釜式泰勒流反应器流动特性与传质机理研究

叶 立，谢小辉，万滕飞，吕文静

（上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

搅拌釜式反应器在化工、石油、生物等领域应用广泛[1-4]，在连续生产时稳定可靠、操作灵活，但搅拌作用造成釜内流体的返混，导致生产效率降低，不适合转化率高的反应[5]。本文通过设计一种气液混合射流的方案，在搅拌釜式反应器中引入泰勒涡流，改善反应器的流动和传质特性。泰勒涡流是一种存在于两个同轴圆筒环隙间的流体运动，通过内外圆筒的相对旋转在环隙间生成一系列沿轴向正反交替、排列有序的二次涡流[6]。目前研究证明，泰勒流反应器内的轴向返混小，反应推动力高，能够强化反应器的传热传质[7-9]。基于泰勒涡流原理制成的离心萃取器[10]、生物反应器[11]、核主泵[12]等设备在工业生产领域发展迅速。

近年来，国内外学者通过采用不同的构型增强反应器内泰勒涡流的传热传质能力。杨光等[13]通过模拟发现双层桨叶的共轴反转产生的泰勒涡柱能增强气体分散能力和提高整体气含率。Berghout等[14]通过对内外圆筒设置不同转速发现，外圆筒固定时泰勒涡流的生成与演化相较于内外圆筒都旋转的工况均较为稳定。Bakhuis等[15]通过改变泰勒反应器内圆筒壁面粗糙度，发现沿展向变化的粗糙度能控制泰勒涡流的波长。

上述研究在改善泰勒涡流传热传质方面具有推动作用，但泰勒涡流在实际应用中仍存在局限性：当前使用的常规泰勒流反应器体积偏小，仅能在较小的环隙比下生成泰勒涡，不能满足大规模工业化应用的需求。……