度矢量和局部剪切應(yīng)變率被記錄，并通過數(shù)字圖像分析技術(shù)進行分析，然后繪制流動路徑。通過這一光學(xué)系統(tǒng)，首次驗證了裝有螺旋擋板的IALR中二次流的存在，并明確了螺旋擋板改善徑向混合及與外壁換熱的機理。R?s?nen等[91]將螺旋擋板與氣體分布器相結(jié)合以強化混合和傳質(zhì)性能，他們在螺旋管上插入0.6 mm的針作為氣體分布器，并將其纏繞在降液管外側(cè)或上升管內(nèi)側(cè)，設(shè)計了不同的螺旋管-氣體分布器組合，考察其對流體力學(xué)和傳質(zhì)速率的影響。結(jié)果表明，在不增加能量輸入的情況下，氣含率和kLa都能顯著提高。與無內(nèi)構(gòu)件的IALR相比，使用螺旋管-氣體分布器可使氧氣的kLa值增加三倍。

除了利用螺旋內(nèi)構(gòu)件加強流體力學(xué)外，還可以使用不同結(jié)構(gòu)的擋板來引導(dǎo)反應(yīng)器的內(nèi)部流動。Pi等[99]在ALR的導(dǎo)流筒上方安裝了一個喇叭形罩狀內(nèi)構(gòu)件，發(fā)現(xiàn)液體在內(nèi)構(gòu)件下方和上方以兩層循環(huán)路徑循環(huán)，并在適當(dāng)?shù)陌惭b位置形成一個額外的循環(huán)路徑。采用喇叭形上升管后，反應(yīng)器內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)趨于均勻，死區(qū)減小。采用這種新型上升管后，整體氣含率和kLa分別提高了16.2%和10.2%。Li等[18]在IALR的兩級之間設(shè)置了一個倒鈴狀內(nèi)構(gòu)件。隨著內(nèi)構(gòu)件的收縮，來自底部上升管的漿液被壓縮到第二級，導(dǎo)致上部氣含率更大。在較低的表觀氣速下，反應(yīng)器的兩級存在著不同的氣泡循環(huán)區(qū)，即第一級為完全氣泡循環(huán)區(qū)，第二級為過渡區(qū)。隨著表觀氣速和固體濃度的增加，氣泡循環(huán)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆h(huán)。結(jié)果表明，隨著表觀氣速和固體濃度的增加，整個反應(yīng)器內(nèi)固體濃度的軸向分布趨于均勻。

2.2.2.多孔板

多孔板被證明是誘導(dǎo)氣升式反應(yīng)器內(nèi)氣泡破碎和提高混合程度的有效方法。Krichnavaruk和Pavasant [100]研究了不同孔徑和孔數(shù)的多孔板對kLa、氣含率和上升管液速的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與無多孔板的內(nèi)環(huán)流反應(yīng)器相比，kLa值增加了一倍之多。kLa顯著提高的原因是，多孔板導(dǎo)致的氣泡頻繁破碎使得氣-液界面面積增加。然而，由于多孔板在流動通道中的阻滯作用，液體循環(huán)速度降低，因此安裝多孔板后氣-液傳質(zhì)速率（kL）降低。這兩種相反的效應(yīng)使得研究人員很難對多孔板進行優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)kLa的最大改善。在本研究中，當(dāng)表觀氣速為1.889～7.515 cm?s–1時，有21個孔且孔徑為4 mm的三個多孔板是提升kLa的最優(yōu)選擇。

Luo等[92]發(fā)現(xiàn)，在開孔率相同的的條件下，采用較大孔徑（2.5～4.5 mm）的多孔板可獲得更大的kLa提升。這一現(xiàn)象有兩方面原因：首先，多孔板的孔徑較小時，大氣泡傾向于在多孔板下方聚集形成氣泡層，從而導(dǎo)致較小的氣-液界面面積；其次，隨著多孔板孔徑的減小，流動阻力增強，液速下降較大?；趯嶒灁?shù)據(jù)，推導(dǎo)出總氣含率和kLa與多孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)及操作條件的關(guān)聯(lián)式，具體如表4所示。

除上述重要的強化技術(shù)外，Vorapongsathorn等[101]沿IALR上升管放置了孔數(shù)為8、孔徑為3 mm的多孔板（其橫截面面積小于上升管橫截面面積），然而氣含率和kLa僅略微提高。這是由于多孔板橫截面面積僅占上升管橫截面面積的一半，開孔面積非常小。當(dāng)將這些多孔板安裝在反應(yīng)器內(nèi)部時，流體會沿著阻力較小的路徑繞過多孔板流動。在這種情況下，內(nèi)構(gòu)件對流體力學(xué)的提升作用有限，而且對流體也有一定的阻滯作用。因此，這些研究表明，多孔板的合理設(shè)計對于氣升式反應(yīng)器內(nèi)流體力學(xué)的強化至關(guān)重要。

Zhang等[102]在EALR的上升管中安裝了一種新型的結(jié)構(gòu)化多孔內(nèi)構(gòu)件，內(nèi)含與軸向呈45o的多孔擋板，對比研究了反應(yīng)器中內(nèi)構(gòu)件安裝前后的流體力學(xué)特性（氣泡Sauter直徑、氣泡上升速度、局部氣含率及其徑向分布）。實驗結(jié)果表明，安裝多孔板提高了氣含率，縮小了氣泡尺寸分布并減小了徑向的不均勻分布。然而，該研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)構(gòu)件對流體力學(xué)的影響僅在多孔板上方約1.1 m的有限距離內(nèi)有效。

Zheng等[93]在IALR上升管中安裝螺旋擋板。裝有螺旋擋板的IALR的氣含率比無螺旋擋板的提高了38%～63%。研究還發(fā)現(xiàn)，在螺旋角為10o～31o、開孔率為35%～63%時，氣含率的增大與螺旋擋板的開孔率無關(guān)。與平面多孔板的作用類似，裝有螺旋擋板的IALR中的氣泡直徑減小，并且氣泡每次穿過多孔板都會發(fā)生頻繁的破碎，使得氣泡的直徑分布更加均勻，從而增大了氣-液界面面積，使得體積傳質(zhì)性能提高。從定量角度來說，與空IALR相比，使用螺旋擋板后，kLa增加約20%。采用最小二乘法擬合實驗數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出氣含率和kLa關(guān)于表觀氣速、開孔率、螺旋角等因素的經(jīng)驗關(guān)系式。表4總結(jié)了這些經(jīng)驗公式及其適用范圍。研究表明，螺旋擋板的使用拓寬了IALR的均勻流型的范圍。同時，由于螺旋擋板對空間分割及對氣-液流動的阻滯作用，流體混合時間得以延長，但切向混合性能得到提高。在ALR的降液管中安裝螺旋擋板也觀察到了這種現(xiàn)象[89,90]。

表4 過程強化ALR中理論和經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式的總結(jié)

多孔板也可以應(yīng)用于ALR的多級之間。Yu等[103,104]設(shè)計了一種多孔板，不僅有多個孔口，還配有三個長管，以改善固體顆粒的分布，避免反應(yīng)器出現(xiàn)液泛。研究發(fā)現(xiàn)，新型級間內(nèi)構(gòu)件將氣-液-固三相流分為兩部分：一部分是和傳統(tǒng)裝有多孔板的ALR類似，氣體經(jīng)孔口向上流動；另一部分為液體和固體經(jīng)長管向上流動。無論是并流還是逆流，表觀氣速和氣孔開孔面積對流型和多孔板下方的氣層高度都有顯著影響。當(dāng)漿液在各級正常循環(huán)時，氣層高度應(yīng)被嚴(yán)格控制在適當(dāng)范圍。

研究者已經(jīng)研究了許多類型、不同開孔面積和孔徑的多孔板（平面或螺旋）對ALR在較寬操作范圍內(nèi)流體力學(xué)和傳質(zhì)性能的影響。由于多孔板作用的雙重性，如氣泡破碎和流動阻礙，多孔板的合理設(shè)計和安裝是進行有效過程強化的關(guān)鍵。因此，為達到預(yù)期目的，應(yīng)仔細(xì)考慮內(nèi)構(gòu)件的正確設(shè)計以及安裝位置。

2.2.3.靜態(tài)混合器或填充床

如第2.1.1.3節(jié)所述，安裝靜態(tài)混合器可增強氣泡破碎和流動擾動，已被廣泛用于強化流體力學(xué)和相間傳質(zhì)。同樣，靜態(tài)混合器也可以用于ALR，以達到類似的效果[96]。Chisti等[94]在EALR的上升管中安裝靜態(tài)混合器進行實驗，結(jié)果顯示靜態(tài)混合器可以顯著增強kLa。此外，kLa提升量隨著流體黏度的增加而增加，因為在沒有內(nèi)構(gòu)件的情況下，黏性液體中的氣泡更容易聚并。從定量角度來說，在含有0.6%（m/V，g/100 ml）CMC的NaCl溶液中，與沒有靜態(tài)混合器的相同裝置相比，kLa提高了6倍。Goto和Gaspillo [95]在氣-液-固體系中也觀察到，在上升管中安裝靜態(tài)混合器后，kLa顯著增強。他們的結(jié)果表明，在安裝靜態(tài)混合器后，固體完全懸浮的最小氣速降低了30%左右，這有利于擴大EALR的應(yīng)用范圍。基于實驗數(shù)據(jù)的相關(guān)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式如表4所示。

填充床被廣泛應(yīng)用于多相化學(xué)反應(yīng)器，作為催化劑或固定微生物和酶的載體[58]。多孔材料，如纖維棉、玻璃、尼龍和聚合物泡沫，由于其高比表面積、低傳質(zhì)阻力和低壓降，適合填充在曝氣反應(yīng)器中[105,106]。Meng等[97]與Nikakhtari和Hill [107]深入研究了裝有編織尼龍?zhí)盍系腅ALR中的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能。隨著網(wǎng)狀填料內(nèi)構(gòu)件的放置，氣泡破碎頻繁，氣泡Sauter直徑顯著減小。應(yīng)注意的是，只有適當(dāng)安排填充床的孔隙率和高度，才能使流體力學(xué)性能得到提高。當(dāng)填料孔隙率為0.9時，安裝填料內(nèi)構(gòu)件，塔中的氣含率降低。在本研究中，當(dāng)孔隙率為0.99時，反應(yīng)器內(nèi)的氣含率最大。隨著填料孔隙率的增加，上升管內(nèi)的氣含率和液速單調(diào)增加。隨著填料高度的增加，上升管內(nèi)的液速減小，而氣含率幾乎不變。當(dāng)填料孔隙率為0.99、填料高度為1.2 m、表觀氣速為0.005 m?s–1時，氣含率和kLa分別提高了74%和174%。對于揮發(fā)性的有機化合物甲苯和苯，總kLa平均分別提高了65.1%和33.4%[108]。據(jù)報道，這種新型填料床對苯酚污染的蒸汽的生物處理也很有效，苯酚在鼓泡塔高度的1/3處即可被完全去除[109]。

在裝有兩級填料內(nèi)構(gòu)件和氣體分布器的EALR中，使用非侵入式電阻層析成像技術(shù)研究其混合特性與表觀液速的關(guān)系[110]。據(jù)報道，由于內(nèi)構(gòu)件的阻滯作用，隨著填料和氣體分布器的安裝，液速降低[111]。相應(yīng)地，由于液體流動阻力的顯著增加，安裝一層填料后的混合時間增加了44%，安裝兩層填料和一個氣體分布器后的混合時間進一步增加了270%。此外，由于氣泡破碎和流體阻滯，總氣含率增加了36%左右[112]。最終，由于氣體分散性的改善，kLa明顯增強。

2.2.4.機械內(nèi)構(gòu)件

機械內(nèi)構(gòu)件，如葉片或葉輪，已被廣泛應(yīng)用于攪拌槽和鼓泡塔，以增強混合性能[113,114]。此外，機械葉輪可與靜態(tài)混合器組合用于IALR [96]。Lu等[96]深入研究了攪拌速度和靜態(tài)混合器長度對氣含率、液速和kLa的影響。結(jié)果表明，在高黏性流體系統(tǒng)中，機械葉輪對kLa的增強作用大于靜態(tài)混合器。值得注意的是，大多數(shù)研究的機械葉輪是電機驅(qū)動的，需要大量的額外能量輸入。

Tekic等[115]通過對軸、葉輪的適當(dāng)設(shè)計，搭建了裝有新型自攪拌葉輪的IALR，并對其流體力學(xué)和傳質(zhì)系數(shù)進行了考察，圖7為其示意圖[115]。通過對葉輪數(shù)量和安裝進行精心選擇，以使葉輪僅依靠氣體流通和液體循環(huán)帶動攪拌。通過實驗發(fā)現(xiàn)，IALR上升管中的葉輪在極低的表觀氣速（0.00629 m?s–1）下開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)表觀氣速大于0.45 m?s–1時，隨著表觀氣速的增加，轉(zhuǎn)速先增大后趨于相對恒定的值。安裝葉輪使得上升管內(nèi)的氣含率提高了45%左右，且氣含率的提升量比安裝其他內(nèi)構(gòu)件（比如擋板[101]和多孔板[100]）增高25%～48%。相比之下，由于降液管的偏移效應(yīng)，整體氣含率的提高并不大?；诖搜芯?，Luki?等[17,116]在EALR的上升管內(nèi)安裝自攪拌葉輪，構(gòu)建了一種新型裝置。他們觀察到，在較低的表觀氣速（約0.01 m?s–1）下，kLa最大增加了82%，而在較高的氣量條件下，kLa值增加了20%～30%。隨著表觀氣速的增加，kLa的改善程度的降低可歸因于葉輪效率的降低。

2.2.5.小結(jié)

與鼓泡塔一樣，在ALR中安裝各種內(nèi)構(gòu)件是提高混合和傳質(zhì)性能最常用的方法。螺旋擋板的加入增強了徑向混合，從而使懸浮固體顆粒和能量（熱量或光）分布更加均勻。在ALR中，頂部或各級之間安裝特殊設(shè)計（鐘形、喇叭形等）的擋板也有助于引導(dǎo)流動。在安裝多孔板時，由于小氣泡的形成和流體阻滯效應(yīng)，體積傳質(zhì)速率提高。靜態(tài)混合器也能增強氣泡破碎從而強化傳質(zhì)，但其對流動的阻擾問題不容忽視。填料床可作為催化劑載體，然后可以免除常規(guī)氣-液-固系統(tǒng)中所必須的液-固相分離單元。在合理設(shè)計的機械內(nèi)構(gòu)件中，氣含率的提高通常優(yōu)于其他內(nèi)構(gòu)件，特別是在高黏度體系中。然而，應(yīng)該注意的是，葉輪可以導(dǎo)致高剪切力。與鼓泡塔的強化方法一樣，只有設(shè)計得當(dāng)?shù)膬?nèi)構(gòu)件，包括形狀、角度、位置等，才能使ALR的性能得到最佳改進。

3.混合與分離的過程強化

在三相體系中，將固體從液相中有效分離是提高ALR性能所面臨的主要挑戰(zhàn)之一。為了實現(xiàn)高效低耗地將固體催化劑顆粒從液體產(chǎn)品中分離，研究者進行了大量的研究。

3.1.沉降

固定床反應(yīng)器中固體催化劑的粒徑通常大于1 mm，漿態(tài)床反應(yīng)器中的固體顆粒直徑通常為10～200 μm [25,26]。漿相中的固體顆粒很容易通過沉降進行分離。Benham等[117]報道在沒有泵的情況下，使用動態(tài)沉降器可以實現(xiàn)EALR降液管中催化劑與石蠟產(chǎn)品的分離；催化劑被送回沉降器下方的反應(yīng)器，在溢流口處收集輕蠟產(chǎn)品，但是這種動態(tài)沉降器的分離機理還不是很清楚。

大多數(shù)漿態(tài)床反應(yīng)器中的固體顆粒粒徑為20～200 μm [118,119]，可以利用水力旋流器進行高效分離[120]。基于這一事實，Yang等[25]提出了一種連續(xù)分離技術(shù)，即在IALR降液管底部安裝一個緊湊、高效、節(jié)能的水力旋流器[121]。通過這個內(nèi)置的分離裝置，清潔液體在水力旋流器的溢流口處被收集，含催化劑的漿液在底流處得以濃縮并在反應(yīng)器中不斷循環(huán)。水力旋流器中清潔液體從濃縮漿液中的分離由兩種力驅(qū)動完成：一是液面與旋流器入口之間的高度差產(chǎn)生的水力勢能；二是旋流器入口處漿液的動力勢能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該新型漿態(tài)床反應(yīng)器在運行4 h 后，反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒的粒徑分布變化很小，在溢流口得到了非常清澈的液體產(chǎn)物，幾乎沒有夾帶固體催化劑。在這個過程中，可以獲得清潔液體產(chǎn)品，同時在沒有額外的能量消耗情況下，保證了固體催化反應(yīng)的連續(xù)性。因此，可以節(jié)省大量的投資成本（包括昂貴的淤漿泵、固體進料機和管道）和運行成本（包括液-固分離和固體進料機的電費以及移動設(shè)備的維護成本）。此外，由于連續(xù)液相的懸浮作用，催化劑可以減少磨損，并可以有效地防止由于催化劑破裂而導(dǎo)致的催化劑失活。結(jié)果表明，當(dāng)采用合適粒徑和密度的固體顆粒時，這種設(shè)計精巧的新型漿態(tài)床反應(yīng)器運行良好?；旌虾头蛛x的過程強化同樣也可以應(yīng)用于EALR，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7.安裝自攪拌葉輪的IALR示意圖[115]。

3.2.過濾

過濾是從液體中分離固體的最簡單和最方便的方法之一。Rytter等[122]提出了一種裝有過濾元件的鼓泡塔，這種過濾元件用于從漿液中分離液體產(chǎn)品。在過濾裝置內(nèi)放置一個恒定液位控制器，以保持低于漿液的恒定濾液液位，漿液與過濾裝置之間穩(wěn)定的壓差驅(qū)使?jié){液進入分離元件進行分離。Jager等[123]也在鼓泡塔內(nèi)安裝過濾器，并安裝了反沖洗裝置以防止過濾介質(zhì)被堵塞。Anderson [124]描述了一種使用新型內(nèi)部微過濾器分離液體產(chǎn)品和固體催化劑的方法，該過濾器由三部分組成：反應(yīng)器側(cè)多孔金屬圓筒外表面、反應(yīng)器側(cè)多孔金屬圓筒內(nèi)表面和過濾介質(zhì)。同時，外表面和內(nèi)表面比過濾介質(zhì)具有更大的孔隙率。在漿態(tài)床反應(yīng)器內(nèi)，用該過濾器可將直徑為0.5～100 μm的催化劑從石蠟產(chǎn)品中分離出來。

圖8.混合分離一體化外循環(huán)漿態(tài)床反應(yīng)器原理圖。

3.3.組合方法

為了從漿液中分離固體顆粒以獲得澄清的液體產(chǎn)品，Clerici和Belmonte [125]將水力旋流器和單個或多個過濾裝置相結(jié)合。在經(jīng)水力旋流器粗分離后，含有細(xì)顆粒的溢流液通過微/超濾元件進行進一步分離。來自水力旋流器和過濾裝置底流的濃縮漿液通過外側(cè)管道流回反應(yīng)器。White等[126]提出了一種通過萃取和沉降分離石蠟產(chǎn)品和催化劑的方法。首先將漿液輸送到靜態(tài)混合器以提取有機產(chǎn)品，然后由泵送至離心分離器進行進一步分離。對于大量的催化劑顆粒分離，額外的分離器是非常必要的。Hu等[127,128]將沉降和過濾相結(jié)合，在鼓泡塔中進行連續(xù)液-固分離，達到了高效和長期穩(wěn)定運行的效果。

沉降是由重力或離心力引起的，是一種最常見的液-固分離方法。雖然過濾可以用于相對完全的分離，但它通常需要相當(dāng)大的能量輸入，并會帶來堵塞的問題。對于石蠟產(chǎn)品和固體催化劑的完全分離，不同分離方案的組合通常是必不可少的。此外，需要根據(jù)漿液的化學(xué)和物理性質(zhì)選擇合適的分離方法。

4.其他設(shè)計因素和挑戰(zhàn)

4.1.流型

與氣-液體系類似，工業(yè)氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器的流體力學(xué)可以被描述為三種典型的流動狀態(tài)：均勻氣泡流（泡狀流）、過渡流和不均勻氣泡流（攪動流）狀態(tài)，主要取決于表觀氣速[8,26,87]。反應(yīng)器內(nèi)的不同流型具有不同的氣泡尺寸分布，由此可以區(qū)分流型。在均勻氣泡流流型內(nèi)，表觀氣速相對較低，氣泡尺寸較?。ㄖ睆綖?～7 mm [76,129]）；由于氣泡間的相互作用較小，氣泡尺寸分布較窄，聚并破碎現(xiàn)象可以忽略不計。在較高的表觀氣速下，由于氣泡聚并，出現(xiàn)了一些直徑為20～70 mm的大氣泡[76,129]，然后形成了不均勻氣泡流流型；氣泡尺寸分布較寬，聚并和破碎現(xiàn)象顯著。這兩個流型之間被過渡流間隔。

為了合理設(shè)計、操作、控制和放大漿態(tài)床反應(yīng)器，了解不同流型下的流體力學(xué)特性是非常重要的。在過去的幾十年里，許多研究致力于考察流型轉(zhuǎn)變。研究者已經(jīng)提出了幾種識別流型轉(zhuǎn)變的方法，詳情見相關(guān)文獻[8,26,87]。值得注意的是，盡管氣-液兩相流的流型轉(zhuǎn)變已經(jīng)有相關(guān)論文發(fā)表，但關(guān)于氣-液-固三相流流型轉(zhuǎn)變的論文非常少，特別是對于高固體濃度。對于均勻氣泡流，反應(yīng)器中的氣含率隨表觀氣速的增加而線性增加，氣含率相對于表觀氣速的直線斜率大于或接近1且通過坐標(biāo)原點[8,130]。然而，對于不均勻氣泡流，由于大氣泡的形成，斜率明顯下降。實驗和數(shù)值結(jié)果均表明，大氣泡主要在反應(yīng)器的中心區(qū)域以較大速度上升，而小氣泡在整個橫截面上分布都比較均勻[26]。因此，在均勻氣泡流中，反應(yīng)器內(nèi)氣含率的徑向分布相對均勻，而在不均勻氣泡流中，氣含率在徑向呈拋物線分布。

氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器可以在均勻氣泡流和不均勻氣泡流內(nèi)運行[131]。在不均勻氣泡流中，小氣泡合并成大氣泡，以平推流方式高速上升。在這種情況下，大氣泡不存在軸向混合，而小氣泡具有與漿相相同的返混特性。因此，不均勻氣泡流狀態(tài)被認(rèn)為是費托合成的最佳條件[132]。

需要指出的是，流型不僅取決于反應(yīng)器的設(shè)計參數(shù)（即氣體分布器設(shè)計和塔徑），還取決于操作參數(shù)（即表觀氣速、液速、溫度和壓力）和工作體系的物性（即液體黏度、固含率、表面張力、密度和液相的聚并特性等）[133,134]。值得注意的是，當(dāng)使用較差的氣體分布器時，所有表觀氣速下的氣泡流都處于不均勻狀態(tài)[8]。Van Baten和Krishna [135]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固體顆粒濃度超過30%（體積分?jǐn)?shù)）時，球帽狀、快速上升的大氣泡幾乎都會出現(xiàn)。

4.2.氣體分布器

氣體分布器對漿態(tài)床反應(yīng)器中的氣泡初始直徑有很大的影響，進而影響氣泡直徑分布、氣含率和傳質(zhì)特性。常用的氣體分布器類型有單孔、燒結(jié)板、多孔板、多孔燒結(jié)板、膜、環(huán)形和臂式分布器。氣體分布器的空間布置和孔口直徑會影響反應(yīng)器中的氣含率[136]。研究表明，孔數(shù)越多、孔徑越小，傳質(zhì)性能越好[137]。值得注意的是，本課題組系統(tǒng)地研究了氣-液裝置中工業(yè)操作氣速下多孔氣體分布器氣泡的形成，并提出了孔徑、孔口表觀氣速和液體物性對氣泡生成初始直徑影響的簡單關(guān)聯(lián)式，并用大量實驗數(shù)據(jù)進行了驗證[138]。

對于氣體分布器的設(shè)計，Lin等[139]研究了EALR中分別裝有多孔燒結(jié)板和多孔板氣體分布器時氣含率和氣泡尺寸的徑向分布。結(jié)果表明，兩種氣含率徑向分布不同，裝有多孔燒結(jié)板分布器的徑向氣含率為“壁面峰”分布，而裝有多孔板分布器的徑向氣含率為“中心峰”分布。Wei等[140]提出了一種新型膜-管式氣體分布器，在0.004～0.04 m?s–1的表觀氣速范圍內(nèi)，空氣-水體系中氣含率最大可提高48.8%，kLa最大可提高84.4%。

除流體力學(xué)和傳質(zhì)特性外，氣體分布器的設(shè)計也會影響反應(yīng)器中的流動結(jié)構(gòu)。Hooshyar等[141,142]采用了均勻針狀的結(jié)構(gòu)化氣體分布器，以期規(guī)整流動形態(tài)并減少鼓泡塔中的返混。結(jié)果表明，采用該分布器后，渦結(jié)構(gòu)明顯減小，均勻氣泡流的流域變寬。Vial等[12,143]通過壓力波動分析研究了EALR中裝有單孔、多孔和多孔板氣體分布器的流動狀態(tài)。研究結(jié)果表明，在表觀氣速（Ug）為0.01～0.24 m?s–1時，裝有單孔氣體分布器的反應(yīng)器總是在不均勻氣泡流內(nèi)運行。對于多孔氣體分布器，在表觀氣速約為0.11 m?s–1時進入不均勻氣泡流的狀態(tài)。然而，流型轉(zhuǎn)變速度取決于反應(yīng)器的開車方式。對于多孔燒結(jié)板氣體分布器，當(dāng)采用“干法”的開車方式，在表觀氣速約為0.11 m?s–1（即與采用多孔氣體分布器相同）時進入不均勻氣泡流流域；而在采用“濕法”的開車方式后，在表觀氣速約為0.07 m?s–1時即達到了不均勻氣泡流的流動狀態(tài)。

氣體分布器對流體力學(xué)和傳遞特性的影響程度與結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件有關(guān)。Cao等[144]認(rèn)為，在低表觀氣速（Ug< 0.025 m?s–1）和低固體濃度（?s< 2%）的條件下，氣體分布器的設(shè)計對氣含率和軸向擴散有顯著影響，而在高表觀氣速和高固體濃度條件下只有輕微影響。一般對于均勻氣泡流來說，氣體分布器的設(shè)計顯著影響流體力學(xué)，但在不均勻氣泡流的狀態(tài)下，僅影響氣體分布器周圍的區(qū)域[145]。Michele和Hempel [146]指出，氣體分布器在較低的表觀氣速下比在較高的表觀氣速下的影響更顯著，因為無論分布器的類型如何，在較高的表觀氣速下，通常都會形成大氣泡。

一般來說，對于多孔型氣體分布器，多孔板或管中的孔大小通常設(shè)計為足以使氣體通過但又要防止固體顆粒通過孔隙泄漏。然而，由于固體顆粒磨損或供氣故障，也可能會發(fā)生嚴(yán)重的孔隙堵塞[26]。對于在高表觀氣速和高固體濃度下以不均勻氣泡流狀態(tài)運行的工業(yè)漿態(tài)床反應(yīng)器來說，建議使用環(huán)形氣體分布器和臂式氣體分布器，并且也需要一些朝下的孔，以確保固體完全懸浮和分布器中液體的清潔排放[147,148]。當(dāng)在低表觀氣速下操作時，具有小孔口的氣體分布器（如多孔燒結(jié)板、多孔板或膜-管式氣體分布器）通常效率較高。應(yīng)注意的是，初始?xì)馀莩叽鐣S著固體體積分?jǐn)?shù)的增加而增大[149]，高固體體積分?jǐn)?shù)下可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的混合和傳質(zhì)/傳熱問題[147]。

4.3.固體顆粒的影響

對于工業(yè)氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器，反應(yīng)器中的固體體積分?jǐn)?shù)通常為15%～30%，甚至可以達到50% [150]。固體顆粒的存在對氣泡尺寸分布、氣泡上升速度、氣含率和流型轉(zhuǎn)變有重要影響，這些都是影響傳質(zhì)和傳熱特性的關(guān)鍵參數(shù)[151–153]。雖然已經(jīng)對漿態(tài)床反應(yīng)器中固體顆粒對流體力學(xué)和傳質(zhì)效率的影響進行了廣泛的研究，但由于其復(fù)雜性，內(nèi)在機理仍未得到闡明。

對于漿相中直徑小于100 μm的顆粒，固體很容易懸浮在液相中，而不存在顆粒沉降的問題[26]。因此，可以通過假設(shè)液體和固體為擬均相來簡化反應(yīng)器中的漿相，并且可以將固體濃度的主要影響看作是引起液相表觀黏度的增加。為了利用表觀物性預(yù)測漿態(tài)床反應(yīng)器中的流體動力學(xué)，研究人員提出了許多有效黏度的經(jīng)驗和理論關(guān)聯(lián)式，如表5所示[154–169]。對于低固體濃度的稀懸浮液，愛因斯坦首次提出了基于液體黏度和固體濃度的有效漿液黏度的關(guān)聯(lián)式，即μslurry= 1 +μl(2.5?s)。然而，這只適用于極低的固體濃度（即?s低于0.01），因為它忽略了流體動力的相互作用。對于漿態(tài)床中的高固體濃度懸浮液，為了擴大其應(yīng)用范圍，通常將相對黏度（μslurry/μl）表示為以固體濃度為自變量的多項式函數(shù)。利用實驗數(shù)據(jù)擬合各系數(shù)的值，以反映固體的旋轉(zhuǎn)、碰撞和動力學(xué)的相互作用。因此，由于不同的操作條件和物理性質(zhì)，得到了不同的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式[154]。此外，Vand [155]和Roscoe [156]還提出了幾種現(xiàn)象和理論關(guān)系，并與實驗結(jié)果進行了對比驗證。然而，正如Rabha等[170]所指出的，對于較小的固體顆粒（ds< 50 μm）來說，雖然在此情況下Res< 0.3且Stokes定律的假設(shè)有效，擬漿相假設(shè)可能也是合理的，但仍過于簡單。Krishna和Sie [76]還提出，擬漿相假設(shè)僅適用于高表觀氣速（Ug> 0.2 m?s–1）下操作的大反應(yīng)器（即直徑大于0.5 m）。

表5 漿相表觀黏度的理論和經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式

由于固體顆粒的存在，漿相表觀物理性質(zhì)的變化會影響氣泡形成、氣泡直徑和氣泡在反應(yīng)器中的分布。Krishna等[50]觀察到，當(dāng)固體濃度從0增加到0.36，小氣泡氣含率隨氣泡聚并的增強明顯降低。此外，研究者基于實驗結(jié)果，提出了不均勻氣泡流中氣含率和氣泡尺寸的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式[50]。Chilekar等[171]的研究說明，當(dāng)固體體積分?jǐn)?shù)高達0.78時，氣泡尺寸與漿液濃度的關(guān)聯(lián)式還是合適的。Rabha等[151]也表明氣泡尺寸分布取決于固體濃度。

由于固體的存在，氣泡尺寸增大，氣含率通常隨著固體濃度的增加而降低[25,172]。Vandu等[173]還指出當(dāng)固體顆粒存在時，大氣泡更易早形成，導(dǎo)致流型轉(zhuǎn)變速度的減小、均勻氣泡流的流域變窄。然而，在不同的操作條件和固體物性下，也發(fā)現(xiàn)了固體顆粒的相反影響。Kelkar等[174]的研究表明，固體物性、粒徑和濃度對氣含率沒有顯著影響。Sada等[175]認(rèn)為，當(dāng)固體顆粒直徑大于50 μm時，氣含率隨著固體濃度的增加而降低；當(dāng)固體顆粒直徑小于10 μm時，氣含率隨著固體濃度的增加而增加。Jamialahmadi和Müller-Steinhagen[176]認(rèn)為，氣含率隨著潤濕性固體顆粒濃度的增加而增加，但隨著非潤濕性固體顆粒濃度的增加而降低。Mena等[177]研究表明，氣含率首先隨著固體濃度的增加而增加，然后當(dāng)固體體積分?jǐn)?shù)高于0.03時，氣含率隨著固體濃度的增加而降低。相應(yīng)地，當(dāng)固體體積分?jǐn)?shù)小于0.03時，均勻氣泡流比較穩(wěn)定，當(dāng)固體體積分?jǐn)?shù)大于0.03時，均勻氣泡流就會失穩(wěn)。Milivojevic等[178]也證明了固體顆粒對液速有類似的雙重影響。固體顆粒對上述氣含率和流型轉(zhuǎn)變的雙重影響可能來自于漿態(tài)床反應(yīng)器中固體顆粒的空間分布、物理性質(zhì)、氣泡形成和聚并等。Rabha等[151]報道了氣泡直徑的變化，他們觀察到添加固體顆粒將會引起小氣泡聚并形成大氣泡，但發(fā)現(xiàn)氣泡栓在高固體體積分?jǐn)?shù)時會發(fā)生破碎。此外，懸浮固體顆粒的存在降低了液體循環(huán)的驅(qū)動力，并影響流型。值得注意的是，液體循環(huán)速度不僅受反應(yīng)器幾何形狀和表觀氣速的影響，還受流型和固體濃度的影響[6]。

三相漿態(tài)床反應(yīng)器中另一個值得注意的問題是固體濃度軸向分布明顯，在反應(yīng)器底部固體濃度最高，可能導(dǎo)致局部過熱。Li等[18]發(fā)現(xiàn)，在兩級IALR中，當(dāng)表觀氣速為0.03 m?s–1、固體濃度為5%時，在距離反應(yīng)器底部1.4 m處的固體體積分?jǐn)?shù)的軸向差異可高達76%。固體軸向濃度分布的不均勻性被認(rèn)為是由隨機形成的氣泡群的對流和循環(huán)引起的。Murray和Fan [179]認(rèn)為，隨著表觀氣速的增加和固體顆粒尺寸的減小，間歇式和連續(xù)式漿態(tài)床反應(yīng)器中固體顆粒的軸向濃度分布都趨于均勻。Zhang [180]研究了錐形和圓柱形漿態(tài)床反應(yīng)器中固含率的軸向分布，發(fā)現(xiàn)隨著表觀氣速從0.02 m?s–1增加到0.28 m?s–1和固體負(fù)載量由53 kg?m–3增加到159 kg?m–3，固體軸向濃度分布的均勻性增加。同時，減小固體顆粒的粒徑（70～180 μm）和持液高度（0.6～2.4 m）也可以提高固體顆粒的軸向分布均勻性?；趯嶒灲Y(jié)果，通過最小二乘法得到了無量綱數(shù)Pe的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，以期預(yù)測單分散顆粒和二元顆?；旌衔锏妮S向濃度分布。

4.4.其他因素

目前已被廣泛接受的是，在內(nèi)徑（D）、高度（H）、高徑比（H/D）高于一定臨界值時，漿態(tài)床反應(yīng)器的流體力學(xué)與反應(yīng)器直徑和氣體分布器的型式無關(guān)。盡管存在不同的臨界值[26,181,182]，但為了安全設(shè)計，建議采用以下標(biāo)準(zhǔn)：①內(nèi)徑大于0.2 m；②高徑比大于5；③氣體分布器孔的尺寸大于1～2 mm [182]。在漿態(tài)床反應(yīng)器中，當(dāng)機械或化學(xué)磨損產(chǎn)生細(xì)顆粒時，其分離問題會加劇；此外，泡沫的形成是另一個應(yīng)該預(yù)防的問題[76]。

Xing等[134]報道，當(dāng)液體黏度小于10 mPa?s時，其對氣泡破碎率的影響可以忽略不計，而當(dāng)液體黏度超過10 mPa?s時，氣泡破碎速率隨液體黏度的增加而降低。一般認(rèn)為，表觀液速對氣含率和kLa影響不大[26]。Yang等[149]認(rèn)為，壓力對初始?xì)馀葜睆降挠绊懺谙鄬^低的壓力（低于2.0 MPa）下比較顯著，而在高壓下可以忽略不計。此外，高壓可以減小氣泡尺寸，延緩流型從氣泡均勻分散的氣泡流向氣泡聚并的不均勻氣泡流的轉(zhuǎn)變。Wang等[26]發(fā)現(xiàn)溫度對氣液傳質(zhì)的影響比對氣含率的影響更為顯著，這是由于高溫下液體具有更大的擴散系數(shù)。盡管已經(jīng)得出了一定的結(jié)論，但是其定量結(jié)果和潛在機制還需要進一步的研究。

5.計算流體力學(xué)模擬

由于數(shù)學(xué)和高性能計算技術(shù)的迅速發(fā)展，CFD已被成功地當(dāng)作研究氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器中流體力學(xué)和傳遞特性的有效工具[183–185]。Eulerian-Eulerian模型[186]將所有相視為可互相滲透的連續(xù)介質(zhì)，由于其計算量較小，已被廣泛應(yīng)用于預(yù)測漿態(tài)床反應(yīng)器的流體力學(xué)特性。除了關(guān)于湍流的爭論[8]，另一個爭議是相間動量傳遞的封閉，通常對主要的相間作用力，如曳力、湍流分散力、升力、虛擬質(zhì)量力和壁面潤滑力等進行封閉。然而，研究者關(guān)于這些相間作用力提出了各種各樣的理論和經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚187–189]。由于多相漿態(tài)床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的多樣性和操作條件的廣泛性，盡管許多研究人員致力于在他們的模擬案例中確保使用最合適的封閉關(guān)系[190]，但到目前為止，還沒有明確的單一封閉模型可模擬反應(yīng)器中的流體力學(xué)和傳質(zhì)換熱特性。

為了提高計算精度并減少花費，研究者提出了不同的模擬方案和算法，具體見表6 [112,191–201]。Huang等[191]通過采用改進的解耦算法和特殊處理的出口邊界條件，使用穩(wěn)態(tài)的二維軸對稱方法模擬了IALR中的整體氣含率和傳質(zhì)[192]。Oey等[193]將三相體系視為擬均相兩相體系，通過考慮固體密度和黏度等固體物性對連續(xù)液相性質(zhì)的影響，將分散相固體顆粒的影響包含在漿相中。固體體積分?jǐn)?shù)是通過離散質(zhì)量守恒方程得到的，其中固體速度是液速、沉降引起的滑移速度和湍動分散項的總和。結(jié)果表明，不同氣體流量下的預(yù)測氣含率與文獻中的結(jié)果較一致。通過采用這種擬兩相模型，Wang等[194]成功地模擬了EALR中的局部氣含率和氣泡上升速度。

表6 氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器的數(shù)值模擬研究

在計算CFD模型平衡方程中的界面力時，通常采用無破碎或聚并的恒定氣泡尺寸，以降低計算成本[202]。然而，在反應(yīng)器內(nèi)氣泡破碎和聚并現(xiàn)象頻繁發(fā)生，導(dǎo)致氣泡尺寸和速度的變化很大，特別是在過渡流區(qū)和攪動流區(qū)。為了解決這一問題，在CFD模擬中引入了描述氣泡聚并和破碎的群體平衡模型（PBM）來預(yù)測反應(yīng)器中氣泡的尺寸分布。Luo和Svendsen [203]提出的氣泡破碎模型以及Prince和Blanch [204]提出的氣泡聚并模型已經(jīng)被證實能夠可靠地描述曝氣反應(yīng)器中的氣泡直徑分布[195,196]。Lo [205]首次報道，將CFD-PBM模型與發(fā)展中的多尺寸群模型（MUSIG）相結(jié)合，可以很好地預(yù)測鼓泡塔中的流體動力學(xué)。為了控制合適的計算成本，該模型假設(shè)氣泡具有相同的運動速度。Frank等[197]進一步發(fā)展了非均勻MUSIG模型，根據(jù)質(zhì)量和動量守恒方程，將分散相尺寸分成若干組。他們的研究發(fā)現(xiàn)，通常情況下，以典型的3～5組就可捕捉到鼓泡塔中的流體力學(xué)特性。大量的研究更準(zhǔn)確地預(yù)測了氣泡尺寸分布。為了用實驗數(shù)據(jù)驗證模擬結(jié)果，Chen等[196]將氣泡破碎速率增加10倍，從而使由封閉函數(shù)計算的破碎速率與實驗數(shù)據(jù)相匹配。Bhole等[206]建議，聚并應(yīng)通過與考慮了液體和氣泡之間滑移速度的Stokes數(shù)相關(guān)的系數(shù)進行校正。Yang和Xiao [198]將能量最小化多尺度模型與PBM方程耦合，對氣泡聚并速率進行了修正，并取得了與實驗數(shù)據(jù)較一致的結(jié)果。

隨著大量數(shù)學(xué)模型和離散方案的發(fā)展，CFD模擬已被廣泛應(yīng)用于預(yù)測氣-液和氣-液-固流動的流體力學(xué)和傳遞特性，以及氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器中結(jié)構(gòu)和操作條件的優(yōu)化。Lehr等[199]利用CFD-PBM模型成功預(yù)測了鼓泡塔中的氣泡尺寸分布和流型，同時將大氣泡和小氣泡均視為液相中的擬連續(xù)相。Lestinsky等[201]考察了IALR的幾何參數(shù)，即導(dǎo)流筒的內(nèi)徑、外徑和安裝位置對液體循環(huán)速度和混合時間的影響。Ni等[200]對擋板振動鼓泡塔中的流型進行了二維和三維非穩(wěn)態(tài)模擬，得到的結(jié)果與數(shù)字粒子圖像測速實驗相符。Moraveji等[112]使用雙流體湍流模型模擬了填充床中湍流、流體動力學(xué)和傳質(zhì)特性的強化，他們還對反應(yīng)器中的流動形式、氣含率分布和流型轉(zhuǎn)變進行了清晰的描述。由此可知，為了強化氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器內(nèi)的流體力學(xué)和傳遞特性，CFD模擬已成為其設(shè)計、優(yōu)化和放大的有效工具。

6.結(jié)論與展望

氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器（包括鼓泡塔和ALR）具有易移熱、對強放熱反應(yīng)具有良好的溫控效果、生產(chǎn)成本低、相間傳質(zhì)速率高、催化劑易在線添加和分離等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景[148,207,208]。由于流體流動的強化，ALR比鼓泡塔反應(yīng)器有更好的混合性能。就傳質(zhì)能力而言，鼓泡塔反應(yīng)器略優(yōu)于ALR，這是因為在相同條件下，鼓泡塔反應(yīng)器的氣含率相對較高[209,210]。

對于漿態(tài)床反應(yīng)器，諸如連續(xù)相和分散氣相中的大量返混、固體催化劑負(fù)載低、氣泡聚并和反應(yīng)器放大困難等挑戰(zhàn)仍然存在，均應(yīng)予以考慮[148]。同時，實驗證實了漿態(tài)床反應(yīng)器中固體顆粒的分布是不均勻的，尤其是軸向分布。這可能導(dǎo)致不同區(qū)域的催化反應(yīng)速率不同，甚至可能出現(xiàn)過熱和“飛溫”（temperature runaway）。值得注意的是，在漿態(tài)床反應(yīng)器中仍然可以觀察到頂部和底部之間的溫度差異[211]。此外，催化劑失活率和磨損率可能會隨著漿液濃度的增加而增加。在某些應(yīng)用中，發(fā)泡、結(jié)焦和固體沉積可能成為嚴(yán)重的問題。因此，盡管氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器相對于多管固定床反應(yīng)器具有巨大的優(yōu)勢，但仍需對漿態(tài)床反應(yīng)器技術(shù)進行經(jīng)濟和工業(yè)可行性評估。

過程強化是傳統(tǒng)漿態(tài)床反應(yīng)器中提高性能或解決問題的最常用方法之一。過程強化有兩大類方法：第一類方法包括加強漿態(tài)床反應(yīng)器中的混合和傳質(zhì)/傳熱，包括在鼓泡塔中使用內(nèi)構(gòu)件（即內(nèi)管、多孔板、靜態(tài)混合器和結(jié)構(gòu)化內(nèi)構(gòu)件）、振動強化和組合方法，以及在ALR中對擋板、多孔板、靜態(tài)混合器或填料床和機械內(nèi)構(gòu)件的使用。值得注意的是，提高漿態(tài)床反應(yīng)器的流體動力學(xué)和傳質(zhì)性能，與反應(yīng)器的設(shè)計和運行有很大關(guān)系。為了獲得較高的空時產(chǎn)率，通常首選在高固體濃度和高表觀氣速下的不均勻氣泡流運行模式。為了有效地移除強反應(yīng)的熱量，大量的移熱設(shè)備是非常必要的，其對漿液的流體力學(xué)特性可能會產(chǎn)生較大的影響。第二類是將混合與固-液分離結(jié)合在同一漿態(tài)床反應(yīng)器內(nèi)，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)并降低生產(chǎn)成本。將IALR中的定向流動與低成本旋流器的固-液分離相結(jié)合的新技術(shù)是最具競爭力的技術(shù)之一。對于這項新技術(shù)，采用緊湊、高效的低壓降水力旋流器是決定性因素之一[212]。應(yīng)該注意的是，將非常細(xì)的顆粒從液體產(chǎn)品中分離通常需要多種分離方法。

盡管研究者在這一領(lǐng)域已經(jīng)做出了許多努力，但由于在廣泛的操作條件下流體力學(xué)和傳質(zhì)的實驗數(shù)據(jù)有限，對工業(yè)漿態(tài)床反應(yīng)器的設(shè)計和放大仍有困難。CFD已被證實是研究氣升式漿態(tài)床反應(yīng)器中流體力學(xué)和傳遞特性的有力工具，CFD-PBM模型被認(rèn)為是最有前途的數(shù)學(xué)模型。然而，人們普遍認(rèn)為，目前的模擬無法預(yù)測不均勻氣泡流中氣泡尺寸的“雙峰”分布，不同的氣泡聚并和破碎模型甚至可能給出不同的氣泡尺寸分布[8,134]。因此，應(yīng)繼續(xù)研發(fā)CFD模型并由實驗數(shù)據(jù)對其進行驗證。否則，模擬的結(jié)果是很危險的，因為這種情況下的模擬結(jié)果是不科學(xué)的[213]。

Nomenclatures

Symbols a mass-transfer interfacial area (m2)Ad downcomer cross-sectional area (m2)AD column cross-sectional area (m2)Ap exciter disk surface area (m2)Arriser cross-sectional area (m2)A0amplitude of imposed liquid pulsation (cm)b1, b2model constant c1, c2, c3model constant d diameter or sieve pore diameter (mm)d32bubble Sauter diameter (mm)–dσ/dCsurface tension gradient (N?m2?mol)d0sieve pore diameter (mm)D internal diameter of the column (mm)Ds,lliquid axial dispersion coefficient D0the diffusivity of a reference fluid (cm2?s–1)E axial dispersion coefficient F vibration frequency (Hz)f* specific frequency of pulsations (Hz)i g acceleration due to gravity (cm?s–2)H height (mm)hppacking height (m)k mass transfer coefficient (m?s–1)kLavolumetric mass-transfer coefficient (s–1)L length of the circulation loop (m)N number n numbers of sieve plates P power input (W)PAenergy dissipation rate for aeration (W?m–3)Pmpower input per unit mass (W?kg–1)PP energy dissipation rate for mechanical agitation (W?m–3)P0pressure at top interface (Pa)p1, p2, p3, p4, p5model parameters P/V power density (W?m–3)Q volumetric gas flow rate (mL?min–1)S space distance (mm)T temperature (K)

U s u p e r f i c i a l v e l o c i t y (m?s–1)u v e l o c i t y (m?s–1)U gsr t o t a l r i s e r s u p e r f i c i a l g a s v e l o c i t y (m?s–1)U gsd d o w n c o m e r s u p e r f i c i a l g a s v e l o c i t y (m?s–1)U LR l i q u i d r i s e r v e l o c i t y (m?s–1)U 0 o r i f i c e s p e e d (m?s–1)X p a m p l i t u d e o f d i s k v i b r a t i o n s (m)x 0 o s c i l l a t o r y a m p l i t u d e f r o m c e n t e r t o p e a k (m)G r e e k s y m b o l s α f r e e a r e a r a t i o o f t h e s i e v e p l a t e s θ h e l i x a n g l e (° )λ v i b r a t i o n a m p l i t u d e (m m)λ 1 m o d e l c o n s t a n t μ d y n a m i c v i s c o s i t y (P a·s)μ effeffe c t i v e v i s c o s i t y (P a·s)μ slurry a p p a r e n t v i s c o s i t y o f t h e s l u r r y (P a·s)ν k i n e m a t i c l i q u i d v i s c o s i t y (m 2?s–1)ν 0 t h e k i n e m a t i c v i s c o s i t y o f a r e f e r e n c e f l u i d (m 2?s–1)ε v o l u m e f r a c t i o n ρ d e n s i t y (k g?m–3)σ s u r f a c e t e n s i o n (N?m–1)? p a c k i n g p o r o s i t y ? s s o l i d v o l u m e f r a c t i o n ? s,max m a x i m u m s o l i d v o l u m e f r a c t i o n Ω f r e q u e n c y (r a d?s–1)S u b s c r i p t s b b u b b l e c o l u m n g g a s l l i q u i d o o r i f i c e p s i e v e p l a t e s s s o i l d D i m e n s i o n l e s s n u m b e r s B j B j e r k n e s n u m b e r,B o B o d e n s t e i n n u m b e r, F r F r o u d e n u m b e r,

G a G a l i l e o n u m b e r,P e P e l e c t n u m b e r,R e R e y n o l d s n u m b e r, R e o O s c i l l a t o r y R e y n o l d s n u m b e r, R e′o m o d i f i e d o s c i l l a t o r y R e y n o l d s n u m b e r, S h S h e r w o o d n u m b e r, S t r S t r o u h a l n u m b e r,S t′ m o d i f i e d S t r o u h a l n u m b e r, S c S c h m i d t n u m b e r,

致謝

感謝國家重點研究發(fā)展計劃（2016YFB0301701）、國 家 自 然 科 學(xué) 基 金（21808234、21878318、21938009）、中國科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金（DNL201902）、中國科學(xué)院潔凈能源先導(dǎo)科技專項（XDA21060400）、中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所創(chuàng)新基金（QIBEBT ZZBS201803和QIBEBT I201907）和中國科學(xué)院關(guān)鍵技術(shù)人才計劃的資助和支持。

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