泰勒反应器应用技术进展

叶 立，蔡小舒，童正明

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

进展与述评

泰勒反应器应用技术进展

叶 立，蔡小舒，童正明

（上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093）

作为基于泰勒涡流原理制得的一种新型反应器，泰勒反应器得到了日益广泛的应用，呈现出良好的发展前景。本文讨论了内圆筒转速、轴向流速、半径比及纵横比等操作参数对泰勒反应器性能的影响，综述了泰勒反应器在颗粒制备、光催化降解、生物培养等领域的应用现状，针对气体通入影响、流动特性改进、反应器放大等应用问题提出了相应解决办法，并指出寻求合理的反应器放大方法以及对反应器放大后进行稳定性和可靠性研究是该领域今后研究的重点。

泰勒流；反应器；流态；混合；反应特性

泰勒反应器是基于泰勒涡流原理制得的一类反应器。在相对旋转的两同轴圆筒间（通常为内圆筒旋转而外圆筒静止），当内圆筒转速高于某一临界值后，离心力作用将在沿圆筒轴线方向上诱导产生一系列正反交替、有序排列的环形涡（即泰勒涡），如图1(a)所示，这种强加于沿转轴旋转主体流动上的二次流动就被称为泰勒流[1]。泰勒反应器出现于20世纪70年代[2]，其基本结构如图1(b)所示，近年来，泰勒反应器的应用迅速拓展至化工、生物、材料、环境等诸多相关领域，呈现出良好的发展趋势。

与传统反应器相比，泰勒反应器具有诸多优点。在层流泰勒流态下运行时，泰勒反应器内介质流动接近理想平推流[3]，反应器内轴向返混小，反应推动力高，泰勒涡柱的存在为反应介质提供了较大的比表接触面积[4]，这些因素都有利于促进化学反应的进行[5]。泰勒反应器可同时保证较高的传质系数和较小的剪切应力[6]，泰勒涡流产生的搅拌作用轻微但有效，能有效促进氧气和物料在液体介质中的传递；与此同时，由内圆筒旋转造成的剪切力要远小于搅拌桨产生的剪切力，对物料破坏作用小，因此泰勒反应器尤其适用于动物细胞培养及介质中含有对剪切力敏感的颗粒、吸收剂和大分子等反应介质的场合。进行多相反应时，泰勒反应器可以维持固体催化剂颗粒的均匀流化[7]，但与在流化床中不同，颗粒在泰勒反应器中主要是依靠泰勒涡作用而不是轴向流作用来维持悬浮状态，因此即使在极低的轴向流速下，也能通过调节内圆筒转速来获得良好的流化效果，突破了流化床中最低轴向流速的 限制。

尽管具有上述优点，泰勒反应器在实际应用中仍存在一些问题。本文作者在探讨反应器性能影响参数的基础上对这些问题加以分析，并提出了相应的解决办法，以期能促进泰勒反应器应用技术的进一步发展。

图1 泰勒流动及泰勒反应器结构示意图

1 影响泰勒反应器性能的操作参数

1.1 内圆筒转速

内圆筒转速是影响泰勒反应器性能的一个重要操作参数，随内圆筒转速增加，泰勒反应器内介质流态将发生一系列变化，反应器性能也随之变化。通常使用量纲为1旋转雷诺数Reθ或量纲为1泰勒数Ta来表示内圆筒转速的大小。

图2 泰勒反应器中随内圆筒转速增加形成的流态演化图

在间歇式泰勒反应器中，当内圆筒转速较低时，流体只是沿圆筒旋转方向简单地移动，呈现典型的库埃特流动形式，如图2(a)所示。当内圆筒转速增加至一定值时，反应器内会出现正反交替、有序排列的层流泰勒涡，如图2(b)所示。层流泰勒涡从反应器两端开始出现并逐渐向反应器中部推进[8]，使反应器环隙间刚好充满层流泰勒涡的旋转雷诺数被定义为临界旋转雷诺数Reθ,c。随内圆筒转速进一步增大，层流泰勒涡出现周向波动，流动转为波状泰勒流，如图2(c)所示。若再继续增大内圆筒转速，流体湍动性会明显增强，但仍然保持涡流结构，流动转为湍流泰勒流。湍流泰勒流大致始于Reθ达到 10Reθ,c时，此后将在相当宽转速范围内维持这种流动形态，直到Reθ＞700Reθ,c，涡流结构才受到破坏，流动进入完全湍流阶段[2]。

反应器内流态变化直接影响到反应器传质性能。层流泰勒流中，涡内传质系数较大而涡间传质系数较小，反应器性能接近平推流反应器[9]。当流态转入波状泰勒流或湍流泰勒流时，泰勒涡的波动或湍动作用会导致涡间传质系数大大增加，迅速达到与涡内传质系数相同的数量级，此时，反应器性能更接近全混流反应器[10]。

泰勒反应器内剪切力也与流态变化密切相关。层流泰勒流态下，各细胞或颗粒受到的剪切力存在很大差异，被旋转运动捕获而长时间位于泰勒涡柱内的细胞或颗粒所受到的剪切力比位于内、外筒附近的细胞或颗粒受到的剪切力要小，在Hill等[11]的实验中，这种剪切力差异导致了反应器内不同区域形成的淀粉纤维形状上的差异。波状或湍流泰勒流态下，反应器不同区域内的剪切力差异将逐渐消失。

由以上分析可知，针对不同应用场合应选用不同内圆筒转速，若从提高反应推动力、增加反应速率和转化率角度出发，应选用较低转速；若要保证固体颗粒均匀流化、反应基质或剪切力的均布，则要选用较高转速。通过调节内圆筒转速等操作参数，可使同一个泰勒反应器满足不同反应需求，这是泰勒反应器的又一大优点。

1.2 轴向流速

轴向流速对反应器性能的影响只是针对连续式泰勒反应器而言，轴向流速可用轴向雷诺数Reax表示。在泰勒反应器通常采用的小轴向流速或中等轴向流速范围内，反应器内流态演变顺序不会发生变化，但由于轴向流的引入对涡柱结构具有一定程度的稳定作用，各流态转变点将被延后到更高的旋转雷诺数下[12]。连续式泰勒反应器中，泰勒涡在轴向流的拖动下还会产生从反应器入口至反应器出口的移动，这种移动通常用涡柱漂移速度Vd（即涡柱移动速度与物料沿轴向的表观流速之比）来表示。Vd的大小取决于旋转雷诺数和轴向雷诺数之比值Reθ/Reax，随着Reθ/Reax的增大，Vd值将从1.17左右逐渐减小至0[3]。Vd=1时反应器处于一种特殊的流动状态下，被称为渐进式涡流流动（progressive vortex flow）。涡柱依序从反应器入口移动至出口，当一个涡柱在反应器出口处溃灭时就会有一个新的涡柱在反应器入口处生成，涡柱之间不会相互重叠，反应器中也不存在旁流和逆流，介质的所有轴向流动都依靠涡的移动来进行，反应器性能接近平推流反应器。Vd＞1时反应器中存在逆流，Vd＜1时反应器中存在旁流，在这两种情况下，介质的轴向流动除了依靠涡的移动来进行外，还有一部分需要依靠旁流或逆流来进行。Vd=0时反应器处于另一种特殊状态下，此时涡柱完全停止向下游移动，介质轴向流动完全依靠旁流来进行，涡柱则成为滞止“死区”，有效反应体积大大减小，反应器性能受到严重破坏，这种情况可通过内圆筒转速进一步增加时涡柱和旁流间传质作用的增强得到部分改善[13]。

在轴向流速一定的情况下，随内圆筒转速增加，连续式泰勒反应器性能将从平推流向全混流逐渐过渡[14]。在刚好形成层流泰勒流的低旋转雷诺数下，运行的反应器具有较好的反应性能，随内圆筒转速增加反应器反应性能变坏，但反应性能最差的情况不是发生在极高的旋转雷诺数下，而是发生在具有滞止“死区”的中等旋转雷诺数下。

1.3 半径比及纵横比

半径比η被定义为反应器的内圆筒半径ri与外圆筒半径ro之比，可反映反应器内外圆筒间环隙的大小。通常情况下泰勒涡柱高度与涡柱宽度相等，而涡柱宽度又取决于环隙宽度[13]，因此随着半径比增大（即环隙宽度减小），反应器轴向环隙内的泰勒涡数目会增加。Wei等[15]研究了半径比变化对轴向环隙内泰勒涡数目的影响，在反应器长度保持一定的情况下，当半径比为0.434、0.540、0.640、0.760时，轴向环隙内相应的泰勒涡数目分别为22个、26个、34个和50个。半径比对反应器内流态演变也有一定影响，波状泰勒流只会在ri/ro＜0.71的泰勒反应器内发生，在ri/ro＞0.71的窄隙反应器中，反应器中流态将从层流泰勒流直接过渡到湍流泰勒流[16]。

纵横比Γ被定义为反应器高度H与反应器环隙宽度d之比。相对于纵横比较大的泰勒反应器而言，纵横比较小的反应器更有利于层流泰勒涡的稳定，Deng等[17]对这两种反应器进行了比较，在半径比均为0.87的情况下，当= 34.129时，Reθ=134.7时层流泰勒流转变为波状泰勒流；而当Γ= 6.022时，Reθ＞1500才会发生这种转变。在纵横比较小的反应器中，泰勒涡柱高度不再等于涡柱宽度，端壁效应的强烈影响使泰勒涡变得“扁平”。

2 泰勒反应器的应用现状

2.1 颗粒制备

在泰勒反应器中可通过结晶[18]、聚合[15]、水解[19]、中和[20-21]等多种方法来制取颗粒。应用于颗粒制备的泰勒反应器几乎无一例外地采用了较高的旋转雷诺数，其目的是为了利用较高转速下的均匀混合条件来满足制得颗粒粒度均匀、形状均一的要求。Wang等[20]对比了使用连续搅拌釜式反应器和连续泰勒反应器制取CaCO3颗粒的不同效果，在反应剂量、搅拌转速、反应器进出口介质流速均相同的情况下，搅拌釜式反应器中同时有方形颗粒和纺锤形颗粒产生，而泰勒反应器中得到的CaCO3颗粒形状和粒度都十分均匀。

泰勒反应器操作简便，易于调节，通过改变操作参数可对颗粒生成进行有效控制。Kang等[21]研究了反应器操作参数对生成颗粒形态的影响，通过改变反应剂浓度、轴向流速和内圆筒转速等参数分别得到了菱形、纺锤形和针形等不同形状的晶体颗粒，Kang等还推导出由以上操作变量组成的量纲为1的参数式，并成功运用该参数式预测了生成颗粒的形状。Kim等[18]研究了内圆筒转速对生成颗粒粒径的影响，发现生成颗粒尺寸随内圆筒转速增加而减小，实验条件下得到了尺寸小于5 μm且粒度相当均匀的晶体颗粒。

泰勒反应器内流态稳定，可使工艺条件保持长期恒定，从而保证了颗粒的连续制取效果。Takashi等[19]使用泰勒反应器连续制取氧化铝颗粒，在5 h实验期间所制得颗粒的平均粒径、几何标准偏差和颗粒密度都始终保持恒定，且在相同反应条件下实验具有高度可重复性。Wei等[15]的实验也得出了泰勒反应器可在相当长时间范围内保证操作条件稳定的结论。

2.2 光催化降解

光催化降解是用于去除废气、废水中有机废物（如苯酚、苯甲酸等）的一种降解技术[22]。国内外目前应用最为广泛的光催化反应器主要包括悬浆式光催化反应器和固定式光催化反应器两种，悬浆式光催化反应器的降解速率通常要高于固定式光催化反应器的降解速率[23]，而泰勒光催化反应器则具有比悬浆式光催化反应器还要高的降解速率。Mehrotra等[24]在泰勒反应器中对初始浓度为100 mg/kg的苯甲酸水溶液进行光催化降解，操作开始225 s后，苯甲酸降解率即达到69%（Reθ=253时）和76%（Reθ=380时），在降解液量、降解时间、电量消耗均相同的情况下，泰勒反应器对苯甲酸的降解率比悬浆式反应器分别高出50.4%（Reθ=253时）和78.3%（Reθ=380时）。

Dutta等[25]使用泰勒反应器对3种有机化合物Orange II、Eosin B、苯甲酸进行光催化降解处理，实验中采用了将TiO2催化剂固定于内圆筒外壁面和悬浮于处理液中两种不同的操作模式。光催化反应只能发生在流体-催化剂接触界面，当催化剂被固定时，接触界面传质阻力会降低光催化反应速率[26]，这是导致固定式反应器降解效率低于悬浆式反应器的主要原因。泰勒涡流可以消除界面扩散传质阻力的影响，在Dutta进行的实验中，两种操作模式下同种有机物的降解效率相差不大。可见，催化剂固定式泰勒光催化反应器具有很大的应用潜力，因其既避免了悬浆式光催化反应器中催化剂易凝聚、难回收、难分离的缺点，又具有很高的降解效率。

Subramanian等[27]使用泰勒反应器对苯酚进行光催化降解，研究了环隙宽（7.5 mm、17.5 mm、32.5 mm）、照明模式（连续或周期性）等操作参数对降解反应的影响，证明泰勒光催化反应器具有较大操作弹性，通过改变环隙宽度就能改变处理量，通过改变照明模式就能控制光照强度。

2.3 生物应用

近年来，泰勒反应器在生物领域的发展十分迅速，被广泛用于重组蛋白质、单克隆抗体、病毒疫苗、核酸、干细胞等生物制品的生产中[28-29]。泰勒反应器之所以在生物细胞培养方面得到大量应用，是源于生物细胞没有细胞壁且体积相对较大，因而对剪切力特别敏感，要求反应器在向培养基中提供足够氧气和养分的同时能维持较低的剪切力[30]。常规搅拌釜式反应器常采用增加搅拌装置转速的方式来增强氧气和养分在培养液中的传递[31]，剪切力不可避免地会增大，泰勒反应器则具有同时满足高传质系数和低剪切力要求的能力。Patricia等[32]使用泰勒反应器培养大颊鼠卵巢细胞（CHO-K1），实验中选择使细胞附着在微载体表面生长的形式，因为这种生长形式比细胞处于悬浮状态生长对剪切力更为敏感。实验测得培养过程中的氧传递系数KLα达到8.5 h－1，比在常规搅拌釜式反应器[33-35]中测得的KLα值1～5 h－1大得多，有效避免了氧限制生长极限，获得了高达 1.0×106cells/m L 的细胞密度和2.1×10－2h－1的比生长速率。

泰勒反应器在生物领域的应用还包括酶催化反应和生物灭菌等。Andrea[36]在泰勒反应器中进行β-内酰胺抗生素的酶催化合成，在维持催化酶颗粒均匀流化的同时，避免了催化酶颗粒受强剪切力破坏，反应器运行200 h后，其内部的催化酶颗粒仍保持了完整的物理形状和100%的活性。Forney等[37]使用泰勒反应器对苹果汁和葡萄汁中的埃希氏菌属大肠杆菌进行紫外灭菌，利用泰勒涡流减小边界层厚度，使果汁更有效地暴露在紫外光中，灭菌效率比使用普通环流通道反应器提高了3～5倍；此外，内圆筒旋转设计使果汁颗粒反复暴露在紫外灯照射下，可减小灯管数量，降低能耗且便于维修。

2.4 其它应用

Rivera等[38]使用泰勒反应器从含有CuSO4的水溶液中通过电化学法回收金属铜，反应器内流态控制为湍流泰勒流，进行趋电性实验时铜的回收率可达到60%，进行恒电势实验时铜的回收率更是高达85%。Maria等[39]使用泰勒反应器代替流化床回收蛋白质，利用泰勒涡作用提高液膜传质系数，降低了吸收过程中内传质阻力的影响，使蛋白质回收量达到0.51 mg/(m L·min)，通过改变吸附剂设计（提高吸附剂密度同时减小吸附剂直径，或使用无孔吸附剂等）方法进一步减小内部传质后可获得更好的回收效果。Nguyen等[40]利用泰勒反应器来促进淹没式结晶过程中鸟苷GMP相态的转变，反应过程中无定型GMP的分解速度和水合GMP晶体的生长速度都得到显著提高，使得相变在5 min平均停留时间内就能完成，即使在GMP进料浓度高达150 g/L和300 r/min的中等转速下也如此，这比相同结晶条件下的MSMPR结晶器相变效率提高了5倍。

3 应用技术存在的问题

3.1 流动特性的改进

前文已述及，在某些应用场合，如进行固液相催化反应时，必须采用高转速来保证催化剂颗粒的均匀流化；但与此同时，反应器内轴向返混作用会显著增强，导致反应效率降低。如何在高转速下取得良好的反应效果成为泰勒反应器应用技术中亟待解决的一个问题，该问题涉及反应器流动特性的改进，可通过改变转子（即内圆筒）形状或在反应器内增设挡板的办法来达到这一目的。

肋片式转子[41]（图3）具有稳定泰勒涡的作用，能将层流泰勒流向波状和湍流泰勒流的转变推迟到更高的旋转雷诺数下。肋片式转子还具有固定泰勒涡的作用，即使在较高轴向流速下也能将泰勒涡固定在相邻肋片间，有效减小了泰勒涡的轴向波动和涡间传质，削弱了轴向扩散，使反应效率得以提高。此外，使用具有花瓣状横截面的转子来获取流场均一化效果和最佳剪切速率[42]，使用圆锥形转子来满足聚合反应过程中沿反应器轴向不断增加的黏度要求[43]，都是通过改变转子形状来改良反应器流动特性的方法。

图3 肋片式转子泰勒反应器结构示意图

挡板通常安装在反应器外筒体内壁面上，分为水平挡板和竖直挡板。水平挡板具有与肋片式转子类似的作用机理，可将反应器筒体分割成数个小单元，泰勒涡被固定在各单元内，使得反应器轴向返混减小[44]。竖直挡板的存在则会造成流道的周期性扩大和缩小，有助于径向混合的增强，催化剂颗粒在绕轴流动中被周期性加速或减速，反应接触效率比在呈轴对称稳定的泰勒流中更高[45]。

3.2 气体通入的影响

在泰勒反应器中进行有气相参加的反应时，通气过程中若有气泡形成，会对反应器性能造成严重损害，因产生的气泡会影响流体流态，使泰勒涡结构受到破坏。要消除气体通入对泰勒反应器性能的影响，关键在于消除通气过程中产生的气泡，最常采用的方法是借助膜的渗透作用来抑制气泡形成。Janes等[46]在泰勒反应器内培养红甜菜细胞时采用了薄片状硅橡胶膜，他们在中空玻璃管上加工出数十个均匀分布的小孔，并在管外覆盖一层厚度为0.18 mm的高强度硅橡胶膜，中空玻璃管既作为转子也作为氧气通道，氧气由中空玻璃管内侧进入后经小孔和硅橡胶膜渗透至培养液中，满足好氧培养需求的同时有效避免了气泡的形成。Patricia等[32]进行的动物细胞培养实验中采用了管状硅橡胶膜，管状膜被缠绕在反应器转子上，氧气经反应器底部基座进入膜管中，在沿膜管上升过程中逐渐通过膜壁渗透到培养液中，既保证了氧气均布，也避免了气泡形成。加膜虽然可以在一定程度上抑制气体通入对泰勒反应器性能的影响，但气流的通入量和通入速率都要受到限制，不能算做很完善的解决办法。

近年来，黄为民等[47-48]采用特殊的气体分布装置在搅拌釜式反应器内诱导生成泰勒涡柱，构建出有别于常规管式泰勒反应器的釜式泰勒反应器，在这种新型的泰勒反应器中，气体通入不仅不会对泰勒涡柱结构造成破坏，反而成为泰勒流形成的基础，尤其适用于好氧反应场合。釜式泰勒反应器的研制成功，有望成为消除气相通入对反应器性能影响的最有效措施。

3.3 反应器的放大

现有应用中的泰勒反应器体积普遍较小，目前可查见最大尺寸的泰勒反应器长度为1500 mm，纵横比为125[19]，远不能满足大规模工业化生产的需要。已有放大方法包括反应器特征参数相似法[6]、增加外圆筒半径法[32]和增加反应器长度法[32]。

采用特征参数相似法时，反应器放大前后的半径比和纵横比等结构特征参数都不发生变化，依靠特征参数的相似来保证反应器动力学的相似，Stephen等[6]的实验证明了该种放大方法的可行性，但他们用来进行对比研究的两个反应器的环隙宽度和反应器长度只相差4倍左右，进行更大比例的放大时该方法是否有效还尚待考证。

采用增加外圆筒半径法和增加反应器长度法进行放大时，必须通过调节操作参数来保持（至少在一定范围内保持）反应器动力学特征的相似，这两种放大是建立在操作参数对反应器动力学影响基本规律研究基础上的，目前的研究只能达到定性预测程度，还无法进行精准的定量预测，因此这两种放大方法在实施过程中还具有一定的操作难度。

目前，国内外已有诸多关于泰勒流CFD模拟的研究报道[49-55]，若能将CFD模拟技术与上述放大方法相结合，定能有效促进泰勒反应器的放大进程。

4 结 语

作为一种新型反应器，泰勒反应器在化工、生物、材料、环境等领域的应用中都显现出传统反应器所不及的优点，具有广阔的应用前景。内圆筒转速、轴向流速、半径比及纵横比等操作参数对泰勒反应器内介质流态以及反应器性能具有很大影响，使用中应根据不同需求对操作参数加以合理选择。目前应用中的泰勒反应器体积偏小，尚不能满足大规模工业化应用的需要，因此，寻求合理的反应器放大方法以及对反应器放大后的稳定性和可靠性研究是该领域今后研究的重点。此外，操作参数对反应器动力学影响的定量化研究也亟待进行。

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Progress of app lications of Taylor-vortex flow reactor

YE Li，CAI Xiaoshu，TONG Zhengming
（School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

As a new type of reactor built on the basis of Taylor-vortex flow theory, Taylor-vortex flow reactor has been used more and more intensively, exhibiting favorable application potential. The influences of operational parameters, such as rotating speed of inner cylinder, axial speed of medium, radius ratio and aspect ratio, on the performances of Taylor-vortex flow reactor are analyzed. Present applications of Taylor-vortex flow reactor in the fields of particle preparation, photocatalysis and cell culture, etc. are introduced. Exisiting application problems, including gas access, flow character improvement and reactor’s scale up, are proposed. Appropriate scale up technologies and studies on reliability of scale-up reactors should become research emphases in the future.

Taylor-vortex flow; reactor; flow pattern; mixing; reaction characteristics

TQ 052.5

A

1000–6613（2012）09–1878–08

2012-03-26；修改稿日期：2012-04-28。

及联系人：叶立（1977—），女，硕士，讲师，主要从事反应器动力学、传热传质等研究工作。E-mail sarah_shine@163.com。