CN205528736U - 气液双喷式气升式环流反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种气液双喷式气升式环流反应器，包括发酵罐，特征是：在所述发酵罐中设置导流筒，导流筒的内部为液体上升区，导流筒与发酵罐之间为液体下降区，在液体上升区的下部安装环形分布管，分布管上设有多个喷孔；在所述发酵罐的底部安装1个或多个静态螺旋切割装置，静态螺旋切割装置上具有气液混合物出口、发酵液输入口和压缩空气输入口，压缩空气输入口与空气气源连接，气液混合物出口与分布管连接，发酵液输入口通过管道与发酵罐底部的出液循环口连接。本实用新型克服了气升式生物发酵系统气液混输送和气液耦合的难点，最大限度地发挥气升式环流反应器的生物处理能力，提高了处理效率，降低了能耗。

Description

气液双喷式气升式环流反应器

技术领域

本实用新型涉及一种气液双喷式气升式环流反应器，尤其是一种基于气液体微纳米切割细化技术的气液双喷式气升式环流反应器。

背景技术

气升式环流反应器（airlife loop reactor，简称ALR），是一种以气源作为动力、使液体混合与循环流动的反应器。是目前应用最广泛的生物反应设备。其工作原理是把无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而气含率小的发酵液则下沉，形成循环流动，实现混合与溶解氧传质。这类反应器具有结构简单、能耗低、剪切应力小、混合好等优点。气升式环流反应器对于反应物之间的混合和传质都是相当有利的。气升式环流反应器是由鼓泡反应器改进而来的新型反应器，它综合了鼓泡床和搅拌釜的性能，与鼓泡床反应器相比，环流反应器具有液体定向流动的特点，在较低的表观气速之下即可以实现固体颗粒的完全悬浮，并且目前被应用于诸多领域诸如费托合成、一步法合成甲醇与二甲醚、汽油脱硫、重油氢化、生物废发酵液处理及发酵工程等。

已工业应用的 ALR 有内循环式和外循环式两种类型，无论哪种类型的反应器都由4个基本部位组成：上升段、下降段、器底和气液分离器。每一部位的液体流动特性各有差异，基质传递、产物形成、热量交换情况在各处也不一样。这两类反应器相比，外循环气升式反应器可在降液区安装换热器以加强传热，便于上升段与下降段的测量和控制，还可在上升段与下降段之间安装一个节流阀，以控制进气率和液体循环速度。内循环气升式反应器则结构比较紧凑，导流筒可做成多段的以加强局部及总体循环，导流筒内还可安装筛板，使气体分布得以改善，并可适当地抑制液体循环速度。

与其他反应器相比，ALR 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。但通过研究和实际应用发现，它也存在以下一些缺点：初始化投资较大；需要非常大的空气吞吐量；相间混合接触较差；当循环的有机体和操作条件发生变化时，底物、营养物和氧含量不能保持一致；当出现泡沫时，气液分离的效果很差；混合与气液耦合问题，也即很难在不改变通气的条件下得到改善。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种气液双喷式气升式环流反应器，克服了气升式生物发酵系统气液混输送和气液耦合的难点，最大限度地发挥气升式环流反应器的生物处理能力，提高了处理效率，降低了能耗。

按照本实用新型提供的技术方案，一种气液双喷式气升式环流反应器，包括发酵罐，特征是：在所述发酵罐中设置导流筒，导流筒的内部为液体上升区，导流筒与发酵罐之间为液体下降区，在液体上升区的下部安装环形分布管，分布管上设有多个喷孔；在所述发酵罐的底部安装1个或多个静态螺旋切割装置，静态螺旋切割装置上具有气液混合物出口、发酵液输入口和压缩空气输入口，压缩空气输入口与空气气源连接，气液混合物出口与分布管连接，发酵液输入口通过管道与发酵罐底部的出液循环口连接。

进一步的，在所述静态螺旋切割装置的发酵液输入口和发酵罐的出液循环口之间设置发酵液泵。

进一步的，所述静态螺旋切割装置包括切割管，切割管中心设置芯轴，芯轴的进液端设置导液锥；在所述芯轴上设置若干片依次螺旋叠加的切割片；在所述切割管的进液端连接加气头，在加气头中安装轴向中心加气装置，轴向中心加气装置包括安装在加气头上的管座，管座中设置导气管，导气管的外端连接进气管，在导气管的内端安装节流座，节流座中设置节流阀芯，节流座上设置加气孔。

进一步的，所述切割片上具有三个或多个叶片。

进一步的，所述切割片沿芯轴长度方向依次螺旋叠加形成由芯轴长度方向布置的三条或多条螺旋，并且相邻两个切割片的叶片按照螺旋线方程错开一定角度，在螺旋形的侧面形成阶梯状切割刃口。

进一步的，所述螺旋叠加的切割片形成的螺旋形采用变螺距，进液端的螺距大于出液端的螺距，螺距由进液端向出液端逐渐减小。

进一步的，所述切割片的厚度为0.08～5mm。

进一步的，所述加气孔与加气头、切割管的轴线同轴。

进一步的，在所述加气头和切割管之间安装有静态混合器。

本实用新型具有以下优点：

（1）本实用新型通过无旋转动力机构的静态螺旋切割装置将空气大分子团切割为微纳米量级的小分子团物质，几乎在常温常压下将其溶于发酵液中，溶解氧含量高，溶氧率比传统气升式发酵法增加4-5倍、稳定性好；静态螺旋切割装置无动力旋转机构，设备成本低，易维护，可实现大规模工业生产和应用。

（2）本实用新型所述静态螺旋切割装置可实现气液体微纳米化切割细化，气液体在切割腔XYZ三个方向均受到剪切力；流场边界为切割叶片螺旋形成的阶梯状切割刃，在一定的流动场和离心力的作用下，气液受到阶梯状切割刃的切割力，理论上可实现无限小尺度的切割。

（3）本实用新型把空气通过静态离散化的螺旋切割装置，快速、高效地切割细化为微纳米量级的小气泡，大大提高氧气的溶解效率，发酵液中溶氧量可达传统发酵罐加气法的4-5倍，溶氧稳定性好。

（4）本实用新型所述加气装置采用特殊设计的加气头、出气口，根据层流流体绕流圆柱体的流体力学理论分析可知，加气孔附近区域发酵液的流速接近于0，氧气可以顺利散逸到发酵液中，实现螺旋切割器四个切割腔均匀加气，这种加气法效率高，切割细化均匀。

（5）本实用新型克服了传统气升式生物发酵系统气液混输送和气液耦合的难点，可实现1－10VVM的通气速率和气液混合输送。

附图说明

图1为本实用新型所述气液双喷式气升式环流反应器的结构示意图。

图2为所述静态螺旋切割装置的结构示意图。

图3为所述切割片的示意图。

图4为所述静态螺旋切割装置的工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本实用新型作进一步说明。

如图1～图4所示：所述气液双喷式气升式环流反应器包括发酵罐1、导流筒2、发酵液泵3、分布管4、静态螺旋切割装置5、喷孔6、加气头3-1、管座3-2、导气管3-3、密封圈3-4、密封块3-5、节流座3-6、节流阀芯3-7、加气孔3-8、法兰5-1、切割管5-2、芯轴5-3、导液锥5-4、切割片5-5、压块5-6、锁紧螺母5-7、叶片5-8等。

如图1所示，本实用新型所述气液双喷式气升式环流反应器，包括发酵罐1，发酵罐1采用的材质为SUS316L，公称容积选用500L；在所述发酵罐1中设置导流筒2，导流筒2采用现有市售的钼制导流筒；所述导流筒2的内部为液体上升区，导流筒2与发酵罐1之间为液体下降区，在液体上升区的下部安装环形分布管4，分布管4上设有多个喷孔6。

在所述发酵罐1的底部安装1个或多个静态螺旋切割装置5，静态螺旋切割装置5上具有气液混合物出口、发酵液输入口和压缩空气输入口，压缩空气输入口与空气气源连接，气液混合物出口与分布管4连接，发酵液输入口通过管道与发酵罐1底部的出液循环口连接；在所述静态螺旋切割装置5的发酵液输入口和发酵罐1的出液循环口之间设置发酵液泵3，发酵液泵3采用市售的卫生级不锈钢自吸泵。

如图2所示，所述静态螺旋切割装置5包括切割管5-2，切割管5-2中心设置芯轴5-3，芯轴5-3的进液端设置导液锥5-4，导液锥5-4的作用是为了使气液混合流均，经扩散之后可以均匀地通过切割管5-2；在所述芯轴5-3上设置若干片依次螺旋叠加的切割片5-5，切割片5-5的中心孔与芯轴5-3间隙配合，切割片5-5由压块5-6和锁紧螺母5-7固定在芯轴5-3上；所述切割片5-5上具有三个或多个叶片5-8（图4中为4个叶片5-8），切割片5-5沿芯轴5-3长度方向依次螺旋叠加形成由芯轴5-3长度方向布置的三条或多条螺旋，并且相邻两个切割片5-5的叶片5-8按照螺旋线方程错开一定角度，在螺旋形的侧面形成阶梯状切割刃口。所述螺旋形采用变螺距，进液端的螺距大于出液端的螺距，螺距由进液端向出液端逐渐减小。所述切割片5-5的厚度为0.08～5mm。

如图2所示，在所述切割管5-2的进液端连接加气头3-1，一般在加气头3-1和切割管5-2之间还安装有静态混合器（图中未示出）；在所述加气头3-1中安装轴向中心加气装置，轴向中心加气装置包括安装在加气头3-1上的管座3-2，管座3-2中设置导气管3-3，导气管3-3与管座3-2之间设置密封圈3-4和密封块3-5，密封块3-5通过螺母和螺钉紧固；所述导气管3-3的外端连接进气管，进气管与气源相连，在导气管3-3的内端安装节流座3-6，节流座3-6中设置节流阀芯3-7，节流座3-6上设置加气孔3-8，加气孔3-8与加气头3-1、切割管5-2的轴线同轴，同轴度小于0.1mm，可保证气体顺利散逸到水中。

本实用新型的工作原理：本实用新型所述的气液双喷式气升式环流反应器，采用微纳米切割细化技术，气液两相通过静态螺旋切割器5将气液两相流切割细化，将空气大分子团切割成微纳米量级的小分子团物质，通过较小的压力和一定的流动场作用将其溶于发酵液中，几乎在常温常压下实现高效溶氧，溶氧率比传统气升式发酵加气法增加4-5倍。发酵液含氧量高，含氧稳定，半衰期达20天。制备成本低，设备简易，维护方便。

所述静态螺旋切割装置5由几千片切割片按照变螺距旋转叠加而形成离散化的阶梯状螺旋曲面。利用气液的自身的压力和流速，发酵液和空气气流过切割腔，由于切割腔内特殊的变螺距螺旋结构，形成流体内部x、y、z三维速度梯度的存在，因此流体内部在x、y、z三个方向上均受到剪切力；而且流体在边界面上与离散化的、厚度仅为5mm的切割片累叠而成的阶梯状螺旋切割刃口接触，假设流体不动，相当于无限多刀片的刀刃在切割流体，两个作用的合力将气液体割成微纳米量级的小分子团物质，纳米量级的气泡自身不断加压膨胀，最后爆裂溶于发酵液中，增加了发酵罐中液体溶氧量。

所述轴向中心加气装置的加气孔3-8与加气头3-1、切割管5-2的轴心线同轴度小于0.1mm，根据层流流体绕流圆柱体的流体力学理论分析可知，加气孔3-8附近区域液体的流速接近于0，空气可以顺利散逸到发酵液中，实现切割管切割腔均匀加气，这种加气法效率高，切割细化均匀。加气孔附近区域由于流体的作用，会形成负压效应，气压略小于液压条件下，也可以顺利实现加气，降低了设备能耗。试验测定溶氧率为传统气升式发酵罐压缩空气直接曝气法的4-5倍。

本实用新型的工作过程：气液双喷式气升式环流反应器工作时，加压空气G通过加气头3-1的加气孔3-8喷射进入静态变距螺旋切割器5，同时发酵液通过发酵液泵3泵入静态变距螺旋切割器5，利用发酵液和压缩空气的自身的压力和流速，发酵液和空气流过切割腔，实现气液体微纳米量级的切割和混合输送，气液混合物通过环型分布管的喷嘴进入导流筒2内部。纳米量级的气泡自身不断加压膨胀，最后爆裂溶于发酵液中，提高了溶氧率，溶氧率是传统加气法的4－5倍。微纳米气泡的比表面积急剧增加，与导流筒内液相间的传热、传质和生物化学反应过程得到急剧强化，两者密切接触从而充分反应。由于导流筒内形成的气液混合物密度会降低，加上空气被压缩后的动能，因此会使得导流筒内的液体向上流动；到达反应器上部液面后，一部分气液混合物中的气体G排出到反应器的上部空间，因排出部分气体的液体通过导流筒上部向导流筒外流动，导流筒外的液体因排出气体后会变得气含率减小，密度增大，所以在重力作用下液体会下降至反应器底部。在反应器底部由于导流筒内的液体速度很大，会将气含率小的液体吸入导流筒内部再次进入上升管参与反应，从而形成一个循环流动，实现混合与传质。

静态离散化变距螺旋切割器是本装置的核心部件，主要由厚度为0.08-5mm的变距螺旋切割叶片及固定装置等组成。该部件可实现气液体微纳米化切割细化和混合输送。静态变距螺旋切器腔采用了特殊的变螺距设计，即由流体入口的大螺距过渡为流体出口的小螺距，4个螺旋切割腔由厚度为0.08-5mm切割叶片按照螺旋线方程一片片螺旋叠加形成。由于变螺距螺旋机构的特点，气液体在空间XYZ三个方向均受到剪切力；流场边界为切割叶片螺旋形成的阶梯状切割刃，在一定的流动场和离心力的作用下。气泡和发酵液受到阶梯状切割刃的切割力，理论上可实现无限小尺度的切割。

静态变距螺旋切割器工作状态示意图如图4所示。7为发酵液输入口，8为压缩空气输入口，压缩空气输入口8与空气气源相连接。9为气液混合物出口，与发酵罐环型分布管连接。利用发酵液和压缩空气的自身的压力和流速，发酵液和空气流过切割腔，实现气液体微纳米量级的切割和混合，纳米量级的空气泡自身不断加压膨胀，最后爆裂溶于发酵液中，溶氧率是传统气升式发酵罐加气法的4-5倍。导流筒内发酵液与微纳米气泡的接触比表面积急剧增加，强化了两者的传热、传质和生物化学反应过程，达到节能减排的目的。

本实用新型的主要优点如下：

（1）将气液微纳米化静态变距螺旋切割器安装在气升式发酵罐空气喷嘴前端，在同样气体细化程度下，可以大大降低压缩气体的喷射压力和流速，达到节能的目的（传统气升式发酵器压缩空气喷射气速要达到250~300m/s以上，才能通过汽液混合物的湍流作用使空气气泡分割细碎，形成一定的接触面积）。同时，微纳米量级的空气泡自身不断加压膨胀，最后爆裂溶于发酵液中，形成了高效溶氧，溶氧率比传统气升式发酵加气法增加4-5倍。导流筒内发酵液与微纳米气泡的接触比表面积急剧增加，强化了两者的传热、传质和生物化学反应过程，加快生物发酵速度，提高发酵效率。

（2）切割细化气液体几乎不消耗动力，在常温常压下实现发酵液高效溶氧，溶氧率提高4-5倍，其产生的气泡大小为微纳米量级，这种方式产生的微气泡是通过物理方式切割形成，产生的溶解氧非常稳定，在液体中的溶解氧衰减率为20天衰减50%，为好氧发酵反应提供了稳定的氧源，不会产生大气泡而形成泡沫，使得发酵过程稳定，提高产能。

（3）本实用新型形成一种基于气液微纳米化切割细化技术与气液双喷式气升式环流反应技术的新型的生物处理工艺流程，形成一种细分子化的、高效的、节能减排的新型生物处理处理工艺及方法。空气中的氧气大分子团可细化到纳米量级，且不易从发酵液中释放出来，革除了传统气升式发酵技术空气直接曝气法高能耗、低效率的缺陷，提高了微生物对有机物的分解速度，能耗比传统气升式生物反应技术降低25-35%。

（4）基于气液微纳米化切割细化溶氧技术的气液双喷式气升式环流反应器能够将工业高浓度大分子团有害有机物切割细化至微纳米量级，生物接触面积大，均质混合好，传质速度高，可充分发挥微生物的分解作用，使有害有机物得到充分分解。

Claims (9)

1.一种气液双喷式气升式环流反应器，包括发酵罐（1），其特征是：在所述发酵罐（1）中设置导流筒（2），导流筒（2）的内部为液体上升区，导流筒（2）与发酵罐（1）之间为液体下降区，在液体上升区的下部安装环形分布管（4），分布管（4）上设有多个喷孔（6）；在所述发酵罐（1）的底部安装1个或多个静态螺旋切割装置（5），静态螺旋切割装置（5）上具有气液混合物出口、发酵液输入口和压缩空气输入口，压缩空气输入口与空气气源连接，气液混合物出口与分布管（4）连接，发酵液输入口通过管道与发酵罐（1）底部的出液循环口连接。

2.如权利要求1所述的气液双喷式气升式环流反应器，其特征是：在所述静态螺旋切割装置（5）的发酵液输入口和发酵罐（1）的出液循环口之间设置发酵液泵（3）。

3.如权利要求1所述的气液双喷式气升式环流反应器，其特征是：所述静态螺旋切割装置（5）包括切割管（5-2），切割管（5-2）中心设置芯轴（5-3），芯轴（5-3）的进液端设置导液锥（5-4）；在所述芯轴（5-3）上设置若干片依次螺旋叠加的切割片（5-5）；在所述切割管（5-2）的进液端连接加气头（3-1），在加气头（3-1）中安装轴向中心加气装置，轴向中心加气装置包括安装在加气头（3-1）上的管座（3-2），管座（3-2）中设置导气管（3-3），导气管（3-3）的外端连接进气管，在导气管（3-3）的内端安装节流座（3-6），节流座（3-6）中设置节流阀芯（3-7），节流座（3-6）上设置加气孔（3-8）。

4.如权利要求3所述的气液双喷式气升式环流反应器，其特征是：所述切割片（5-5）上具有三个或多个叶片（5-8）。

5.如权利要求3所述的气液双喷式气升式环流反应器，其特征是：所述切割片（5-5）沿芯轴（5-3）长度方向依次螺旋叠加形成由芯轴（5-3）长度方向布置的三条或多条螺旋，并且相邻两个切割片（5-5）的叶片（5-8）按照螺旋线方程错开一定角度，在螺旋形的侧面形成阶梯状切割刃口。

6.如权利要求3所述的气液双喷式气升式环流反应器，其特征是：所述螺旋叠加的切割片（5-5）形成的螺旋形采用变螺距，进液端的螺距大于出液端的螺距，螺距由进液端向出液端逐渐减小。

7.如权利要求3所述的气液双喷式气升式环流反应器，其特征是：所述切割片（5-5）的厚度为0.08～5mm。

8.如权利要求3所述的气液双喷式气升式环流反应器，其特征是：所述加气孔（3-8）与加气头（3-1）、切割管（5-2）的轴线同轴。

9.如权利要求3所述的气液双喷式气升式环流反应器，其特征是：在所述加气头（3-1）和切割管（5-2）之间安装有静态混合器。