图1  800m3气-液反应器的驱动轴联轴器和机械密封

在化工领域，生产企业通过增加反应器的尺寸以减少成本和提高竞争力，这同时也增加了对反应器搅拌机搅拌性能的要求。搅拌体积的增加，意味着传统的搅拌机和叶轮设计无法提供最经济的性能，近年来已经开发出可以明显改进产品性能和减少成本的新设计。

混合是化工流程中最古老的操作装置，也是最重要的设备之一。混合的复杂性在于自身的混合难度，不仅如此，随着过去30年大宗化工品生产中的反应器尺寸的快速增大，使得混合愈加复杂。大规模生产流程发展的趋势覆盖整个工业范围，包括：大宗化工品、特殊化工品、配方产品（例如：粘合剂、涂料）、食品、化妆品等等（具体例子见表1）。

在全球经济中，尺寸增加有助于减少成本和提高竞争力，但也增加了对许多反应器搅拌机搅拌性能的要求。全方位提高生产率应关注所有与之相关的问题，例如：

1. 优化产品质量和工厂生产率。生产率可以表述为单位时间和体积的产量：（1）或具体产品的成本：  （2），理想状态，P1应该最大化，而P2应该最小化。

图2 硝基苯的催化氢化到苯胺

2. 所使用的原材料和能源应该最少化。

3. 排放如废水废气废料等应该消除或最小。

4. 机械的可靠性应该最大化（这不仅减少维修成本，也扩展了设备的可使用性，因此增加了生产率）。

5.  工厂和工艺应该被设计成能做到“快速应对市场”（比如工厂的灵活性）。在设计阶段考虑到这些问题，可以大大缩短工艺改进周期，这会给那些为了保持他们的竞争力而经常引入新产品的生产者带来巨大的效益。

图3  氢化反应器的各种设计

必须达到的搅拌目的以及伴随的巨大搅拌体积增加意味着传统的搅拌机和叶轮设计不大可能提供最经济的性能。近年来已经开发出可以提供明显改进产品性能和减少成本的新设计。机械设计、密封选择和新结构材料、表面处理等也起到优化产能的作用。

气-液反应器设计正是现代技术使P1最大化和P2最小化应用领域之一。过去的20年在气-液搅拌和反应技术上的长足发展，已经引导人们对设计标准和最好的技术方案有了更好的了解。

带纯气体的反应

连续氢化

氢化反应的一个很好的例子是硝基苯还原到苯胺，如图2。

这是一种反应很快而且毒性很大的反应，反应器的生产率通常受限于氢气和液体之间的传质或去除大量反应热的需求（典型的16t/h硝基苯转化率需要大约18MW的冷却）。最大化传质不仅增加反应率，也是大家期望的，因为高氢气浓度可减少在催化作用下产生不希望有的副产物的风险。为了达到上述目标，反应器就要具有高传质和传热的性能。

图4  带现代组合气体处理系统的氢化反应器

传统的氢化反应器（图3左），通常在靠近叶轮的区域装有气体分布环，以便气体立即被分散到液体中去。没有溶解和反应完的气体穿过液体，占据了液面以上的空间，并增加了压力。当液面以上空间的压力达到最大的可允许压力时，就不得不停止加料，直到液面以上空间中的氢气被吸收进液体与之反应。为了产生湍流和把氢气拽回液相，经常会将叶轮安装在近液面处。然而，“表面飞溅”无助于传质，并且严重限制了反应率。

为了改善气体积聚在反应器液面以上空间的传质，一些反应器设计了液体从釜底到釜顶的循环结构（图3左二）。这种结构可以提供较高的传质率， 不过也可能发生回吸：

1. 反应和外部换热器换热之间的延迟可能导致局部过热（降低选择性）。

2.  继有效传质后，循环过程中发生相当长时间的缺氢（副产物，催化剂的去活化）。

3.  整个装置需要比较大的空间，在反应器和换热器之间需要预留热膨胀的预量。

图5  不同自吸式叶轮的传质比较（恒定溶解盐电离子强度下的水中氧浓度）

4. 在整个反应系统中，催化剂可能无法均匀悬浮（减少了有效体积）。

5. 泵密封接触物料（增加了维修需求）。

另一种替换设计（图3右二）是通过外部压缩机将釜内液面上部的氢气重新循环至反应器的底部。这是通过增加表面速度来提高传质，并且几乎不需改动反应器。但是，压缩机的费用不低，而且消耗大量的能源，也可能会发生较高的维修保养成本。

现代的解决方案（图3右）采用一种自吸式涡轮，它的作用像一个安装在内部的压缩机，更多的细节见图5。

通过一根简单的进料管将气体直接加入到安装在反应釜底部的第一级分散气体叶轮的下面，这个分散气体的叶轮带有一个旋转的气体分散盘，无需另配可能被堵塞或腐蚀的气体分散环。现代的第一级气体分散叶轮属于改进过和增强了的凹形透平叶轮家族（图8），这些透平保留了很好的处理气体的性能特点。液面上没有溶解的气体被拽进空心轴，通过一个特殊设计的气体-吸入叶轮（风斗式叶轮）进行循环，这样不间断的循环将气体送入反应混合物中而不需要任何外部泵或压缩机。气体吸入的有效性来自于空心风斗的设计，气体被拽入并进入叶轮低压区域。当速度高于临界值，风斗处的压力降超过流体静压，循环重新开始。

图6   间隙氢化反应的反应率曲线  ①2kW/m3时表面气体分散；②和③2 kW/m3和3 kW/m3时组合气体处理系统

根据一套无因次数可以计算气体循环率。它是透平形式、直径、速度和桨叶浸没在液体内的深度的函数。与两片水平盘之间带有一系列径向通道的传统“通道形透平”相比，风斗形的透平产生较高的吸入效率，而且两相流过流道产生出低压。

高效的风斗形叶轮产生较高的吸气率，因而有较高的KLa 值，见图6的对比。总的来说，风斗形叶轮的传质性能要比表面飞溅或涡流好很多。如果只是比较风斗形和传统的通道形，也显示风斗形有较高的效率。一个组合的气体处理系统可以达到更高的KLa值，甚至超过用外部循环系统。

为了在高湍流区域达到两相高浓度，新鲜的液体通过插入的加料管被直接加在主要气体循环叶轮的液体吸入口（见图5）。在那里，高浓度的气液混合物流到冷的表面，被移走反应热，减少了局部过热的风险。

图7  传统气-液叶轮（左）和现代设计（右）

组合气体处理系统的其他几个性能特点也可视为它的优势：
 
1. 由于比较好的均匀性和较低的氢气不足的风险，可以减少副产品的形成和延长催化剂的寿命

2. 通过在反应器内特定部位增加（直至20m2/m3）换热表面，可以增强换热器的能力。反应热在那里产生也在那里散失，而不需一个远程热交换器。

3. 减少维修保养麻烦，因为机械密封远离了工艺液体和固体。

间隙氢化反应

另一个例子是在一种复杂的有机分子里的双键饱和。图7显示，现代的组合式气体处理系统取代老式的表面气体分散处理系统可以改善反应效果。曲线（1）是表面气体分散系统的反应完全率；曲线（2）和曲线（3）是组合气体处理系统在不同功率（2kW/m3 和3kW/m3）时的完全反应率。 

图8  流型:  FBDT的隔间化，PD/SD的轴向延伸的涡流，颜色表示流速对叶尖速度比

许多情况如使用最新技术可以减半反应时间。如果能很好地确定安装功率和产量之间的关系可以促进优化工厂的效益。

分散气体的叶轮

分散高通气率的叶轮

传统的非常高通气率的反应器，惯常使用如平板式透平（FBDT）、折叶透平（PBT）或宽机翼式组合叶轮，而现在许多先进工艺使用凹形透平家族的叶轮（图8），以适应反应器的特定要求。

图9  一组工业规模的产生径向和轴向流动的凹形叶轮

使用径向泵送的初级分散器（PD）可将加料气分散到液相。一个或更多的二次分散器可以同轴安装，以提供液体的轴向混合和气体的再分散。在气体易于快速凝聚的地方，再分散是必要的。PD带有一个一体的气体旋转分布盘；这样，气体加料只需一根简单的管子，而无需分布环。这种机构安排可以节省投资也比较有吸引力，因为一根简单的通气管很少会像带有成百个孔的分布环那样成为污染源。不仅如此，还可能减少堵塞或腐蚀。

现代PD和SD叶轮的另一个明显的优点是他们的性能比传统的设计更稳定。当存在大量被分散气体时，传统叶轮的输入功率迅速下降，而凹形叶片的PD和SD叶轮受影响很小。这可以用于那些要求变化通气率的工艺流程，因为搅拌功率比较稳定，无需通过调节搅拌速度来保证合适的传质。传统的叶轮由于性能不稳定，常常需要安装速度调节控制器，这增加了投资和操作成本。

气-液混合物的混合

反应混合物的均匀性是生产率、产品质量和避免副反应的一个关键因素，但由于关注合适的传质，经常忽视了反应混合物均匀性。液体反应物的均匀性以及被分散和被溶解气体、混合物温度、pH和所有反应物料的浓度的均匀性都是非常重要的。对间隙、加料间隙和连续操作来说，这些是很真实的。

工业领域近年规模和产量增加的例子

图9 是典型生物反应器的叶轮流型。左面的反应器装有多级FBDT，右面的反应器安装了组合叶轮-径向泵送的PD和轴向泵送的SD。径向流动的FBDT在每个叶轮的上下产生两个相同的涡流，这些涡流互相“卷”在一起，缺乏轴向的物质交换。而组合叶轮的PD/SD产生强烈的轴向变形和延伸，它们不会互相“卷”在一起，而是相互作用，大大提高了均匀性。这种作用减少了混合时间（在同样的输入功率和通气量）。

结论

近年来在搅拌性能和设计技术方面的进展，使得某些现有气-液反应器的性能通过使用最新技术设计的搅拌机替代已有的、传统的搅拌机得到改善。专业的搅拌公司可以提供最新的关键技术以及大量数据、设计程序和模拟能力。

对于相关的投资来说，现代搅拌设计和技术可以大大影响到工厂的生产效率。这也确保新的世界规模反应器的高效和有效成本设计。在这篇文章中没有涉及其他的发展，例如，可以进一步提高成本收益改善的密封技术和维护。