鼓泡塔作为一种使用最为广泛的多相流反应器，对其结构性能的改进一直是研究的热点。现有的对鼓泡塔反应器传质过程的强化方法大部分是通过减小气液相界面积来提升相间传质的速率，对反应器内对流传质过程的研究很少。且强化方法存在着经验性和缺少相关理论提供指导等问题。近年来针对对流传递过程出现的一种基于流场改造的过程强化方法已成功用于流体流动减阻和传质传热过程的强化中。该方法以特定目标函数作为优化核心，在考虑相应的约束条件（连续性方程，动量守恒方程等）下，对流体流场进行改造，从而使传递过程发生在特定的流场结构中，通过这种方法得到的改造后的流场结构可为设备结构的优化设计提供直接有效的依据。

在鼓泡塔生物降解甲苯废气过程中，由于入口处气相中的甲苯含量较低，气相中的氧气浓度在反应器内变化很小，根据亨利定律可知，气液相界面处氧的饱和浓度基本不发生改变，对于液相溶氧而言相当于界面浓度恒定，故可在鼓泡塔反应器中采用熵产极值原理对液相溶氧的传质过程进行强化，通过优化液相的流场结构来提升液相溶氧的浓度，从而加快生化反应的速率，提升出口处气相甲苯的去除率。

液相中由于溶氧传质引起的熵产S_ge表达式如下:

优化目标为在液相流场中液相溶氧传质熵产取得极值，表示为：

约束条件为连续性方程，组分质量守恒方程以及流体在整个对流传质区域内的总粘性耗散给定，即：

这一优化过程是一泛函条件极值问题，可采用变分法获得液相最优速度场所满足的方程，最后求得虚拟附加体积场力F：

将F带入到动量守恒方程中，从而得到了经过优化后液相流场和液相溶氧浓度分布，如下图：

图1  优化后鼓泡塔内液相流线图(a)和液相溶氧浓度分布图(b)( g·m⁻³)

经过数值分析，采用熵产极值原理对流场进行优化后，鼓泡塔内液相溶氧的平均浓度从1.31 g·m⁻³上升到1.49 g·m⁻³，气相甲苯的去除率从79.6%提升到了85.5%，优化效果明显。通过优化后得到的液相流场可为反应器结构的优化设计提供指导。

张超，男，1989年12月生，博士，副教授，硕士生导师。博士就读于天津大学化工学院，现就职于中北大学化学与化工学院，研究方向是化工设备内传递过程的数值模拟和化工过程强化技术及装备，邮箱：zhangchao1213@nuc.edu.cn。

中北大学超重力化工过程团队长期致力于超重力环境下化工单元和化学反应过程的研究，工程应用独具特色，已创建拥有专利技术的超重力装置五十余套，形成了超重力装置齐全、技术先进的研发平台。曾获国家科技进步二等奖一项、省部级奖十项。研究平台占地面积1800 m²，拥有紫外、红外、热重、气相色谱-质谱联用仪、高效液相色谱、离子色谱、扫描电子显微镜等20多台大型分析仪器，价值近2500万元；超重力装置开发工房600 m²，拥有数控转塔车床、立式加工中心、普通车床、线切割机等机械加工设备，具备了中试超重力装置的设计和研发能力。