專利名稱：內(nèi)外雙環(huán)流發(fā)酵罐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬化工機械領(lǐng)域，涉及的是一種發(fā)酵工程反應(yīng)設(shè)備的通氣發(fā)酵罐，具體地說是一種內(nèi)外雙環(huán)流發(fā)酵罐。
目前化工領(lǐng)域使用的發(fā)酵罐種類很多，如攪拌通氣式發(fā)酵罐和氣升式發(fā)酵罐，而后者和前者比較，具有結(jié)構(gòu)簡單，密封性好，有利于防止染菌和對耗氣量大的微生物發(fā)酵能量消耗低等優(yōu)點。但氣升式發(fā)酵罐存在一些缺點，如設(shè)備高徑比大(8-17)，廠房高，無菌壓縮空氣消耗量大(0.35-0.45m3/m3、min)，對粘性較高的發(fā)酵液傳質(zhì)能力低，設(shè)備運行時工況操作的調(diào)節(jié)手段狹窄，不易控制等。
文丘里管(簡稱文氏管)在工業(yè)應(yīng)用廣泛，如發(fā)酵業(yè)的文氏管發(fā)酵罐，它具有吸氧效率高，氣、液、固(微生物)三相混合均勻，設(shè)備簡單等優(yōu)點。缺點是氣體吸入量和液體循環(huán)量之比(體積抽吸系數(shù))較低，循環(huán)泵流量大，對耗氧量大的微生物發(fā)酵不適宜。
管道混合器(靜態(tài)混合器，以下簡稱混合器)是一種設(shè)有機械運轉(zhuǎn)部件的混合器。它是有若干個右旋和左旋的螺旋元件，相互連接的兩邊成90°交錯排列在管道內(nèi)而成。它結(jié)構(gòu)簡單緊湊，混合效果好，維修保養(yǎng)費用低。它源于美國的Kennics公司，1969年該公司所生產(chǎn)的這種產(chǎn)品在一百多家工廠示范試用時，受到了使用者的極大歡迎。(化工機械叢書《攪拌與攪拌裝置》P8)本發(fā)明內(nèi)外雙環(huán)流發(fā)酵罐是氣升式發(fā)酵罐、文氏管和管道混合器三者的結(jié)合體，本發(fā)明的目的在于發(fā)揮氣升式和文氏管發(fā)酵罐各自優(yōu)點的同時，克服其存在的缺點。
按本發(fā)明所提出的內(nèi)外雙環(huán)流發(fā)酵罐。它是在氣升式發(fā)酵罐的基礎(chǔ)上，溶入混合器和文氏管的有效功能，在其上升管中央裝有下降管，上升管四周的環(huán)形空間內(nèi)裝有螺旋元件組成的混合器，下降管下端裝有吸料管，吸料管另一端與循環(huán)泵進(jìn)口端相連，循環(huán)泵的出口端與文氏管相連，文氏管的出口通向上升管下部的混合流體分布器，以實施向最下層混合器的噴射。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是文氏管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是管道混合器左右旋的螺旋元件結(jié)構(gòu)。
下面結(jié)合附圖實施例對發(fā)明作詳細(xì)的描述。
在上升管2中央，裝有下降管1，下降管截面積Ad和上升管環(huán)形截面積Aγ之比Ad∶Aγ＝0.2～0.7。
在上升管2和下降管1之間環(huán)形空間內(nèi)，裝有混合器3，其螺旋元件16分左旋和右旋兩種旋向，高徑比約為1.5。混合器至少設(shè)置2層，例如本實施例設(shè)4層;每層至少4個，例如本實施例設(shè)8個，相鄰兩層混合器的螺旋元件旋向相反，且相鄰兩層混合器的通道中心交錯α/2度排列。(α是每層混合器相鄰?fù)ǖ赖闹行膴A角)。在上升管和混合器之間設(shè)有冷卻水套4，相鄰兩層混合器之間設(shè)有渦旋擴散室5，其高度為螺旋元件的1～1.2倍。
循環(huán)泵9進(jìn)口端與吸料管11連接，為了不干擾發(fā)酵罐的內(nèi)循環(huán)和避免吸進(jìn)含有沉淀雜質(zhì)的發(fā)酵液，吸料管11的吸嘴設(shè)置在下降管下端略高的中心處。循環(huán)泵9的出口端與文氏管8相通，文氏管上端通過抽氣室13連接進(jìn)氣管6，文氏管進(jìn)料口為一漸縮噴嘴12，出口部分為混合段14和擴壓段15，再連接上升管下部的混合流體分布器7，以對混合器實施向上噴射。
本發(fā)明內(nèi)外雙環(huán)流工作原理如下當(dāng)循環(huán)泵9將發(fā)酵液壓入文氏管的漸縮噴嘴12后，由于液體流速增加，使抽氣室13形成真空，將進(jìn)氣管6輸入的無菌壓縮空氣吸入，并分散成細(xì)小氣泡在混合段14中與發(fā)酵液均勻混合、溶氧。當(dāng)噴嘴出口段發(fā)酵液的雷諾數(shù)Re＝6×104以上時，氣體的吸收率最高?；旌隙?4出來的氣液兩相均質(zhì)混合流體經(jīng)擴壓段15后，便通過混合流體分布器，由上升管下部對著混合器噴射出來。由此組成了本發(fā)明的流體外循環(huán)系統(tǒng)。通常文氏管的抽氣量應(yīng)為微生物代謝發(fā)酵過程最高空氣消耗量的1.2倍，對于耗氣量大的微生物發(fā)酵，當(dāng)文氏管抽氣量不能滿足時，如提高空氣壓縮比受限制的話，可再增設(shè)一個空氣分布器10額外補氣解決，補氣線路如圖1中雙點線所示。
當(dāng)混合流體噴入上升管后，上升管內(nèi)的發(fā)酵液就比下降管的密度小，在密度差的推動下，下降管下端的發(fā)酵液就會流向上升管;另外，上升管氣泡上升時，由浮力引起的對液體的曳力作用，使上升管上部的發(fā)酵液被推入下降管的上端口，從而形成上升管自下而上和下降管自上而下的流體內(nèi)循環(huán)運動。
流體進(jìn)入混合器時，有兩種混合方式同時進(jìn)行軸向分流作用方式和徑向混合作用方式。前者將流體切割成兩股分流，并位移上升，起到破碎氣泡和阻止氣泡聚合效應(yīng);后者使流體產(chǎn)生渦旋運動，且利用二層混合器螺旋元件旋向相反和件邊互成90°排列的結(jié)構(gòu)，其旋轉(zhuǎn)方向交替更換，從而極大地增加了流體的擾動性。當(dāng)流體的雷諾數(shù)Re＝100以上時，流體的流動便處于穩(wěn)定的湍流狀態(tài)，促使氣、液、固(微生物)三者進(jìn)一步均勻混合，使發(fā)酵產(chǎn)生的熱量分布趨于均勻，并使流體在混合器壁面和流道中心之間不斷交換，從而增強了傳質(zhì)過程，提高了傳氧能力。
渦旋擴散室的作用是利用粘性流體中渦旋的擴散性質(zhì)，讓混合器里出來的渦旋強度不盡相同的各支渦旋場，進(jìn)入此段后渦旋強的地方輸送渦旋，直到渦旋強度相等為止。并在交錯α/2度角度范圍使各支渦旋擴散成一個大渦旋，且在進(jìn)入上層混合器時，由于渦旋方向改變的擾動性，形成強烈的湍流混合。
本發(fā)明在氣升式發(fā)酵罐的基礎(chǔ)上，由于引進(jìn)了混合器的分流和徑向混合功能、粘性流體中渦旋擴散性，以及文氏管的高溶氧水平功能，其綜合效果大大提高，具體表現(xiàn)在1、流體在發(fā)酵罐的上下層、內(nèi)外圈之間、以及發(fā)酵罐內(nèi)外之間增強了剪切和對流作用，湍流穩(wěn)定強烈，使氣、液、固三相接觸界面不斷得到更新，混合極為均勻。氣體經(jīng)文氏管和混合器一再破碎，氣泡直徑已細(xì)小到沫化程度，氣、液兩相總接觸面積增加。
2、由于渦旋運動的旋向交替更換，氣泡在發(fā)酵液中所走路增長，停留時間延長，溶氧充分，并使發(fā)酵罐的高徑比減少到和攪拌通氣式發(fā)酵罐一樣，有利于舊罐的技術(shù)改造，降低新罐制造成本。
3、本發(fā)明為內(nèi)外雙環(huán)境，增強了對流循環(huán)，氣-液傳質(zhì)(溶氧)和液-固傳質(zhì)(微生物內(nèi)外間)水平高，發(fā)酵過程穩(wěn)定，能優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。
4、本發(fā)明以混合流體為噴射工質(zhì)，驅(qū)動力大，流量小，速度低，空氣消耗減少50%。加之由于下降管截面積比上升管小，流體在內(nèi)循環(huán)時下降管內(nèi)的流體流速大于上升管的，更多的氣泡被引入下降管內(nèi)，使發(fā)酵液的總氣含率提高，不僅利于溶氧，且降低了流體密度，使循環(huán)泵軸功率下降，因此，本發(fā)明的總能量消耗與氣升式和攪拌通氣式發(fā)酵罐相比都小。
權(quán)利要求
1.一種化工機械領(lǐng)域的通氣發(fā)酵罐--內(nèi)外雙環(huán)流發(fā)酵罐，其特征在于在氣升式發(fā)酵罐的基礎(chǔ)上，在上升管四周的環(huán)形空間內(nèi)裝有螺旋元件組成的混合器，下降管下端裝有吸料管，吸料管另一端和循環(huán)泵進(jìn)口端相連，循環(huán)泵的出口端與文氏管相連，文氏管的出口通向上升管下部的混合流體分布器，以實施向最下層混合器的噴射。
2.按權(quán)利要求1所述的內(nèi)外雙環(huán)流發(fā)酵罐，其特征在于在下降管四周的環(huán)形空間內(nèi)，至少裝有兩層混合器，每層至少設(shè)置4個混合器。
3.按權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)外雙環(huán)流發(fā)酵罐，其特征在于在上升管和混合器之間設(shè)有冷卻水套。
4.按權(quán)利要求1、2或3所述的內(nèi)外雙環(huán)流發(fā)酵罐，其特征在于相鄰兩層混合器設(shè)有渦旋擴散室，其高度是螺旋元件的1-1.2倍。
5.按權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)外雙環(huán)流發(fā)酵罐，其特征在于相鄰兩層混合器的排列角度按相鄰?fù)ǖ乐行膴A角的一半交錯排列。
6.按權(quán)利要求1、2或5所述的內(nèi)外雙環(huán)流發(fā)酵罐，其特征在于相鄰兩層混合器內(nèi)的螺旋元件，其旋向相反且端邊按90°交錯排列。
全文摘要
本發(fā)明為化工機械領(lǐng)域的一種新型通氣發(fā)酵罐。它是在氣升式發(fā)酵罐的基礎(chǔ)上，溶入了靜態(tài)混合器和文氏管的有效功能、在上升管和下降管之間，形成了上升管自下而上和下降管自上而下的流體內(nèi)循環(huán)運動，而由吸料管經(jīng)循環(huán)泵、文氏管，通過混合流體分布器噴射進(jìn)入靜態(tài)混合器形成流體外循環(huán)系統(tǒng)。使用本發(fā)明后的發(fā)酵液混合均勻，氣泡細(xì)小，溶氧水平高，增強了對流循環(huán)，發(fā)酵過程穩(wěn)定，能優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，本發(fā)明的總能量消耗低，并可用于舊罐的技術(shù)改造。
文檔編號C12M1/04GK1099795SQ93117329
公開日1995年3月8日 申請日期1993年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月1日
發(fā)明者趙柏松, 洪中元 申請人:趙柏松, 洪中元