气液搅拌反应器是多相反应工程的重要组成部分，被广泛用于化学工业，常用于实现如吸收、汽提、氧化、加氢、发酵及其他类型的工艺目标。气液搅拌反应器内流体间的有效混合程度影响着传热和传质，以及气液均质化程度，最终决定了整个工业过程所涉及的化学/生化反应。混合性能对确定产品质量和生产成本至关重要。气液两相的流动行为在混合过程中起着至关重要的作用。

目前，关于气液搅拌反应器内混合性能的研究已开展了广泛的研究，特别是反应器内流场或流动特征。流动模式直接决定了机械搅拌的性能，并与运行成本有关。对流场特征的了解与深远的认识对搅拌反应器的设计与优化至关重要。Rewatkar 等利用先进的激光多普勒测速仪（LDA）技术，结合示踪粒子，实现了对反应器内流场特征演变的可视化研究，并探究了盘式涡轮机（DT）、下压式斜叶片涡轮机（PTD）和上提式斜叶涡轮机（PTU）3 种搅拌桨对流域内流动模式的影响规律（见图4.10）。Lee 等研究了配备有Rushton 叶轮的标准挡板气液搅拌反应器内气泡轨迹。通常，增加叶轮的转速可以改善流场的结构并在一定程度上提高混合反应效率。然而，需要高能耗才能实现完全均质化。实际上，气液搅拌反应器中的气液混合是一个高度复杂的混沌过程，表现出时空混沌行为，混沌混合总是作为提高搅拌槽混合效率的有效方法。

图4.10　不同搅拌桨下的流动模式

近年来，从国内外的研究来看，主要从时间和空间方面的强化方式，如湍流、时变旋转、偏心旋转、往复搅拌等来增加流体的混沌混合，进而改善混合。Takahashi 等提出了一种非常独特的方法，即在叶轮搅动区域插入物件，并且插入的物体移动以破坏叶轮上方和下方的隔离混合区域。他们发现，新的空间混沌混合方法显著提高了混合效率。刘作华等开发了一种刚柔组合的搅拌桨，该桨能够破坏流场的对称性结构，进而提高了混合效率。刘作华等还研发了系列穿流式刚柔组合桨，并用Kolmogorov 熵量化研究了其混沌混合程度。基于以上研究，现提出利用新型管式分布器（见图4.11）进一步强化刚柔组合搅拌反应器内流动的研究思路。在本节内容中，重点探究刚柔组合桨搅拌反应器的结构参数和操作参数对功耗、局部气含率等的影响规律。

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图4.11　新型气体分布器的结构示意图

随着混沌理论的发展，形成了许多混沌参数来表征流体的混沌混合特性，如Kolmogorov熵、最大Lyapunov 指数、多尺度熵、分形维数。其中，最大Lyapunov 指数用于提供混沌混合特征的指标。Lyapunov 指数是判断非线性时间序列是否处于混沌状态的重要参数。开展搅拌槽内混沌混合行为的混沌特征量化分析工作显得尤为重要。

此外，在流体的混合过程研究中，功耗和局部气含率分布也是更好地认识流体混合行为的重要参数。Bouaifi 等基于混合数和均质能考察了气体对系统内功耗的影响规律。研究发现：

①对于单相（水）系统而言，多层搅拌桨的总输入功率是各个搅拌桨消耗功率之和。

②对于气液两相系统而言，全槽的功率消耗及其相对功耗（Pg/ P0）都与上下搅拌桨的结构有关。此外，他们还发现，气含率、气泡尺寸大小及相界面积都与总的通气搅拌功率有关。Bombacˇ等利用电阻探针技术研究搅拌桨附近的气腔结构及双层搅拌桨条件下反应器内的局部气含率分布，并考察了V-C 气腔结构中非常均匀的局部空隙分布到具有高的非均匀空隙分布的转变过程中轴周围的气泡浓度变化情况。Geng 等应用摄影技术研究配备半椭圆叶片直式涡轮搅拌桨的标准搅拌槽中局部Sauter 平均气泡尺寸，气含率和界面面积的分布。

在本节中，主要目的是开展刚柔组合桨对气液混合过程中混合性能的影响的研究，提出了一种新型的气体管分布器，以协同提高混合效率。为了探究并优化新型气液刚柔搅拌反应器的最佳结构，具体考察了柔性件长度l、叶轮类型、气体流量Qg、转速N、两个相邻孔之间的轴向间距lh 以及同一横截面上两个相邻小孔之间的角度θ（见图4.11）。此外，利用典型的混沌特征参数，即最大Lyapunov 指数（LLE）来提供气液混合过程中混沌混合特性的变化过程。还考察了不同外控参数对功耗和局部气含率的影响，以提供有关气液混合性能研究的详细信息。