CN87213094U - 脉冲溢流自吸式喷射器 - Google Patents

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高建伟
高孔荣
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Abstract

本实用新型提供了一种用于生化反应器的新型喷射器，特点是利用脉冲溢流自吸式喷射器来完成发酵反应所需的搅拌混合过程与供气过程，并利用该脉冲溢流自吸喷射器来强化气液混合过程和氧的传递过程。适用于发酵工业、环境工程和化学工程中的气液混合过程、传质过程和传热过程。

Description

本实用新型涉及一种生化工程反应器，特别适用于好气性的微生物发酵反应。
目前应用较为广泛的好气性发酵反应器主要有鼓泡加机械搅拌的发酵反应器和鼓泡式发酵反应器，这两类反应器不但结构复杂、占地面积大，而且能耗偏高，效率低，传质效果差。在国际上，美国专利申请US3，813，086曾提出了一种装有转子和定子的自吸式发酵反应器，并已用于生产酵母及醋酸，获得良好的效果，但这种类型的发酵反应器的结构仍然较为复杂。在1985年商业部单细胞蛋白技术考察团的“赴东德、捷克考察技术资料”里，介绍了东德的格里玛化工设备联合企业制造的喷射式发酵反应器，它虽然大大地简化了现有的发酵设备，但由于本身结构的缘故，这种直管式喷射器的气液混合不能充分发展，即在喷射器中的溶氧传质效果不能进一步加强。经手检和机检有关文献不曾发现有脉冲溢流自吸式喷射器的报道。根据广州市科学技术情报研究所联机检索中心的检索报告书（见附件），也尚未发现原始专利文献、美国专利文献公报和世界专利索引里有脉冲溢流自吸式喷射器的任何记载。
本实用新型的目的是为研制一种低能耗、高效率的反应器，而提供一种改进的喷射器，即脉冲溢流自吸式喷射器。这种新型的喷射器不仅能保持原有类型喷射器的性能，特别是利用喷射器中脉冲溢流管的作用进一步地强化氧的传递过程，而且利用溢流作用进一步地降低了喷射器的能耗，使喷射器的技术达到一新的水平。
本实用新型是这样实现的：液体由动力泵泵至空气吸入室处，并由于溢流作用自由地从溢流入口流入到溢流入口锥管中，又由于液体与气体间的动能量的相互交换和液体的连续不断地流动，使气体不断地被吸入到溢流入口锥管中，产生连续不断地吸气现象。特别是利用脉冲溢流管的强化作用，使气体均匀地分散于液体中，并利用脉冲管的作用，防止气泡的合併，使气泡再均匀地分散到液体中，并在脉冲管中保持均匀的气液混合流，进行气液间的溶氧传质过程，从而获得加强的气液传质过程。
图1为脉冲溢流自吸式喷射器的结构示意图。图2为脉冲溢流自吸式喷射器的设备流程图。
参照图1，脉冲溢流自吸式喷射器主要由空气吸入室8和脉冲溢流管所组成。其中空气吸入室8含有空气吸入进口管9和液体进口管10，空气吸入室直径为D1，高度为H1。脉冲溢流管则由溢流入口锥管7和若干个的脉冲管所组成，而脉冲管又由扩大管3和收缩管1连接而成。脉冲溢流管的总高度为H，H取值范围为2米～14米。溢流入口锥管7的锥度γ为10°～20°而高度为H3，溢流入口锥管高度H3与脉冲溢流管总高度H之比为H3：H＝1：20～4：20。扩大管3由上锥管4和下锥管2所组成，上锥管的锥度α为20°～70°，下锥管的锥度β为20°～70°，α≥β或β≥α。脉冲管的个数必须根据需要而定。收缩管直径D2与脉冲溢流管总高度H之比为D2：H＝1：48～1：168。收缩管直径D2与收缩管高度H2之比为D2：H2＝1：0～1：3.5。收缩管直径D2与脉冲管最大直径D3之比为：D2：D3＝1：1.5～1：2。收缩管直径D2与空气吸入室直径D1之比为D2：D1＝1：5。收缩管直径D2与空气吸入室高度H1之比为：D2：H1＝1：5～1：7。脉冲管通过连接螺栓5连接到溢流入口锥管7上，利用螺栓6把脉冲溢流管与空气吸入室8连接，脉冲溢流管与空气吸入室之间可用胶垫圈来密封。按本结构做成的喷射器把液体的溢流、气体的自动吸入和利用脉冲管进行气液混合及传质三种现象结合在一起。
参照图2说明脉冲溢流自吸式喷射器的作用是如何实现的。
发酵反应器体21内装载有一定的液体，液体由阀门12控制经发酵反应器底导管11引至动力泵13，利用动力泵13的输送作用把液体输送经过导管14，经过换热器16，经过导管18到达脉冲溢流自吸式喷射器19，喷射器19吸入空气并在喷射器中利用脉冲管进行气液混合传质，然后喷射器将气液混合物喷射进入到发酵反应器中的液体主体，经发酵反应后的气体由排气孔20排走。22为气液分离器，作用是将液体中的气体分离，防止大量气体被吸入离心泵13而造成气浊现象。根据实际的需要可增加脉冲溢流自吸式喷射器19的个数和动力泵13的个数，以适应于不同体积大小的发酵罐和不同的发酵阶段的需要。
采用本实用新型的脉冲溢流自吸式喷射器设计而成的脉冲溢流喷射自吸式发酵反应器，仅需一台离心泵即可实现通气，混合与搅拌的多种功能。它与现有的传统式鼓泡加机械搅拌的发酵反应器相比，具有结构简单，制造方便，能耗低，传质效率高，易于维修管理和操作简便，特别是省去了传统发酵设备中庞大的空气压缩机系统或萝茨鼓风机系统，从而大大地节省了投资，可节省发酵设备及基建投资约30％～40％。
脉冲溢流自吸式喷射器与直管溢流自吸式喷射器性能比较见表1。
表1 直管溢流自吸式喷射器与脉冲溢流自吸式喷射器 性能的比较表
直管式 脉冲管式
反应器径高比 1∶2 1∶2
反应器装液量（立方米） 0.012 0.011
溢流管总高度（米） 2.67 2.10
溢流流量（立方米／小时） 2.55 2.5
吸气量（立方米／小时） 0.738 0.98
溶氧系数KLa(1/小时） 302 662
溶氧速率（公斤氧／小时·立方米液） 2.07 4.41
反应器比能耗（千瓦／立方米液） 2.02 1.90
溶氧比能耗（千瓦时／公斤氧） 1.07 0.43
吸气比能耗（千瓦时／10立方米空气） 0.33 0.21
从表1所示的数据可得知，在反应器径高比相同，装液量、溢流量、反应器比能耗与溢流管高度基本相同的情况下，脉冲溢流自吸式喷射器充分地显示出其优越性，与直管式的喷射器相比，它的各项比能耗低，而且溶氧速率高，因此，脉冲管式的喷射器比直管式的喷射器的性能要优越。
而美国专利（U.S.3，813，086）中自吸式发酵反应器吸入空气的比能耗为1.03～0.69瓩时／10立方米空气，酵母生产的比能耗为0.85～1.0瓩时／公斤干酵母，酵母的生产能力为1.36～2.33公斤干酵母／小时·立方米发酵液，与表3的数据比较起来，采用脉冲溢流自吸式喷射器的发酵反应器具有比能耗低，生产能力高的特点，是单细胞蛋白培养的理想发酵反应器。
本实用新型的喷射器适用于细胞的大规模培养反应过程，发酵工业上的好气发酵反应过程及环境工程有关生化污水处理过程中的生化反应器或发酵反应器。该喷射器也可用于化学工程中的气液混合过程、传质过程及传热过程。
发明人曾有如下实施例：
利用本实用新型，曾装置了一个具有脉冲溢流自吸式喷射器的小型发酵反应器，发酵反应器的容积为20立升，反应器的直径为D＝110mm，装液深度为HL＝1157mm。液体利用泵进行循环。所采用的脉冲溢流自吸式喷射器的结构尺寸如下：
脉冲溢流管的高度：H＝4190mm
收缩管管径： D2＝25mm
脉冲管的上、下锥管的锥度为：α＝β＝20°
溢流入口锥管锥度为：γ＝10°
溢流入口锥管高度为：H3＝190mm
脉冲管的最大直径为：D3＝50mm
收缩管长度： H2＝33mm
空气吸入室直径： D1＝115mm
空气吸入室高度： H1＝115mm
液体入口管直径： φ1＝25mm
气体吸入管直径： φ2＝10mm
当在一个大气压，25℃下，采用0.5NNa2SO3作为试验介质，介质中以10－3MCu++作为催化剂时，可以得到反应器的特性，如表（2）所示：
表2 20立升脉冲溢流喷射自吸式生化反应器特性表
反应器比能耗（瓩／立方米液） 溶氧速率（公斤氧／小时·立方米液） 溶氧比能耗（瓩时／公斤氧） 吸气比能耗（瓩时／10m3空气）
1.22 3.43 0.36 0.09
1.59 6.25 0.25 0.11
1.98 7.67 0.26 0.14
2.40 8.75 0.27 0.19
3.17 10.05 0.32 0.31
3.70 12.56 0.29 0.39
改变脉冲溢流自吸式喷射器中脉冲溢流管的长度使H＝2190mm，喷射器的其它参数保持不变，利用上述的发酵反应器进行单细胞蛋白的培养，培养结果如表（3）所示：
表（3） 酵母的培养结果
反应器的比能耗（瓩／立方米液） 2.0
吸入空气的比能耗（瓩时／10立方米空气） 0.2
酵母生产的比能耗（瓩时／公斤干酵母） 0.6
酵母的生产能力（公斤干酵母／小时·立方米发酵液） 3.43

Claims (6)

1、一种脉冲溢流自吸式喷射器，其特征在于由一个空气吸入室8、一个溢流入口锥管7和若干个脉冲管所组成，而脉冲管则由扩大管3和收缩管1连接而成并与溢流入口锥管7相连接，而溢流入口锥管7又与空气吸入室8相通。
2、根据权利要求1所述的脉冲溢流自吸式喷射器，其特征在于扩大管3是由上锥管4和下锥管2所组成，上锥管的锥度α为20°～70°，下锥管的锥度β为20°～70°，α≥β或β≥α。
3、根据权利要求1所述的脉冲溢流自吸式喷射器，其特征在于脉冲溢流管总高度H的取值范围为2米～14米。
4、根据权利要求1所述的脉冲溢流自吸式喷射器，其特征在于其溢流入口锥管7的锥度γ为10°～20°。
5、根据权利要求1、3、4所述的脉冲溢流自吸式喷射器，其特征在于其溢流入口锥管的高度H3与脉冲溢流管总高度H之比为H3：H＝1：20～4：20。
6、根据权利要求1所述的脉冲溢流自吸式喷射器，其特征在于收缩管及与其相关的部件有如下关系：
a、收缩管直径D2与收缩管高度H2之比为：
D2：H2＝1：0～1：3.5
b、收缩管直径D 2 与脉冲管最大直径D 3之比为：
D 2 ：D 3 ＝1：1.5～1：2
c、收缩管直径D 2 与空气吸入室直径D 1 之比为：
D 2 ：D 1 ＝1：5
d、收缩管直径D2与空气吸入室高度H1之比为：
D2：H1＝1：5～1：7
e、收缩管直径D2与脉冲溢流管总高度H之比为：
D2：H＝1：48～1：168
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