CN1301151C - 外环流气升式膜反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的膜反应器，尤其涉及一种外环流气升式膜反应器。该反应器包括反应器釜体、气升管、无机膜元件、轴向曝气头等部件。无机膜作为径向气体分布器和分离器被封装在外循环气升管中，并与压缩气源和真空系统相连，实现了连续化径向曝气和连续反应分离的耦合。该反应通过轴向曝气喷嘴和径向曝气膜组成的十字流曝气系统，实现了气升式反应器曝气效率和搅拌效率的分别调节，因而可根据反应不同阶段的具体需要对两参数进行优化选择。本反应器具有装置简单、操作方便、适用范围广、传质效率高、能耗低、放大容易等优点。

Description

外环流气升式膜反应器

技术领域

本发明涉及一种新型的膜反应器，特别是按照流程集成和过程强化的思路开发的，集成十字流膜曝气系统、轴向曝气强化膜分离系统的外环流气升式膜反应器，用于涉及气液、气液固等含气液两相的多相反应和生物发酵中的反应和分离，属化工和生物化工设备。

背景技术

气升式反应器是用于气液两相或气液固三相过程的接触反应装置。一般由两个不同部分组成，仅在一个部分通入气体，通气部分称为升气部件，另一部分不注入气体，称为降液部件。气升式反应器气体以气泡的形式进入连续相中，此连续相可为液体或含固体的悬浮液。由于通气与不通气两部分的不同气含率产生了不同流体密度差，这就使反应器内流体产生循环流动。随着流体的循环流动，大部分气体升至液相表面溢出，少部分气泡被液体卷入降液管，重新向下循环。循环可使所有各相得到良好混合，使固体在液体中有效地悬浮，在整个反应器内分布良好，得到较好的气液或气液固传质效果，气升式反应器属于气力搅拌型反应器。

气升式反应器的种类很多，通常按流动循环情况可分为内循环气升式反应器与外循环气升式反应器两大类，但其变化也较多。内循环气升式反应器通常为一简单的鼓泡塔，内置一分隔板，将塔分成升气管与降液管两部分，其它还有多段中心圆管的气升式反应器，多中心管气升式反应器，多管气升式环流反应器等。外循环气升式反应器的升气管与降液管完全分开，而由靠塔顶塔底两处水平部分分别连接，进入反应器内的气体喷射至气升管后，由于气体的喷射动能和升气管内流体密度降低，迫使升气管流体向上，降液管向下作有规则的循环流动。从而形成良好的混合和条件。内循环气升式反应器有较好的气液传质，升气管气含率大大高于降液管的气含率。与内环流气升式反应器相比，外循环气升式反应器流动规则，阻力小，几乎不存在死角，同时，表观液体速度较大，湍流及气液传质也增加，传热性能也优于内循环气升式反应器，有较高的循环速率，另外，外循环气升式反应器也较易脱气。

与其他反应器相比，气升式反应器具有结构简单、剪切力低、供气效率高、有效界面接触面积较大、流化效果极佳、各相都有明确的停留时间以及热质传递速率高等优点。

然而，现有的气升式反应器的混合时间一般大于鼓泡塔的混合时间，特别是用于高粘性液体效果不够理想，主要是相同混合接触较差；相比之下，通气搅拌反应器依靠机械搅拌作用帮助分散气体，能适应高粘度液体操作。近年来，通过将机械搅拌引入气升反应器可有效解决这一问题，但机械搅拌的引入又将丧失很多气升式的固有优点，如机械搅拌的引入提高了气升式反应器的能耗、增加了内部运动部件，使许多生物化学反应体系无法进行；能量耗散不均匀等。

在化工和生物发酵领域存在许多高耗气反应，在传统的反应器中即使通过增压和提高曝气量可部分解决这一问题，但增压导致其他气体溶解度增加，如在发酵过程中酸性气体CO₂溶解量的增加，将导致体系环境的剧烈变化。而单纯依靠提高曝气量则会导致气升式反应器内液流速度的增加和运行成本的提高。

另外，在许多化学反应或生物发酵过程中存在着不同的反应阶段，各个阶段对混合和通气量的要求不同。但现有的气升式反应器混合与通气是耦合问题，通气的条件不变则混合状况不变，同样的混合状况不变则通气状况也必然不变。因此，无法在一套装置内实现对反应过程各个阶段的强化。

同时，连续发酵和连续反应将极大地降低设备投资费用和运行成本，但对涉及液固两相的反应，现有的气升式反应器无法实现液固分离，因此也无法实现过程的连续进行。现有的膜生物反应器多为带搅拌的浆式反应器和膜分离系统集成，能够实现连续反应。ZL 01 1 08189.9中提出了一种陶瓷膜反应分离系统，该系统含有连成循环系统的生化反应器和膜管分离器，系统在负压下操作，通过反冲曝气和气升曝气可有效地解决膜污染问题。然而该系统仅仅是一种气升曝气系统，其反应器的结构并不是气升式反应器，其气升循环仅仅在管路，而在反应器主体内的混合效率和传质效率均较低，且无法满足连续膜曝气和连续分离和对混合效率和传质效率的分别控制的要求。

综上所述，开发出一种新型的气升式膜反应器对化工和发酵工业都有重大的现实意义。

发明内容

本发明的目的是：为了解决气升式反应器中存在的上述问题，而提供一种高混合效率、高传质效率、可针对不同的反应阶段对反应过程各个阶段的混合效率和传质进行优化并能实现连续反应，用于气液两相或气液固三相过程的外环流气升式膜反应器。该反应器在高粘度、高耗氧的条件下仍能保持较高的混合和传质效率，并可针对反应各个阶段对混合效率和传质进行优化，以达到强化反应得效果，特别是该反应器可用于涉及液固两相的连续反应。

本发明的技术方案是：开发思路是按照化学工程领域中的流程集成和反应强化的思路进行的。主要技术方案如下：一种外环流气升式膜反应器，包括反应器釜体2、气升管5组成，其特征在于无机膜元件7被封装在气升管5内，无机膜起到气体的径向分布器或分离器的作用，气升管的上部开有阀门8，气升管的下部开有阀门6。

在上述方案的基础上，本发明的特征还在于气升管数量为2根或2根以上，组成多管外环流气升式膜反应器，多管外循环可实现连续曝气和连续分离的功能，气升管的具体数量根据反应曝气效率和分离效率以及混合要求决定；优选2根气升管的多管外环流气升式膜反应器，反应器釜体2连通气升管5、13，无机膜元件7、12被分别封装在气升管5、13内，无机膜可作为气体的径向分布器或分离器。选择气升管数为2根，其中1根作为曝气管，提供反应所需的气体、另1根作为反应产物的分离，可实现曝气和分离的连续进行。

其中上述的无机膜元件可以是金属膜也可以是陶瓷膜；孔径为20nm～100μm；无机膜元件7和12可以为相同的膜元件，也可以为不同性能和结构的膜元件。

其中气升管5、13中封装的膜元件为单根或多根陶瓷膜，由具体的曝气或分离要求决定；无机膜元件是单通道或是多通道；通道形状是圆形、扇形、方形、星形或六角形。

本发明的特征还在于反应器釜体2开有视窗9，反应釜体底端有卸料口1，上端开有排气口10；反应釜主体2包括扩大段和收缩段两部分，其内径比为1.5～5。

本发明的特征还在于气升管5、13与压缩气源A和真空管路系统B相连，与压缩气体A连接并通过阀门6、14控制开启，与真空系统B连接通过阀门8、11控制开启，气升管5、13下接漏斗形倒流管4和轴向曝气喷嘴3。

有益效果：

1、在升液管底部采用喷嘴沿升液管轴向方向喷射具有一定初速度的气泡，同时，气泡的尺寸较大，故可有效提高混合效率，由于无需运动部件，因而具有适合很多对运动部件敏感的体系和能耗低的特点。本发明采用管式膜曝气系统，沿液体流动的方向进行错流(即十字流)曝气，由于膜孔径小于100μm，因而在微泡或无泡的条件下，使该反应器获得较高的气液传质效率，通过这两种曝气形式的耦合的十字流曝气系统即有较高的混合效率也能满足高气液传质效率的要求。同时，在同一反应的不同阶段可通过对轴向曝气和径向曝气量的调节，改变混合效率和传质效率，可实现对反应过程的强化。

2、本发明通过将膜分离部件耦合在该反应器中，可实现涉及液固两相反应的连续化操作，反应器的反应效率提高5～80倍。

3、本发明通过将膜分离、膜曝气系统耦合在同一反应器中，可实现涉及气液固三相反应的连续曝气和连续分离，提高了反应环境和操作的稳定性。另外，通过选择不同性能的膜元件，能实现分离效率和曝气效率的优化。

4、本发明中所用膜元件为无机膜，因而可在高温等条件下操作，适合化工领域一些苛性环境以及生化体系中的原位消毒。本反应器也具有外环流式气升式反应器的流动规则，阻力小，几乎不存在死角，传热性能好，较易脱气故有的特点。同时，通过实验表明由于轴向喷嘴产生的气泡，特别是在液体中形成弹状流时，能有效减少分离膜组件的污染情况，提高膜通量。另外，由于通过增加升液管数即可增加曝气面积或提高分离效率，因此本反应器适用范围非常宽。

附图说明

图1是外环流气升式膜反应器示意图。

图2为图1封装膜元件为单通道的气升管I-I方向剖面图。

图3为图1封装膜元件为多通道时的气升管I-I方向剖面图。

图4为图1封装多根陶瓷膜时的气升管I-I方向结构剖面图。

图5是多管外环流气升式膜反应器示意图。

图6是气升管内十字流曝气系统示意图。

图7是气升管内轴向曝气膜分离强化系统示意图。

图中A压缩气源，B为真空系统，D为液流主体，E为微小气泡，F为大气泡，G为产物，H为催化剂或菌体；1为卸料口，2为反应器釜体，3为轴向曝气喷嘴，4为漏斗形倒流管，5和13为外环流气升管，6、8、11、14为阀门，7和12为无机膜元件，9为视窗，10为排气口。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的实施方式。

实施方式1：

本发明所提供的外环流气升式膜主要由反应器釜体2，与反应器相连接的外环流气升管5，漏斗形倒流管4，轴向曝气喷嘴3，封装在气升管内的无机膜元件7，如图1所示。反应器釜体2包括扩大段和收缩段两部分，通常其内径比为1.5～5，具体比值根据实际需要调整，同时反应器釜体开有视窗9用以观察反应器内。外环流气升管5通过法兰和管路与反应釜体卸料口1相连，与压缩气体连接并通过阀门6控制开启，与真空系统连接通过阀门8控制开启。轴向曝气头连接压缩气体提供装置。

本发明所提供的外环流气升管内5封装有无机膜元件7，无机膜的材质可以是金属也可是陶瓷，因而可实现原位消毒，孔径可在20nm～100μm范围内选择。封装的膜管可以是单通道的，如图2所示，也可以是多通道的如图3所示。封装的膜管可以是一根如图2、3所示，也可以是多根，如图4所示。对于不锈钢循环管和金属膜可采用焊接法，直接焊接在法兰上，而对陶瓷膜则采用陶瓷膜的标准封装组件进行封装。

本发明所提供的外环流气升式膜的操作方式如下：压缩气体通过轴向曝气头3被压入气升管，产生带有一定初速度的较大气泡F，提供轴向推动力和较大的密度差，使液流主体D沿气升管向上运动。实现曝气功能时，关闭阀门8，开启阀门6，压缩气体C沿径向经过膜孔，以微泡E的形式被压入无机膜管7、12内，形成十字流曝气系统，如图6所示。混和了气体的液流主体进入反应器釜体2的扩大段实现气液的部分分离，造成密度差并形成向下的流体，分离出的尾气由排气口10排出。实现分离功能时，开启8，关闭阀门6，通过真空抽吸和反应器内压将液体压过膜孔，催化剂或菌体H被截留，产物G经过膜分离系统移出，压缩气体通过曝气头3被压入气升管，产生较大气泡对膜分离过程进行强化，如图7所示。

实施方式2：

本发明所提供的多管外环流气升式膜主要由反应器釜体2，与反应器相连接的外环流气升管5和13，漏斗形倒流管4，轴向曝气喷嘴3，封装在气升管内的无机膜元件7，12，如图5所示。外环流气升管5，13通过法兰和管路与反应釜体卸料口1相连，与压缩气体连接并通过阀门6、14控制开启，与真空系统连接通过阀门8、11控制开启。轴向曝气头连接压缩气体提供装置。

本发明所提供的外环流气升管内5、13封装有无机膜元件7，12，无机膜元件7，12可为同种膜元件，也可根据其具体功能的实现选择不同性能的膜元件。

本发明所提供的多管外环流气升式膜的操作方式如下：压缩气体通过轴向曝气头3被压入气升管，产生带有一定初速度的较大气泡F，提供轴向推动力和较大的密度差，使液流主体D沿气升管向上运动。实现曝气功能时，关闭阀门8、11，开启阀门6、14，压缩气体C沿径向经过膜孔，以微泡E的形式被压入无机膜管7、12内，形成十字流曝气系统，如图6所示。混和了气体的液流主体进入反应器釜体2的扩大段实现气液的部分分离，造成密度差并形成向下的流体，分离出的尾气由排气口10排出。实现分离功能时，开启8、11，关闭阀门6、14，通过真空抽吸和反应器内压将液体压过膜孔，催化剂或菌体H被截留，产物G经过膜分离系统移出，压缩气体通过曝气头3被压入气升管，产生较大气泡对膜分离过程进行强化，如图7所示。与图1中反应器不同，开启阀门6、11，关闭阀门8、14即可同时实现反应器的曝气和分离连续稳定操作。

本发明所涉及的新型气升式反应器，可用于涉及气液和气液固的化学和生化过程，如废水处理、发酵法制备有机酸、发酵法制乙醇、蛋白培养、甲醇合成等领域。

Claims (10)

1.一种外环流气升式膜反应器，由反应器釜体(2)、气升管(5)组成，其特征在于无机膜元件(7)被封装在气升管(5)内，无机膜起到气体的径向分布器或分离器的作用，气升管的上部开有阀门(8)，气升管的下部开有阀门(6)。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的气升管是2根或2根以上。

3.根据权利要求1或2所述的反应器，其特征在于所述的气升管为2根，反应器釜体(2)连通气升管(5)、(13)，即构成多管外环流气升式膜反应器，无机膜元件(7)、(12)被分别封装在气升管(5)、(13)内。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于无机膜元件是金属膜或陶瓷膜；孔径为20nm～100μm。

5.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于无机膜元件(7)和(12)为相同的膜元件或为不同性能和结构的膜元件。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于每根气升管内可封装单根或多根陶瓷膜。

7.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于无机膜元件是单通道或是多通道；通道形状是圆形、扇形、方形、星形或六角形。

8.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于反应器釜体(2)开有视窗(9)，反应釜体底端有卸料口(1)，上端开有排气口(10)。

9.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于气升管(5)、(13)与压缩气源(A)和真空管路系统(B)相连，与压缩气源A连接通过阀门(6)、(14)控制开启，与真空系统B连接通过阀门(8)、(11)控制开启；气升管(5)、(13)下接漏斗形倒流管(4)和轴向曝气喷嘴(3)。

10.根据权利要求1所述的反应器，其特征是反应釜主体(2)包括扩大段和收缩段两部分，其内径比为1.5～5。

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