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摘 要

本文比较了在内循环气升式反应器中，膜管分布器和孔板分布器两种气体分布器对流体力学和传质行为的影响。实验过程中测定了牛顿流体与非牛顿流体中总气含率ε_T，下降区液相速度V_d，体积传质系数K_La。实验结果显示，ε_T明显受到表观气速、流体性质、分布器结构影响。在相同的实验条件下，特别是在下降区中，膜管分布器中ε_T要高于孔板分布器。在膜管分布器中，V_d要明显高于孔板分布器。而在CMC溶液中，两种分布器的V_d都随着溶液浓度的增加而降低。而无论是在空气-水体系，或是空气-CMC溶液体系中，膜管分布器的K_La都高于孔板分布器。实验提出了ε_T、V_d和K_La经验公式，其计算结果与实验数据的误差在10%以内。

关键词：气升式反应器 ； 分布器； 气含率 ； 液相速度 ；传质系数

ABSTRACT

Two gas spargers, a novel membrane-tube sparger and a perforated plate sparger, were compared in terms of hydrodynamics and mass transfer (or oxygen transfer) performance in an internal loop airlift bioreactor. The overall gas holdup ε_T, downcomer liquid velocity V_d, and volumetric mass transfer coefficient K_La were measured in Newtonian and non-Newtonian solutions. It was found that ε_T was strongly influenced by the superficial gas velocity, fluid properties, and sparger structure. Under the same experimental conditions, ε_T of the bioreactor with the membrane-tube sparger was higher than that with the perforated sparger, especially in the downcomer. It was also found that V_d was dramatically higher in the presence of the membrane-tube sparger than the perforated sparger, and for both spargers, V_d decreased as the concentration of carboxymethyl cellulose (CMC) solution increased. The employment of a membrane-tube sparger was found to produce a higher K_La both in the air-water system and air-CMC-solution system when compared to the perforated plate sparger. Empirical correlations of ε_T ,V_d , and K_La are proposed and comparison of calculated results and experiment data agree very well with deviation of 10%.

Keywords: airlift bioreactor, sparger, gas holdup, liquid velocity, mass transfer coefficient.

目录

摘 要 1

ABSTRACT 2

文献综述 4

1.1 气升式内循环反应器 4

1.1.1 气升式内循环反应器的结构 4

1.1.2 气升式内循环反应器的重要结构参数 4

1.1.3 气升式内循环反应器的优势与应用 5

1.2 曝气方式 5

1.2.1 曝气方式的影响 5

1.3 液体粘度 6

1.4 实验目的与意义 6

第二章 实验材料与方法 8

2.1 实验材料 8

2.1.1 反应器与液相体系 8

2.2 实验方法 11

2.2.1 气含率测定 11

2.2.2 下降区液相速度 11

2.2.3 体积传质系数 11

第三章 结果与讨论 13

3.1 气含率 13

3.2 下降区液相速度 15

3.3 体积传质系数 17

第四章 结论 18

参考文献 19

致 谢 21

文献综述

1.1 气升式内循环反应器

气升式环流反应器(ALR)是一种以气源作为动力、使液体混合与循环流动的反应器 ,是在鼓泡塔的基础上发展起来的已工业应用的ALR有内循环式和外循环式两种类型,无论哪种类型的反应器都由4个基本部位组成:上升段、下降段、器底和气液分离器。每一部位的液体流动特性各有差异,基质传递、产物形成、热量交换情况在各处也不一样 ^[1]。

1.1.1 气升式内循环反应器的结构

内循环式和外循环式环流反应器的基本结构见图1^[2]。

气升式内循环反应器为内部装有导流筒的鼓泡塔。导流筒的主要作用是将反应体系隔离为一通气区与非通气区，以使反应器中的流体产生上下流动，增强流体的轴向循环；使流体沿一固定方向运动，以减少气泡的兼并，有利于提高氧传递速率；使反应器内剪切力更加均匀。^[3]

当气体通过分布器进入导流筒内时，导流筒成为升液管；若相反，气体直接进入导流筒和反应器筒体之间的环隙时，导流筒则为下降区。气体分布器附近和升液管内的流体密度较小，而反应器其他部位和下降区内流体密度则较大，因此在密度差的推动下实现流体循环，以使其传递与混合过程得到强化。^[3]

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