组织多管气升式反应器内部旋流场的方法及其反应器

摘要

本发明涉及一种依靠旋流组织气升式反应器内部旋流场的方法和适用于该方法的多管旋流气升式反应器及应用。其特点是利用旋流的无返混流动特征保证气升式反应器具有活塞流特征，从而利用气升管中的旋流装置在气升管中构造旋流，以保证气升管中的螺旋流动；在气升管出口通过出口形状的设计保证在下降总管中产生下行旋流以保证无返混流旋流。通过肯尼思静态混合器或旋流器以保证气升管入口物料充分的混合以及物料的均匀性和防止气升管气液二相流流型的不匀衡；所提供的反应器依气升管在下降总管内或外有内置式和外置式两种结构。

说明书

技术领域

本发明涉及一种依靠旋流组织气升式反应器内部旋流场的方法、适用于该方法的多管旋流气升式反应器及应用，属于反应工程领城。

背景技术

目前，在生物工程领城，由于生长期长，多般采用全混流方式完成生化反应；广乏采用的生物反应器均为间隙或连续搅拌反应器；在物料粘度很大的情况下，也有采用活塞流方式的气升式反应器进行发酵生产。在化工领城除了采用搅拌反应器外，也有采用连续管道式反应器完成反应速率较快的化学反应过程。而气升式反应器是一种全循环式的管道式反应器。气升式反应器内由于气流在管截面上的分布极不均匀，特别是在高气液比(高含气率)条件下容易形成气液二相弹状流型或栓塞流型，这将使单管中的流动产生脉动和返混，而达不到采用管道式反应器所希望的活塞流型。而且气泡大且易凝并，导致气泡比表面积减小。

中科院化工冶金所发明的一种“高粘度发酵气升式生物反应器”(ZL90225805.2)采用多段提升方法解决高粘度发酵液无法在很大的长径比条件下气升式反应器内的物料循环问题。但这会使提升变得相当复杂，因为生物反应器中气体耗量很少(仅2％)，这种方法使得上、下各段中的气液比变化很大，两相流流态会发生较大变化，操作难度大、稳定性差。最大的问题在于，发酵液在各段内的流速和流经气升管所历经的时间不同，从而导致反应所历经的过程不同，这就有悖於采用气升式反应器这种管道式反应器的目的。

为了降低气升式反应器的高度，提高循环速率，强化传热过程，已经发展了多种多管式气升式反应器。为了利用原有搅拌反应釜改造，采用内管多管气升式反应器有其特殊的优点。华东理工大学申请的一种实用新型专利“一种蜂窝载体固定化细胞的气升式生物反应器”(ZL992390032.X)提出了一种多管式气升式生化反应器，其中提升管内装填了包含有固定化细胞的蜂窝载体。这种蜂窝载体起到气液二相混合作用，保证了多管气升条件的平稳，它适宜于废水生化处理过程。但大多数的生化反应不用固定化细胞进行发酵生产，因此一旦在气升管内不装蜂窝载体，则会产生多管流态保持平稳操作的问题。多管气升式管道反应器，无论采用内管还是外管循环的多管气升式反应器均存在各管气体分配不均衡，流动阻力和气液二相流流型不相等的问题，这将导致整个反应器工作的不仅不能在内、外管中形成活塞流流动，甚至可能由于气流的偏流而使多管气升式反应器内产生振荡和不稳定，恶化到使反应器内的生化或化学反应过程失控。

通常，在多个空气喷嘴在每根气升管内形成的射流引射循环发酵液循环。这种方法难以保证各喷嘴间的空气分配的均匀性，从而也难以保证各管工作条件的相等。从而在各管之间形成返混问题。直接用气流甚至液流喷射，在大气液比条件下，往往难以保证气升管内的流动的平稳性和无返混流。

发明内容

本发明的目的在于提供一种依靠旋流组织气升式反应器内部旋流的方法以及适用于该方法的一种新的多管旋流式气升式反应器。这种装置具有气升式反应器的基本循环流动特征，但通过上升气升管内的旋流和下降管内形成的旋流。可以使这种反应器的返混流减少到最低具有理想平推流反应器特征，这种特征可以在任意长反应时间内保持。为了降低反应器高度，反应器采用多管形式。本发明采用了特殊设计的气体分布盒装置，以保证每根气升管内有基本上相同的空气流量和含气率，从而保证在多管气升管内都具有相同循环驱动力。避免偏流的发生。保证反应器运行的平稳。

本发明为了达到上述目的可以采用内置气升管和外置气升管两种布置形式。为了达到在多个气升管中布气均匀目的，采用带有一个装有多个喷嘴的分气盒。一定容积的分气盒具有均衡压力的作用，以保证布气均匀。喷嘴产生的高速气流，可以产生局部负压，与液体物料发生充分混合。使得气升管中有相同的气液混合物。产生相同的循环液流。

本发明为了在气升管中在更大的含气率下都能在平稳的均匀泡状区工作，在气升管的入口段设置了静态混合器，以减小气泡直径，防止产生栓状流或弹状流。同时若采用肯尼思静态混合器，在混合器出口可以产生气液旋流，气液旋流在水平方向的相对运动可以提高气液相的传递系数。，除了分子扩散流引起的返混外，气液旋流可以防止反向返混流动。选择适当的旋流角，和周向旋流速度，可以最大限度地抑止返混流，达到理想平推流反应器的运行条件。对于非一级反应动力学反应，通常在相同的反应时间条件下，有更大的反应度。在相同的反应容积下，有更大的产率。

本发明所述的气升式反应器在上部设置一个直径增大的溢气段，以保证物料有足够的停留时间，让大气泡溢出；而小气泡则随物料向下运动中，为了减弱气液逆向运动产生的返混流，在下降流中也需产生相应的旋涡流。本发明为此在内置式气升管的出口设置了水平面上的切向导流弯管，利用导流弯管产生水平旋流。并与下降流合成为向下旋流。而在外置式气升管的出口则安装在溢气段的侧壁上部，并沿其切向进入溢气段，从而造成下降管中的旋涡流。可以有效地减少下降管中的返混流。外置式罐体是由三段组成，上段为溢气段，经收缩段与下降总管相连。

本发明为了达到反应器的温度控制，在反应器壁上设置多段冷却水盘管，吸收反应热。对于内置多管气升式反应器，气升管管壁可设置冷却水通道达到在反应器内的冷却。

本发明提出了一种依靠旋流组织气升式反应器内部旋流场的方法，包括气体引入以及气体排出过程，和气升管和下降管内的旋流场的流动组织的方法，适用于化学反应、微生物、动植物细胞培养，其特征在于：

(1).利用在气升管入口的肯尼思混合器，在气升管内产生气液充分混合的均匀泡沫流旋流。从而得到无返混的轴向上升流。可以在宽气液比范围内得到均匀泡沫流，可以有效提高气升力，保证循环速率和传热速率；以及在多个复杂反应中提高反应选择性和产率；

(2).利用气升管的出口导向板或导向弯头指向下降管的同心切圆，使上升管出流构成向下沿澡盆涡方向的流动。形成下降管中的无返混的下行旋流；并通过提高切向速度提高在管壁处的传热系数。

(3).利用外置式气升管的出口沿溢气段侧壁切线方向安装的方法，在气升管反应器的下降总管中产生问下旋流，

(4).利用带多个喷嘴的分气盒装置产生的气体射流产生的低压区引射液体与之混合，进入静态混合器后进一步充分混合；所述的分气盒装置起到均衡多管喷嘴压力和流量的作用；静态混合器能在宽气液比下保证不发生栓塞流引起的压力脉动，从而保证多管流动的平衡和均匀。

(5).通过静态混合器内单元数控制气泡尺度，提高气液比，降低上升管液体表观密度方法，控制下降管内的含气率和喷嘴出口速度和上升管与下降管截面比提高循环流速。依靠旋流角度控制切向流，控制传热速率和分子扩散引起的返混流；

依组织多管气升式反应器内部旋流场的方法，设计出相应适用于化学反应、微生物、动植物细胞培养用的多管气升式旋流反应器，其特征在于：

(1)所述的反应器依气升管在下降总管内或下降总管外有内置式或外置式两种结构，

(A)内置式

(a)在反应器顶部封头上依次有接种管(1)、排气管(2)、热偶温度计(3)、进料管(4)和溶氧仪探头(5)；

(b)气升管(7)在下降总管内，其入口段内装有静态混合器(12)，在每个气升管的出口段设置有水平面上的切向导流弯头或导流板；

(c)在反映器下部设置一个分气盒，它与空气进气总管(16)相连，分气盒上设置多个喷嘴，喷嘴数量与空气升管(7)数量相等，喷嘴上方对准气升管入口；

(B)外置式

(d)在反应器顶部封头上依次有接种管(1)、排气管(2)、热偶温度计(3)、进料管(4)和溶氧仪探头(5)；

(e)气升管(7)在下降总管外，其入口处连接在下降总管的气液混合段(21)上；罐体由三段组成，上部为溢气段，经收缩段与下降总管相连接；

(f)在反映器下部设置一个分气盒(9)，分气盒上的喷嘴通过气液混合段与气升管的入口连接，气液管(7)的入口段装有静态混合器，气升管的出口安装在溢气段的侧壁上，并沿切向进入溢气段；喷嘴数量与气升管的数量相等。

(2)内置式或外置式结构中的入口段内设置的静态混合器为肯尼思静态混合器；所述的肯尼思混合器设置3-10个单元，最后一个为左旋。

(3)在内置式结构中导流弯头呈90°，弯头的出口沿与反映器的同心圆的切线方向，使出流在反映器内产生切向旋流，旋转方向指向哥氏力产生的澡盆涡的方向。

(4)在外置式结构中连接喷嘴和气升管间的气液混合段呈渐缩形状。

(5)所述的分气盒为一椭球状容器；分气盒上设置的喷嘴为直喷嘴或为渐缩喷嘴或为超音速的缩放喷嘴，喷嘴在分气盒上的安装角度变化在25～110°之间；喷嘴在分气盒均布2-10个喷嘴。

(6)气升管内设置旋流器或在静态混合器后接旋流器，旋流器的螺距10cm～100cm；旋转角度180～270度。

(7)内置式在反映器外壁上，设置有冷却管，是通过焊接方式盘旋在反映器壁上；外置式是在气升管的外壁上设置冷却夹套。

(8)依内置式和外置式两种不同的反应器，或在下降管壁或在多管气升管壁上设置冷却水夹层套，强化气升式反应器内的散热能力。

(9)在每个内置气升管出口设置导流弯头或导流板，使上升管出流沿着下降管内的一个切圆流动，其流动方向沿着哥氏力产生的澡盆涡方向。

(10)在每个外置式气升管的出口沿溢气段的外切圆安装出流方向沿着哥氏力产生的澡盆涡方向。

附图说明

下面通过附图和具体实施例进一步具体说明本发明的实质性特点和显著进步。

图1是内置式多管气升式旋流反应器的示意纵剖视图。

图2是内置式多管气升式旋流反应器的示意水平截面剖图。

图3是分气盒装置的示意图。(a)纵面剖视图，(b)顶视图

图4是外置式多管气升式旋流反应器的示意纵剖视图。

图5是外置式多管气升式旋流反应器的示意水平截面剖图。

图6是气升管冷却水夹套示意图(a)顶视图，(b)纵剖视图

从图1可以看到本发明提供的一种内置式多管旋流气升式反应器的结构布置的示意图。主要是由反应器罐体6、气升管7、分气盒9、多个喷嘴8组成；在反应器顶部封头上布置有进料管线及阀门4，接种管1、排气管2；以及热电偶温度计3、溶氧仪探头5、以及其他一次仪表构成。

在气升管7在下降总管内，其入口段内安装有肯尼思静态混合器12，不仅能强化气液相间的混合，产生均匀泡状流，并能借助其末个单元产生旋流。若安装其他形式的静态混合器，则可以在其后接装一个旋流器，产生旋流。在气升管的出口段可以接装一个导向弯头15，例如图中所示的90°弯头，弯头的出口沿与反应器壁的同心圆的切线方向，使出流在反应器内产生切向旋流，旋转方向指向哥氏力产生的澡盆涡的方向。

在反应器下部设置一个分气盒9，分气盒为一椭球状容器，与空气进气总管16相连，分气盒上设置多个喷嘴8，与多管气升管相对应。喷嘴可以是渐缩喷嘴，也可以是超音速的缩放喷嘴。分气盒的底部开设排渣孔31。详见图3分气盒装置示意图。喷嘴在分气盒上的安装角依喷嘴与气升管的相对位置进行设定。可以在25°～110°间变化。在气升管的入口处还可以设置导流器，以保证在气升管中的空气分布的均匀。

在多管气升管之间设置1-3个中间支撑定位装置17，以防止管子发生振动失稳。

在反应器外壁上，设置有冷却盘管14，是由焊接在反应器壁上的半圆冷却盘管盘旋制作而成的。也可采用常规的夹套冷却装置。

为了强化冷却，在多管气升管的外壁上也需设置冷却通道，详见图6所示。

从图2中可以看到气升管出口设置的导向弯头15，以及气升管出流形成的旋流方向。

从图3(a)和(b)中可以看到一种分气盒装置的具体布置方式，空气进气总管16可以从分气盒的上、下和侧壁进入，但需保证分气盒内的流动仍旧可以保证喷嘴入口处的压力匀衡，以保证各个喷嘴的流量相等。喷嘴8的数量与气升管7的数量相等。喷嘴的尺寸依空气流量确定，出口流速可设计在50-400m/s之间。超音速喷嘴需按背压条件设计喉部与出口尺寸。

图4是外置多管旋流气升式反应器的纵向截面示意图。反应器由罐体6、气升管7、分气盒9、多个喷嘴8组成；从图4中可见在顶部封头上设置有进料管线及阀门4，接种管1、排气管2；以及热电偶温度计3、溶氧仪探头5、以及其他一次仪表。罐体6由三段组成，上部为溢气段23，经收缩段与下降总管段22相连。罐壁装有冷却盘管14，也可安装冷却夹套。下封头装有排液总管和阀门10以及排渣管等其他工艺管线(末示出)。

气升管7在下降总管外，其入口连接在下降总管的气液混合段21上，分气盒9上的喷嘴8通过气液混合段与气升管7连接，产生的射流在气液混合段21内与料液混合后流向气升管7。气液混合段呈渐缩形状，保证气液混合物加速混合。气升管7的入口段装有静态混合器12，使气液混合物进一步切割混合成均匀泡状流，并依靠未级混合单元形成气升管内的旋流，防止返混。通过旋流角的调节设置，可以抑制分子扩散引起的返混。气升管的出口则连接在溢气段23侧壁上，从侧壁的切线方向进入，在溢气段23内产生旋流，方向在哥氏力产生的澡盆涡的方向上。此旋流在收缩段与下降总管内得到加强。以保证无返混的理想平推流。

气升管7的外壁上可设置冷却夹套(未画出)，控制在气升管内产生的反应热不会产生超温。

图5所示为外置式多管气升管7通过弯头在溢气段23侧壁沿切向进入的结构布置。发酵液在溢气段23中产生旋流并流向下降总管22。

图6所示为内置式多管气升管的冷却通道的一种布置方式。由进水总管18，通过进水支管19进入气升管7的水夹套25中，对料液进行冷却后从排水支管20流入排水总管21后，排出反应器。