[發明專利]一種高效傳質、傳熱的大規模氣液和氣液固反應器裝置

有效

• 申請號: 201610496423.6
• 申請日: 2016-06-30
• 公開（公告）號: CN105944647B
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 鄭志永;王子凡;詹曉北;高敏杰
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: B01J19/18
• 分類號: B01J19/18;B01F7/00;B01F7/16;B01F7/20;B01F15/06;C12M1/08;C12M1/02;C12M1/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司23211
• 代理人: 耿曉岳

技術領域

本發明涉及一種高效傳質、傳熱的大規模氣液和氣液固反應器裝置，屬于生物工程、化學工程和環境工程領域。

背景技術

氣液兩相分散和混合廣泛應用于通風發酵、氧化反應、氫化反應、生物曝氣等過程單元。目前能實現氣液和氣液固反應的裝置主要有：鼓泡塔、氣升式反應器、攪拌釜反應器和曝氣池等。在通風發酵過程和生物轉化過程中，通風攪拌釜反應器的應用極為普遍。

無論是氣液兩相參與的化學反應還是好氧生物反應，氣液分散過程往往伴隨著傳熱過程，在小規模反應器裝置中，傳熱過程往往不會成為技術瓶頸，工程師更多地關注氣液分散效率。但在大規模發酵過程中，隨著反應器體積的增大，單位體積所能安裝的傳熱面積趨小，往往會使反應熱(代謝熱)的有效移除成為反應器放大的技術瓶頸。在高細胞密度通風發酵過程中，細胞代謝產生的放熱強度可達到30kW/m³發酵液；單位體積所需的傳熱面積甚至達到3.0m²/m³發酵液，這種高強度傳熱需求在常規的大規模通風發酵罐中很難得到滿足。

常見的罐外傳熱裝置有：普通整體式夾套、帶螺旋導流帶的整體式夾套、半圓管夾套、蜂窩式夾套、通道式夾套等。常見的罐內傳熱裝置有：豎式盤管、大螺旋盤管、彈簧式盤管等。

具體地講，在小規模(<10m³)和中等規模(10～100m³)的通風生物反應器中，為滿足反應過程中的高效傳熱需求，一般同時在罐外設置夾套和罐內設置盤管。以典型的中等規模通風發酵罐為例，單位體積的傳熱面積在1.2～2.0m²/m³發酵液范圍之間，在大規模(＞100m³)通風發酵罐中，單位體積的傳熱面積不易超過2.0m²/m³發酵液。隨著反應器體積的增大，罐外可安裝的夾套面積非常有限，因此越來越依賴在罐內安裝更多的盤管，導致盤管之間的間隙趨小，進而影響流體在罐內的流動速率、混合、傳質和傳熱效率。

雖然豎式盤管兼具有檔板的功能，適當的盤管數量和密度有利于罐內的傳質和傳熱過程，但隨著反應器體積的增大，盤管裝置越來越向罐中心區域延伸，攪拌槳與盤管的間距趨小，過寬的檔板功能反而會不利于攪拌器分散和混合功能的發揮；盤管之間的間隙趨小，甚至會小于30～50mm，這將嚴重影響罐內傳質和傳熱的效果和均勻性。

由于大螺旋盤管和彈簧式盤管中的冷卻水可以完全排盡，因此在發酵罐的滅菌過程中可以節省蒸汽消耗，但當反應器體積增大后，盤管之間的螺距趨小，盤管之間的間隙甚至小于30～50mm，這將導致在反應器內形成的不同分區：罐中心的充分湍流區、彈簧式盤管圍成的內部滯流區、大螺旋盤管與器壁間的滯流區等，在滯流區內的傳質和傳熱效率低下，反應器內的整體流場呈高度不均勻性。

由于大規模氣液和氣液固反應器裝置體積龐大，整體設備往往無法運輸，一般需將反應器的各部件分別進行制造和運輸，然后在業主所在地進行現場加工和組裝。由于攪拌問題的復雜性，攪拌系統制造與反應容器(包括傳熱裝置)制造往往是由不同的制造商來完成，因此很容易造成對傳質和傳熱的不同理解，導致反應器傳質和傳熱過程效率不能兼顧。目前大規模氣液和氣液固反應器的設計和制造技術仍主要依賴于各生產企業的經驗，沿用中等規模反應器的設計和制造理念，對大規模反應器中出現的新問題認識不足，缺乏有效的解決方法和措施。

發明內容

為解決上述問題，本發明從反應器的整體結構考慮，巧妙布置傳熱裝置、通風管和導流元件在反應器內的空間位置，以及不同功能攪拌槳的空間組合，使傳熱裝置與攪拌系統產生的流場貫通融合起來，提供一種針對大規模氣液和氣液固反應器中高效傳質和傳熱的解決方案和設備裝置。本發明采用反應器裝置的部件組成與普通反應器基本相同，但有效優化了其空間結構和組合方式，使氣液分散、傳熱和混合效率顯著提高，具有較低的功率消耗，起到提高反應性能和節約能耗的效果。