專利名稱：內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器及控溫方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器領(lǐng)域，涉及一種內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器及控溫方法。
背景技術(shù)：
氣升式反應(yīng)器主要分成兩大類，即內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器和外循環(huán)氣升式反應(yīng)器。兩種反應(yīng)器主要是根據(jù)不同的流體循環(huán)路徑來區(qū)分的。當(dāng)在升流區(qū)內(nèi)曝氣，由于升、降流區(qū)內(nèi)空氣含率不同造成的表觀流體密度的差異，最終導(dǎo)致流體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)。內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器被認(rèn)為是氣液鼓泡床內(nèi)引入了一個升流管或一個擋板使流體在不同的區(qū)域內(nèi)循環(huán)。

細(xì)胞反應(yīng)是對溫度變化十分敏感的放熱反應(yīng)。因此，生物反應(yīng)器的設(shè)計對溫度控制的要求較高。特別是隨著反應(yīng)器體積的增大、其熱量移去和溫度控制將成為反應(yīng)器設(shè)計的一項重要內(nèi)容。在細(xì)胞反應(yīng)過程中，反應(yīng)器以產(chǎn)生熱量為主，需要采用有效的冷卻方式來降低溫度。例如，在發(fā)酵過程中，菌體分解營養(yǎng)物質(zhì)而產(chǎn)生能量，其中一部分能提供菌體生長和生成代謝產(chǎn)物，另一部分以熱量形式釋放出來，一般把在發(fā)酵過程中所釋放出來的熱量稱為發(fā)酵熱。根據(jù)所用菌種和工藝的不同，發(fā)酵熱的峰值有所偏差，如谷氨酸生產(chǎn)過程中發(fā)酵熱的峰值約為1. 17 X IO4 kcal/(m3 · h),賴氨酸發(fā)酵熱的峰值約為1. 8 X IO4kcal/(m3*h);而酵母的發(fā)酵熱更大，如酒精發(fā)酵過程中發(fā)酵熱的峰值約為2. 2 X IO4 kcal/(m3 · h),有的畢赤酵母在發(fā)酵過程中的發(fā)酵熱的峰值可達(dá)到2. 4X IO4 kcal/(m3 · h)。上述產(chǎn)品在發(fā)酵過程中生物產(chǎn)熱大，尤其在炎熱的夏天，降溫十分困難，往往導(dǎo)致生物產(chǎn)熱高峰階段的發(fā)酵溫度失控。若發(fā)酵溫度超出最適溫度范圍的時間持續(xù)較長，生產(chǎn)菌的生長、代謝均受到嚴(yán)重的影響。目前可以通過人工控制或自動控制，將冷卻水通入反應(yīng)器的夾套或蛇形管中，通過熱交換來降溫，保持反應(yīng)器中溫度的相對恒定。板翅式換熱器是一種新興的熱設(shè)計技術(shù)，相比于夾套或蛇形管的降溫方式，板翅式換熱器的優(yōu)勢在于傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧而牢固、適應(yīng)性大、經(jīng)濟性好等，但目前尚未有將板翅式換熱器應(yīng)用于內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器的報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器，解決目前夾套或蛇形管傳熱效率比較低，不利于調(diào)節(jié)溫度的問題。本發(fā)明的另一個目的是提供一種利用上述內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器控制溫度的方法，主要用于發(fā)酵產(chǎn)賴氨酸、酵母擴大培養(yǎng)、檸檬酸液體發(fā)酵等方面。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
一、內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器，包括內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器；所述的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器內(nèi)上部設(shè)置有板翅式換熱器，板翅式換熱器上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭通過管道一把板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭通過管道二把板翅換熱片連成一個整體。所述的板翅式換熱器的板翅換熱片為板形，管道一和管道二為直管。所述的板翅式換熱器的板翅換熱片為扇形，管道一和管道二為環(huán)管。所述的板翅式換熱器與內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器之間為活動連接。所述的活動連接為支撐件和螺栓相連接。二、一種利用內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器控制溫度的方法，該方法包括加熱和冷卻兩部分，具體步驟如下
(1)加熱過程蒸汽從板翅式換熱器的上端的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，通過管道一到達(dá)板翅式換熱器的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入管道二，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出；
(2)冷卻過程冷卻水從板翅式換熱器的下端的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，通過管道二到達(dá)板翅式換熱器的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入管道一，然后從上端的冷卻水出口排出。采用上述技術(shù)方案的積極效果本發(fā)明將板翅式換熱器應(yīng)用于內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器，利用板翅式換熱器的多個板翅換熱片進(jìn)行熱量交換，克服了夾套或蛇形管傳熱方式的不足，使得傳熱效率大 大提高，有利于對溫度的精確控制，有利于降低冷卻水用量，甚至利用常溫水即可達(dá)到控溫的效果，同時，多個板翅換熱片也有助于促進(jìn)流體湍流，增加反應(yīng)器的傳質(zhì)系數(shù)；另外，將板翅式換熱器與內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器之間改為活動連接，可以大大方便拆卸檢修。


圖1是內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器中安裝板形板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1中A-A向的俯視圖3是內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器中安裝扇形板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖4是圖3中A-A向的俯視圖。圖中，I內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器，2板翅式換熱器，3蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭，4管道一，5支撐件，6蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭，7管道二。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制
實施例1
圖1是內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器中安裝板形板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1中A-A向的俯視圖，圖3是內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器中安裝扇形板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是圖3中A-A向的俯視圖，結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4所示，1、一種內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器，包括內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器1，內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器I內(nèi)上部設(shè)置有板翅式換熱器2，板翅式換熱器2上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭3，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭6，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭3通過管道一 4把板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭6通過管道二 7把板翅換熱片連成一個整體，便于蒸汽或者冷卻水的流動。
在實際應(yīng)用中，板翅式換熱器2的板翅換熱片為板形，相應(yīng)的管道一 4和管道二 7為直管；也可以是板翅式換熱器2的板翅換熱片為扇形，相應(yīng)的管道一 4和管道二 7為環(huán)管。為了方便拆卸檢修，板翅式換熱器2與內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器I之間為活動連接，只要能夠?qū)崿F(xiàn)便于拆裝的活動連接均可，本實施例中為支撐件5和螺栓相連接。當(dāng)需要加熱時，蒸汽從板翅式換熱器2的上端的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，通過管道一 4到達(dá)板翅式換熱器2的板型或扇形換熱片，交換熱量后進(jìn)入管道二 7，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出；當(dāng)需要冷卻時，冷卻水從板翅式換熱器2的下端的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，通過管道二7到達(dá)板翅式換熱器2的板型或扇形板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入管道一 4，然后從上端的冷卻水出口排出即可。實施例2
本實施例用于說明利用10 Hl3的內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器發(fā)酵生產(chǎn)L-賴氨酸的方法
在培養(yǎng)基和管道滅菌操作中，先使蒸汽從板翅式換熱器2的上端的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，通過管道一 4到達(dá)板翅式換熱器2的板型或扇形換熱片，交換熱量后進(jìn)入管道二 7，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到90、5 1時，換熱器中停止通蒸汽，接著進(jìn)行培養(yǎng)基和管道滅菌的操作。發(fā)酵培養(yǎng)與結(jié)果按10%的接種量將產(chǎn)L-賴氨酸的大腸桿菌接入裝有5 m3發(fā)酵培養(yǎng)基的10 m3內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器中(IL發(fā)酵培養(yǎng)基含葡萄糖20 40 g/L，(NH4)2SO41. 5 1. 8 g, KH2PO41. 2 g，玉米漿 I 2 g, L-蘇氨酸 O. 2 O. 4 g)，通氣量為200 250 m3/h，攪拌轉(zhuǎn)速100 200 r/min，發(fā)酵溫度35 37 °C，流加氨水以控制pH在6. 5^6. 8，每隔2 4 h 檢測殘?zhí)菨舛?，并流?00 g/L的葡萄糖，維持殘?zhí)菨舛仍趌(Tl5 g/L,發(fā)酵結(jié)束前4 5 h，停止流加糖液，當(dāng)殘?zhí)墙抵? 7 g/L時，即發(fā)酵結(jié)束，整個發(fā)酵周期約72h。發(fā)酵過程中，使冷卻水從板翅式換熱器2的下端的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，通過管道二 7到達(dá)板翅式換熱器2的板型或扇形板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入管道一 4，然后從上端的冷卻水出口排出，冷卻水進(jìn)水溫度為20°C左右，出水溫度在25 °C左右，而發(fā)酵工藝控制溫度范圍為35 37 V。實施例3
本實施例用于說明利用20 m3的內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法
在培養(yǎng)基和管道滅菌操作中，先使蒸汽從板翅式換熱器2的上端的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，通過管道一 4到達(dá)板翅式換熱器2的板型或扇形換熱片，交換熱量后進(jìn)入管道二 7，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到90、5 1時，換熱器中停止通蒸汽，接著進(jìn)行培養(yǎng)基和管道滅菌的操作。發(fā)酵培養(yǎng)與結(jié)果按10%的接種量將畢赤酵母接入裝有14m3發(fā)酵培養(yǎng)基的20m3內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器中(IL發(fā)酵培養(yǎng)基含葡萄糖30 50 g/L, (NH4)2SO445 65g，KH2PO41. 2 g)，流加氨水以控制pH在4· 0 4· 5，通氣量為2000 2500 m3/h，攪拌轉(zhuǎn)速10(Tl50 r/min，發(fā)酵溫度28 30 °C，整個發(fā)酵周期約24h。發(fā)酵過程中，使冷卻水從板翅式換熱器2的下端的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，通過管道二 7到達(dá)板翅式換熱器2的板型或扇形板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入管道一 4，然后從上端的冷卻水出口排出，冷卻水進(jìn)水溫度為20°C左右，出水溫度在25°C左右，而發(fā)酵工藝控制溫度范圍為28 31 °C。實施例4
本實施例用于說明利用50 m3的內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的方法
在培養(yǎng)基和管道滅菌操作中，先使蒸汽從板翅式換熱器2的上端的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，通過管道一 4到達(dá)板翅式換熱器2的板型或扇形換熱片，交換熱量后進(jìn)入管道二 7，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到90、5 1時，換熱器中停止通蒸汽，接著進(jìn)行培養(yǎng)基和管道滅菌的操作。發(fā)酵培養(yǎng)與結(jié)果按10%的接種量將產(chǎn)檸檬酸黑曲霉接入裝有35m3發(fā)酵培養(yǎng)基的50m3內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器中(IL發(fā)酵培養(yǎng)基含薯干50 70 g, α-淀粉酶 80 U/g 原料，(NH4)2SO4 45 65g)，通氣量為 2500 4000 m3/h，攪拌轉(zhuǎn)速 100 150 r/min，發(fā)酵溫度28 30 °C，整個發(fā)酵周期約65 h。發(fā)酵過程中，使冷卻水從板翅式換熱器2的下端的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，通過管道二 7到達(dá)板翅式換熱器2的板型或扇形板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入管道一 4，然后從上端的冷卻水出口排出，冷卻水進(jìn)水溫度為20 °C左右，出水溫度在25 °C左右，而發(fā)酵工藝控制溫 度范圍為28 31 °C。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器，包括內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器(I)，其特征在于所述的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器(I)內(nèi)上部設(shè)置有板翅式換熱器(2)，板翅式換熱器(2)上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭(3)，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭(6)，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭(3)通過管道一(4)把板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭(6)通過管道二(7)把板翅換熱片連成一個整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于所述的板翅式換熱器(2)的板翅換熱片為板形,管道一(4)和管道二(7)為直管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于所述的板翅式換熱器(2)的板翅換熱片為扇形，管道一(4)和管道二(7)為環(huán)管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于所述的板翅式換熱器(2)與內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器(I)之間為活動連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于所述的活動連接為支撐件(5)和螺栓相連接。
6.一種利用內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器控制溫度的方法，其特征在于該方法包括加熱和冷卻兩部分，具體步驟如下(1)加熱過程蒸汽從板翅式換熱器(2)的上端的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，通過管道一(4)到達(dá)板翅式換熱器(2)的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入管道二(7)，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出；(2)冷卻過程冷卻水從板翅式換熱器(2)的下端的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，通過管道二(7)到達(dá)板翅式換熱器(2)的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入管道一(4)，然后從上端的冷卻水出口排出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器，包括內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器；所述的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器內(nèi)上部設(shè)置有板翅式換熱器，板翅式換熱器上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭通過管道一把板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭通過管道二把板翅換熱片連成一個整體。本發(fā)明還提供了利用內(nèi)置板翅式換熱器的內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器的控溫方法。本發(fā)明克服了夾套或蛇形管傳熱方式的不足，使得傳熱效率大大提高，有利于對溫度的精確控制，同時，多個板翅換熱片也有助于促進(jìn)流體湍流，增加反應(yīng)器的傳質(zhì)系數(shù)。
文檔編號C12M1/38GK103060190SQ20131003530
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者李干祿, 朱皓, 韋策, 陳可泉, 李暉, 張慶文, 凌翔, 歐陽平凱 申請人:南京工業(yè)大學(xué)