氣液雙噴式氣升式環(huán)流反應(yīng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣液雙噴式氣升式環(huán)流反應(yīng)器，尤其是一種基于氣液體微納米切割細(xì)化技術(shù)的氣液雙噴式氣升式環(huán)流反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0002]氣升式環(huán)流反應(yīng)器(airlife loop reactor，簡(jiǎn)稱ALR)，是一種以氣源作為動(dòng)力、使液體混合與循環(huán)流動(dòng)的反應(yīng)器。是目前應(yīng)用最廣泛的生物反應(yīng)設(shè)備。其工作原理是把無(wú)菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進(jìn)發(fā)酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細(xì)碎，同時(shí)由于形成的氣液混合物密度降低故向上運(yùn)動(dòng)，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合與溶解氧傳質(zhì)。這類反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、剪切應(yīng)力小、混合好等優(yōu)點(diǎn)。氣升式環(huán)流反應(yīng)器對(duì)于反應(yīng)物之間的混合和傳質(zhì)都是相當(dāng)有利的。氣升式環(huán)流反應(yīng)器是由鼓泡反應(yīng)器改進(jìn)而來(lái)的新型反應(yīng)器，它綜合了鼓泡床和攪拌釜的性能，與鼓泡床反應(yīng)器相比，環(huán)流反應(yīng)器具有液體定向流動(dòng)的特點(diǎn)，在較低的表觀氣速之下即可以實(shí)現(xiàn)固體顆粒的完全懸浮，并且目前被應(yīng)用于諸多領(lǐng)域諸如費(fèi)托合成、一步法合成甲醇與二甲醚、汽油脫硫、重油氫化、生物廢發(fā)酵液處理及發(fā)酵工程等。
[0003]已工業(yè)應(yīng)用的ALR有內(nèi)循環(huán)式和外循環(huán)式兩種類型，無(wú)論哪種類型的反應(yīng)器都由4個(gè)基本部位組成:上升段、下降段、器底和氣液分離器。每一部位的液體流動(dòng)特性各有差異，基質(zhì)傳遞、產(chǎn)物形成、熱量交換情況在各處也不一樣。這兩類反應(yīng)器相比，外循環(huán)氣升式反應(yīng)器可在降液區(qū)安裝換熱器以加強(qiáng)傳熱，便于上升段與下降段的測(cè)量和控制，還可在上升段與下降段之間安裝一個(gè)節(jié)流閥，以控制進(jìn)氣率和液體循環(huán)速度。內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器則結(jié)構(gòu)比較緊湊，導(dǎo)流筒可做成多段的以加強(qiáng)局部及總體循環(huán)，導(dǎo)流筒內(nèi)還可安裝篩板，使氣體分布得以改善，并可適當(dāng)?shù)匾种埔后w循環(huán)速度。
[0004]與其他反應(yīng)器相比，ALR具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剪切力低、供氣效率高、有效界面接觸面積較大、流化效果極佳、各相都有明確的停留時(shí)間以及熱質(zhì)傳遞速率高等優(yōu)點(diǎn)。但通過研究和實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，它也存在以下一些缺點(diǎn):初始化投資較大；需要非常大的空氣吞吐量;相間混合接觸較差；當(dāng)循環(huán)的有機(jī)體和操作條件發(fā)生變化時(shí)，底物、營(yíng)養(yǎng)物和氧含量不能保持一致；當(dāng)出現(xiàn)泡沫時(shí)，氣液分離的效果很差;混合與氣液耦合問題，也即很難在不改變通氣的條件下得到改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種氣液雙噴式氣升式環(huán)流反應(yīng)器，克服了氣升式生物發(fā)酵系統(tǒng)氣液混輸送和氣液親合的難點(diǎn)，最大限度地發(fā)揮氣升式環(huán)流反應(yīng)器的生物處理能力，提高了處理效率，降低了能耗。
[0006]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種氣液雙噴式氣升式環(huán)流反應(yīng)器，包括發(fā)酵罐，特征是:在所述發(fā)酵罐中設(shè)置導(dǎo)流筒，導(dǎo)流筒的內(nèi)部為液體上升區(qū)，導(dǎo)流筒與發(fā)酵罐之間為液體下降區(qū)，在液體上升區(qū)的下部安裝環(huán)形分布管，分布管上設(shè)有多個(gè)噴孔;在所述發(fā)酵罐的底部安裝I個(gè)或多個(gè)靜態(tài)螺旋切割裝置，靜態(tài)螺旋切割裝置上具有氣液混合物出口、發(fā)酵液輸入口和壓縮空氣輸入口，壓縮空氣輸入口與空氣氣源連接，氣液混合物出口與分布管連接，發(fā)酵液輸入口通過管道與發(fā)酵罐底部的出液循環(huán)口連接。
[0007]進(jìn)一步的，在所述靜態(tài)螺旋切割裝置的發(fā)酵液輸入口和發(fā)酵罐的出液循環(huán)口之間設(shè)置發(fā)酵液栗。
[0008]進(jìn)一步的，所述靜態(tài)螺旋切割裝置包括切割管，切割管中心設(shè)置芯軸，芯軸的進(jìn)液端設(shè)置導(dǎo)液錐;在所述芯軸上設(shè)置若干片依次螺旋疊加的切割片;在所述切割管的進(jìn)液端連接加氣頭，在加氣頭中安裝軸向中心加氣裝置，軸向中心加氣裝置包括安裝在加氣頭上的管座，管座中設(shè)置導(dǎo)氣管，導(dǎo)氣管的外端連接進(jìn)氣管，在導(dǎo)氣管的內(nèi)端安裝節(jié)流座，節(jié)流座中設(shè)置節(jié)流閥芯，節(jié)流座上設(shè)置加氣孔。
[0009]進(jìn)一步的，所述切割片上具有三個(gè)或多個(gè)葉片。
[0010]進(jìn)一步的，所述切割片沿芯軸長(zhǎng)度方向依次螺旋疊加形成由芯軸長(zhǎng)度方向布置的三條或多條螺旋，并且相鄰兩個(gè)切割片的葉片按照螺旋線方程錯(cuò)開一定角度，在螺旋形的側(cè)面形成階梯狀切割刃口。
[0011]進(jìn)一步的，所述螺旋疊加的切割片形成的螺旋形采用變螺距，進(jìn)液端的螺距大于出液端的螺距，螺距由進(jìn)液端向出液端逐漸減小。
[0012]進(jìn)一步的，所述切割片的厚度為0.08?5mm。
[0013]進(jìn)一步的，所述加氣孔與加氣頭、切割管的軸線同軸。
[0014]進(jìn)一步的，在所述加氣頭和切割管之間安裝有靜態(tài)混合器。
[0015]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
(I)本發(fā)明通過無(wú)旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的靜態(tài)螺旋切割裝置將空氣大分子團(tuán)切割為微納米量級(jí)的小分子團(tuán)物質(zhì)，幾乎在常溫常壓下將其溶于發(fā)酵液中，溶解氧含量高，溶氧率比傳統(tǒng)氣升式發(fā)酵法增加4-5倍、穩(wěn)定性好;靜態(tài)螺旋切割裝置無(wú)動(dòng)力旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，設(shè)備成本低，易維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用。
[0016](2)本發(fā)明所述靜態(tài)螺旋切割裝置可實(shí)現(xiàn)氣液體微納米化切割細(xì)化，氣液體在切割腔XYZ三個(gè)方向均受到剪切力;流場(chǎng)邊界為切割葉片螺旋形成的階梯狀切割刃，在一定的流動(dòng)場(chǎng)和離心力的作用下，氣液受到階梯狀切割刃的切割力，理論上可實(shí)現(xiàn)無(wú)限小尺度的切割。
[0017](3)本發(fā)明把空氣通過靜態(tài)離散化的螺旋切割裝置，快速、高效地切割細(xì)化為微納米量級(jí)的小氣泡，大大提高氧氣的溶解效率，發(fā)酵液中溶氧量可達(dá)傳統(tǒng)發(fā)酵罐加氣法的4-5倍，溶氧穩(wěn)定性好。
[0018](4)本發(fā)明所述加氣裝置采用特殊設(shè)計(jì)的加氣頭、出氣口，根據(jù)層流流體繞流圓柱體的流體力學(xué)理論分析可知，加氣孔附近區(qū)域發(fā)酵液的流速接近于0，氧氣可以順利散逸到發(fā)酵液中，實(shí)現(xiàn)螺旋切割器四個(gè)切割腔均勻加氣，這種加氣法效率高，切割細(xì)化均勻。
[0019](5)本發(fā)明克服了傳統(tǒng)氣升式生物發(fā)酵系統(tǒng)氣液混輸送和氣液親合的難點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)I 一 10VVM的通氣速率和氣液混合輸送。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明所述氣液雙噴式氣升式環(huán)流反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。[0021 ]圖2為所述靜態(tài)螺旋切割裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3為所述切割片的示意圖。
[0023]圖4為所述靜態(tài)螺旋切割裝置的工作狀態(tài)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025]如圖1?圖4所示:所述氣液雙噴式氣升式環(huán)流反應(yīng)器包括發(fā)酵罐1、導(dǎo)流筒2、發(fā)酵液栗3、分布管4、靜態(tài)螺旋切割裝置5、噴孔6、加氣頭3-1、管座3-2、導(dǎo)氣管3-3、密封圈3-4、密封塊3-5、節(jié)流座3-6、節(jié)流閥芯3-7、加氣孔3-8、法蘭5-1、切割管5-2、芯軸5-3、導(dǎo)液錐5-
4、切割片5-5、壓塊5-6、鎖緊螺母5-7、葉片5_8等。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明所述氣液雙噴式氣升式環(huán)流反應(yīng)器，包括發(fā)酵罐I，發(fā)酵罐I采用的材質(zhì)為SUS316L，公稱容積選用500L;在所述發(fā)酵罐I中設(shè)置導(dǎo)流筒2，導(dǎo)流筒2采用現(xiàn)有市售的鉬制導(dǎo)流筒;所述導(dǎo)流筒2的內(nèi)部為液體上升區(qū)，導(dǎo)流筒2與發(fā)酵罐I之間為液體下降區(qū)，在液體上升區(qū)的下部安裝環(huán)形分布管4，分布管4上設(shè)有多個(gè)噴孔6。
[0027]在所述發(fā)酵罐I的底部安裝I個(gè)或多個(gè)靜態(tài)螺旋切割裝置5，靜態(tài)螺旋切割裝置5上具有氣液混合物出口、發(fā)酵液輸入口和壓縮空氣輸入口，壓縮空氣輸入口與空氣氣源連接，氣液混合物出口與分布管4連接，發(fā)酵液輸入口通過管道與發(fā)酵罐I底部的出液循環(huán)口連接;在所述靜態(tài)螺旋切割裝置5的發(fā)酵液輸入口和發(fā)酵罐I的出液循環(huán)口之間設(shè)置發(fā)酵液栗3，發(fā)酵液栗3采用市售的衛(wèi)生級(jí)不銹鋼自吸栗。
[0028]如圖2所示，所述靜態(tài)螺旋切割裝置5包括切割管5-2，切割管5-2中心設(shè)置芯軸5-3，芯軸5-3的進(jìn)液端設(shè)置導(dǎo)液錐5-4，導(dǎo)液錐5-4的作用是為了使氣液混合流均，經(jīng)擴(kuò)散之后可以均勻地通過切割管5-2;在所述芯軸5-3上設(shè)置若干片依次螺旋疊加的切割片5-5，切割片5-5的中心孔與芯軸5-3間隙配合，切割片5-5由壓塊5-6和鎖緊螺母5-7固定在芯軸5-3上;所述切割片5-5上具有三個(gè)或多個(gè)葉片5-8(圖4中為4個(gè)葉片5-8)，切割片5-5沿芯軸5-3長(zhǎng)度方向依次螺旋疊加形成由芯軸5-3長(zhǎng)度方向布置的三條或多條螺旋，并且相鄰兩個(gè)切割片5-5的葉片5-8按照螺旋線方程錯(cuò)開一定角度，在螺旋形的側(cè)面形成階梯狀切割刃口。所述螺旋形采用變螺距，進(jìn)液端的螺距大于出液端的螺距，螺距由進(jìn)液端向出液端逐漸減小。所述切割片5-5的厚度為0.08?5_。
[0029]如圖2所示，在所述切割管5-2的進(jìn)液端連接加氣頭3-1，一般在加氣頭3-1和切割管5-2之間還安裝有靜態(tài)混合器(圖中未示出)；在所述加氣頭3-1中安裝軸向中心加氣裝置，軸向中心加氣裝置包括安裝在加氣頭3-1上的管座3-2，管座3-2中設(shè)置導(dǎo)氣管3-3，導(dǎo)氣管3-3與管座3-2之間設(shè)置密封圈3-4和密封塊3-5，密封塊3-5通過螺母和螺釘緊固；所述導(dǎo)氣管3-3的外端連接進(jìn)氣管，進(jìn)氣管與氣源相連，在導(dǎo)氣管3-3的內(nèi)端安裝節(jié)流座3-6，節(jié)流座3-6中設(shè)置節(jié)流閥芯3-7，節(jié)流座3-6上設(shè)置加氣孔3-8，加氣孔3-8與加氣頭3-1、切割管5-2的軸線同軸，同軸度小于0.1_，可保證氣體順利散逸到水中。
[0030]本發(fā)明的工作原理:本發(fā)明所述的氣液雙噴式氣升式環(huán)流反應(yīng)器，采用微納米切割細(xì)化技術(shù)，氣液兩相通過靜態(tài)螺旋切割器5將氣液兩相流切割細(xì)化，將空氣大分子團(tuán)切割