1 引言

气液喷射式环流反应器是在鼓泡塔基础上发展起来的一种气液两相反应器，具有气液混合及传质效率高等优点，广泛用于加氢、磺化、氧化、氯化等化工生产过程^[1-3]。喷射式环流反应器根据物料的流动方向不同，有气液并流、逆流和混流等不同的操作模式。目前，研究报道主要集中于气液并流喷射式环流反应器^[4-6]，关于气液逆流喷射式环流反应器(也称射流鼓泡反应器)的研究相对较少^[7-15]。现有研究主要涉及气液逆流喷射式外环流反应器内液相混合^[7-9]、气液传质特性^[10-11]及气泡动力学^[12-15]，而对于气液逆流喷射式外环流反应器中液相返混特性的认识仍然不清。液相返混特性是气液反应器设计和放大需要考虑的重要参数，直接关系到反应器内混合和相间传热、传质速率，进而影响反应速率及选择性。因此，深入研究气液逆流喷射式外环流反应器中液相返混特性，对于反应器的设计、优化及放大具有重要意义。气液逆流喷射式外环流反应器本质上是在鼓泡塔上方引入一股垂直向下的浸没式液体射流，利用高速液体射流对气泡的剪切破碎作用，实现反应器内气液两相的高效混合。因此，鼓泡塔中液相返混特性的研究^[16-19]对气液逆流喷射式外环流反应器具有重要的借鉴意义。在鼓泡塔中，气泡驱动液体逆向流动，在塔内形成大尺度的循环流动结构，使得液相返混严重^[20]。此外，由于径向不均匀的流速分布，使得同一时刻进入反应器的物料在不同径向位置上具有不同的流速，物料在反应器内具有不同的停留时间，最终引起液相返混^[21]。由于反应器中速度分布的不均匀性，会使得新鲜液体从不同位置注入时存在不同的停留时间分布，相应的液相返混程度也会发生改变，因此液体进料位置也是影响液相返混的一个重要因素。在气液逆流喷射式外环流反应器中，由于射流与气泡的协同作用，使得不同操作条件下反应器内液体速度分布以及液体的循环流动差别较大^[9]。本研究在冷模实验装置中，采用电解质脉冲示踪法测量液体停留时间分布，研究不同操作条件下的液相返混特性，并对比不同液相进料位置对液相返混的影响，期望为气液逆流喷射式外环流反应器的优化设计提供指导。

2 实验部分 2.1 实验装置及流程

图 1(a)所示为气液逆流喷射式外环流反应器结构示意图，反应器内装有气体分布环(图 1(b))、液体进料管、液体喷嘴以及挡板(避免喷射液体直接进入循环管路)。液体进料管内径为14 mm，插入反应器内的长度为380 mm，在其两侧均匀布有8个直径为2 mm的进液孔，进液孔的方向与外环流装置截面平行。液体喷嘴采用缩径式圆形喷嘴^[11]，其入口直径为30 mm，喷嘴的收缩角为44°，喷嘴出口直径为18 mm，圆柱段长度与喷嘴出口直径的比值为2。实验过程中以饱和KCl溶液为示踪剂，采用脉冲示踪法测量排液口处液体电导率随时间的变化，以得到示踪剂在外环流装置内的停留时间分布，进而根据停留时间分布计算液相返混程度。

冷模实验在常温、常压下进行，以空气和水为模拟介质。实验流程如图 2所示，实验开始之前，向反应器中注水，直至直筒段液位高度为650 mm。从外环流装置底部排出的液体，在循环泵的泵送作用下经流量计计量后通过喷嘴喷射进入外环流装置。新鲜液体进料的流量为0.6 m³·h^-1，通过2种不同的方式连续进料，一种通过外循环回路连续进料，经过液体喷嘴进入外环流装置，称为喷嘴进料；另一种则是新鲜液体通过液体进料管连续进料，称为底部进料。实验过程中，通入外环流装置内的气体流量的变化范围为1~8 m³·h^-1，以外环流装置截面积计算，表观气速u_g的变化范围为0.002 45~0.019 6 m·s^-1，外循环液体流量变化范围为1~15.5 m³·h^-1(相对应的喷嘴出口射流速度u_j为1.09~16.9 m·s^-1)。

2.2 液相返混程度

实验过程中，将一定体积(50 mL)的饱和KCl溶液通过注射器瞬间加入，排液口处液体的电导率k(t)在示踪剂注入一段时间后升高，达到最大值k_max后开始下降，最后趋于平稳，与初始值接近，记为k_min。为了消除实验用水的电导率对实验结果的影响，对k(t)进行归一化处理，得到无因次的电导率$k'(t)$：

$k'(t) = \frac{{k(t) - {k_{\min }}}}{{{k_{\max }} - {k_{\min}}}}$

(1)

由$k'(t)$可计算得到相应的停留时间分布密度函数E(t)：

$E(t) = k'(t)/\int_0^\infty {k'(t){\rm{d}}t} $

(2)

采用统计特征值的方法，对E(t)进行分析，可得到平均停留时间$\bar t$：

$\bar t = \int_0^\infty {tE(t){\rm{d}}t} /\int_0^\infty {E(t){\rm{d}}t} = \int_0^\infty {tE(t){\rm{d}}t} $

(3)

求E(t)对t的二次矩，可得方差$\sigma _t^2$：

$\sigma _t^2 = \int_0^\infty {{{(t - \bar t)}^2}E(t)dt} /\int_0^\infty {E(t)dt} = \int_0^\infty {{{(t - \bar t)}^2}E(t)dt} = \int_0^\infty {{t^2}E(t)dt} - {\bar t^2}$

(4)

根据多釜串联模型，利用E(t)的无量纲方差$\sigma _\theta ^2$可以求得模型参数N：

$ {N}=1/{\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{\theta }}^{2} $

(5)

$\sigma _\theta ^2 = \sigma _t^2/{\bar t^2}$

(6)

N与液相返混程度密切相关：N越大，返混程度越小。

3 结果与讨论 3.1 操作条件对液相返混的影响

图 3(a)为喷嘴进料时，不同u_g下液相返混程度随喷嘴出口射流速度u_j而变化，其中返混程度采用多釜串联模型参数N来表示。从图中可以看出，在u_g一定的条件下，随着u_j的增大，液相返混程度先减小后增大。图 3(b)为不同u_j下液相返混程度随u_g的变化，由图可知，当u_j一定时，返混程度随u_g的增大先减小后增大。

前期研究结果^[9]表明，气液逆流喷射式外环流反应器中液相流型受气泡和液体射流两方面因素的影响，存在鼓泡控制、射流控制、射流与鼓泡协同控制等3种典型的流型。在鼓泡控制区内，气泡向上运动时携带液体，会诱发中心区域液体向上、壁面附近液体向下的循环流动(文中统称为循环流动结构Ⅰ)，从而造成严重的液相返混，且随着u_g增加，气泡尺寸变大，鼓泡引起的液相循环运动增强，使得返混程度增大。另一方面，在射流与鼓泡协同作用区，会诱发中心和壁面附近液体向下流动、两者之间液体向上流动的循环流动(文中统称为循环流动结构Ⅱ)，从而导致液相返混，且随着u_j增加，射流作用范围增大，循环流动结构Ⅱ的作用区域增大，液相返混程度增强。

在u_g一定且u_j较小时，反应器内流动结构主要受鼓泡控制，此时鼓泡所引起的液相返混程度较大；随着u_j度增大，气泡逐渐向四周分散，且气泡尺寸变小，气泡在反应器内均匀分散，液速径向分布变得相对均匀，液相循环流动结构Ⅰ的作用区域减小，使得鼓泡导致的液相返混程度减小；当u_j超过某一临界值时，由于反应器内气泡已完全分散，此时液体流动结构主要受射流控制，此后随着u_j的继续增加，反应器内循环流动结构Ⅱ的作用区域逐渐扩大，液速分布变得更不均匀，液相返混程度也相应增大。因此随着u_j的增大，气液逆流喷射式外环流反应器中液相返混程度先减小后增大。

在u_j一定时，随着u_g的增大，循环流动结构Ⅱ的作用区逐渐减小，液体径向速度分布变得相对均匀，使得射流引起的液相返混程度减小；当u_g超过某一临界值时，随着表观气速的继续增加，鼓泡引起的循环流动结构Ⅰ逐渐增大，液速分布变得越来越不均匀，液相返混程度相应增大。因此随着u_g增大，气液逆流喷射式外环流反应器中液相返混程度先减小后增大。

3.2 进料方式对液相返混的影响

图 4为不同u_g下液相喷嘴进料和底部进料这2种进料方式对应的液相返混程度随u_j的变化，从图中可以看出，在气速不超过0.009 8 m·s^-1的条件下，当u_j < 11 m·s^-1时，底部进料的返混程度小于喷嘴进料，当u_j > 11 m·s^-1时，底部进料的返混程度大于喷嘴进料。在气速大于0.009 8 m·s^-1条件下，底部进料的返混程度都小于喷嘴进料。

在气液逆流喷射式外环流反应器中，当新鲜液体从喷嘴进入时，如图 5(a)所示，一部分新鲜液体F_{1, nozzle}会随着射流向下流动，最终到达反应器内各个位置，另一部分液体F_{2, nozzle}会与周围液体发生掺混，在上升气泡的携带作用下直接从溢流口排出反应器，从而出现短路，这会使得液相返混加剧。当u_j增加时，随着射流向下流动的新鲜液体F_{1, nozzle}的量增多，则发生短路的新鲜液体F_{2, nozzle}的量减少；而随着气速增加，气泡携带的新鲜液体F_{2, nozzle}的量增加，则发生短路的新鲜液体量增加。如图 5(b)所示，从底部进入的一部分新鲜液体F_{1, bottom}会在气泡的携带下从反应器底部向上运动，直至从溢流口排出反应器，另一部分新鲜液体F_{2, bottom}会在循环泵的抽吸作用下，从反应器底部排出，经过外循环管路从反应器上方的喷嘴喷射进入反应器，如前所述，一部分新鲜液体F_{3, bottom}会随着射流向下流动，同时又有部分新鲜液体F_{4, bottom}发生短路，从而造成液相返混。当u_j增加时，从反应器底部排出的新鲜液体F_{2, bottom}的量增加，最终发生短路的新鲜液体F_{4, bottom}的量也会相应增加；而随着气速增加，气泡携带的新鲜液体量增大，从反应器底部排出的新鲜液体F_{2, bottom}的量减小，则发生短路的新鲜液体F_{4, bottom}的量也减小。

在低气速条件下，当u_j较小时，从喷嘴进料的新鲜液体中能够到达反应器底部F_{1, nozzle}的量较少，而发生短路的F_{2, nozzle}较多；底部进料时向上运动的新鲜液体F_{1, bottom}较多，使得发生短路的新鲜液体F_{4, bottom}的量小于F_{2, nozzle}，如图 6(a)所示，因此底部进料时的液相返混程度低于喷嘴进料；当u_j较大时，喷嘴进料时发生短路的F_{2, nozzle}较少，而底部进料时，由于气泡上升速度较小，气泡对新鲜液体携带作用较弱，大部分从底部进料的新鲜液体来不及被气泡携带向上运动，就在液体射流的作用下从反应器底部排出再经过外循环回路通过喷嘴进入反应器，此时发生短路的新鲜液体F_{4, bottom}的量大于F_{2, nozzle}，如图 6(b)所示，因此底部进料的液相返混程度大于喷嘴进料。

在气速较高的条件下，由于气泡上升速度较快，对底部进料的新鲜液体携带作用也较强，大部分底部进料的新鲜液体能很好地被气泡携带向上运动，发生短路的新鲜进料液体量减少，与此同时，从喷嘴进料后发生短路的新鲜液体的量增多，使得F_{4, bottom}的量小于F_{2, nozzle}的量，如图 6(c)、(d)所示，导致底部进料的液相返混程度小于喷嘴进料。

4 结论

气液逆流喷射式外环流反应器内液相返混程度随着操作条件变化显著。当u_g恒定时，随着液体u_j的增加，液相返混程度先减小后增大；在液体u_j一定条件下，返混程度随u_g的增加先减小后增大。此外，在气速较低且u_j较大时，底部进料的液相返混程度大于喷嘴进料，而在气速较高以及气速较低且u_j较小时，底部进料的液相返混程度小于喷嘴进料。

符号说明：