CZ286001B6

CZ286001B6 - Zařízení na výměnu tepla

Info

Publication number: CZ286001B6
Application number: CS887476A
Authority: CZ
Inventors: Cecil Calvin Gentry
Original assignee: Phillips Petroleum Company
Priority date: 1987-11-17
Filing date: 1988-11-15
Publication date: 1999-12-15
Also published as: DE3873694D1; NO885099D0; ATE79462T1; CZ747688A3; SK747688A3; RU2011944C1; NO175993C; GR3005917T3; JP2975024B2; HUT52234A; JPH01193590A; NO175993B; CA1285268C; DD283678A5; EP0316910A1; EP0316910B1; NO885099L; DE3873694T2; US4882283A; HU210593B

Abstract

Pro konstrukci trubkových svazků v zařízení na výměnu tepla je zvlášť vhodná bajonetová teplosměnná trubka /1/ sestávající z vnější trubky, neboli prvního trubkového členu /4/, a vnitřní trubky, neboli druhého trubkového členu /2/, připojených k dělěné rozváděcí trubce /8/. ŕ

Description

Zařízení pro výměnu tepla

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro výměnu tepla s nádobou, přičemž tato nádoba je vymezená boční stěnou; s prvním trubkovým členem, který má první konec a druhý konec opatřený uzávěrem; s druhým trubkovým členem, který má první konec a druhý konec vzdálený od uzávěru prvního trubkového členu, přičemž druhý trubkový člen je uspořádán uvnitř prvního trubkového členu, kde průtočná dráha prochází druhým trubkovým členem a prstencovým prostorem mezi druhým trubkovým členem a prvním trubkovým členem; s přívodem tekutiny, procházejícím boční stěnou nádoby; a s výstupem tekutiny, procházejícím boční stěnou nádoby.

Dosavadní stav techniky

V řadě procesů, které se provádějí v promíchávané nádobě, se teplo přenáší z kapaliny uvnitř nádoby na sekundární tekutinu, která protéká svislými trubkami, jež tvoří přepážky pro kapalinu uvnitř nádoby. Svislé trubkové přepážky tvoří jednak promíchávací přepážky, které brání tvorbě vírů kolem rotujícího míchadla, jímž se promíchává kapalina uvnitř nádoby, a jednak tvoří teplosměnnou plochu. Trubkové přepážky se používají v řadě technických procesů.

Velkou nevýhodou svislých trubkových přepážek je to, že se nemohou tepelně roztahovat a vydržet tedy velké teplotní rozdíly mezi tekutinou protékající trubkami a kapalinou uvnitř nádoby. Tepelná roztažnost a smršťování představuje velice závažný problém, používá-li se dlouhých trubek, zejména trubek uspořádaných v jediném trubkovém svazku. V takových trubkových svazcích mohou vstupní a výstupní sběrné trubky popraskat v důsledku namáhání. Namáhání vyvolané tepelnou roztažností je menší v trubkových svazcích ve tvaru písmene U, avšak taková konstrukce není dostatečné kompaktní a omezuje teplosměnnou plochu, kterou má trubkový svazek s pevnými vnějšími rozměry. Trubkové svazky ve tvaru písmene U mají rovněž poměrně nízký součinitel přestupu tepla a vyžadují složité uspořádání sběrného potrubí.

Z těchto důvodů je velice žádoucí vytvořit trubkový svazek tak, aby se u něj nevyskytovaly problémy vyvolané tepelnou roztažností, zejména v promíchávané nádobě.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky řeší zařízení na výměnu tepla s nádobou, přičemž tato nádoba je vymezena boční stěnou; s prvním trubkovým členem, který má první konec a druhý konec opatřený uzávěrem; s druhým trubkovým členem, který má první konec a druhý konec vzdálený od uzávěru prvního trubkového členu, přičemž druhý trubkový člen je uspořádán uvnitř prvního trubkového členu, kde průtočná dráha prochází druhým trubkovým členem a prstencovým prostorem mezi druhým trubkovým členem a prvním trubkovým členem; s přívodem tekutiny procházejícím boční stěnou nádoby; a s výstupem tekutiny, procházejícím boční stěnou nádoby, podle vynálezu, jehož podstatou je, že v nádobě je uspořádána alespoň jedna trubka, přičemž tato trubka má boční stěnu, v trubce je uspořádána přepážka dělící vnitřek trubky na první komoru a druhou komoru; že první konec prvního trubkového členu je připojen k boční stěně trubky a první konec druhého trubkového členu je připojen k přepážce, kde průtočná dráha začíná v první komoře a prochází druhým trubkovým členem, prstencovým prostorem mezi druhým trubkovým členem a prvním trubkovým členem a končí ve druhé komoře; a že přívod tekutiny je spojen s první komorou a výstup tekutiny je spojen s druhou komorou.

-1 CZ 286001 B6

Tím vznikne dráha proudění od první komory druhým trubkovým členem, prstencovým prostorem mezi prvním a druhým trubkovým členem a do druhé komory. Boční stěnou nádoby prochází první přívod tekutiny, připojený k první komoře. Ke druhé komoře je připojen výstup tekutiny, který rovněž prochází boční stěnou nádoby. Uspořádání je kompaktní, jednoduché a vyznačuje se vysokým součinitelem přestupu tepla, přičemž pracuje bez tepelných namáhání trubek a spojovacích svarů.

Podle výhodného provedení vynálezu má boční stěna nádoby v podstatě válcovou vnitřní plochu, přičemž nádoba má podélnou osu, kolem níž je boční stěna uspořádána v podstatě symetricky; přívod tekutiny je tvořen napájecí trubkou, procházející boční stěnou nádoby, a zakřivenou přívodní trubkou, uspořádanou v podstatě obvodově kolem vnitřní strany nádoby v odstupu od boční stěny nádoby a spojenou první komorou stoupací přívodní trubkou; a výstup tekutiny je tvořen první odváděči trubkou, procházející boční stěnou nádoby a spojenou se zakřivenou sběrnou trubkou, uspořádanou v podstatě obvodově kolem vnitřní strany nádoby v odstupu od boční stěny nádoby, přičemž stoupací výstupní trubka spojuje druhou komoru se zakřivenou sběrnou trubkou.

Podle dalšího výhodného provedení vynálezu zařízení dále obsahuje kompresor pro odvádění tekutiny z prvního výstupního prostředku tekutiny; kondenzátor pro chlazení proudu vystupujícího z kompresoru; potrubí spojující kompresor s kondenzátorem; a potrubí spojující kondenzátor se vstupním prostředkem tekutiny.

Podle výhodného provedení vynálezu při uspořádání více trubek jsou tyto trubky orientovány v podstatě radiálně vůči podélné ose nádoby, přičemž každá z trubek má vnitřní konec a vnější konec, dále první trubkové členy a druhé trubkové členy, připojené k trubkám, dále stoupací přívodní trubky spojující každou z v podstatě radiálně uspořádaných trubek se zakřivenou přívodní trubkou a stoupací výstupní trubky spojující každou z v podstatě radiálně uspořádaných trubek se zakřivenou sběrnou trubkou.

Podle výhodného provedení vynálezu je zakřivená přívodní trubka stoupací přívodní trubkou spojena s vnitřní koncovou částí každé v podstatě radiálně uspořádané trubky a vnější koncová část každé v podstatě radiálně uspořádané trubky je stoupací výstupní trubkou spojena se zakřivenou sběrnou trubkou.

V prstencovém prostoru mezi prvním trubkovým členem a druhým trubkovým členem jsou s výhodou uspořádány rozpěrky pro udržování odstupu prvního trubkového členu od druhého trubkového členu.

Podle dalšího výhodného provedení vynálezu má nádoba homí konec a dolní konec a je uspořádána v podstatě svisle, takže má homí část a dolní část, s tím, že přívod tekutiny a výstup tekutiny jsou uspořádány v dolní části nádoby, a že první trubkový člen a druhý trubkový člen vystupují z oblasti uspořádání přívodu tekutiny a výstupu tekutiny směrem k homí části nádoby.

Podle dalšího výhodného provedení vynálezu zařízení dále obsahuje míchací ústrojí s hřídelem, uspořádaným uprostřed nádoby koaxiálně s podélnou osou nádoby, s pohonem spojeným s hřídelem a s oběžnými koly upevněnými na hřídeli, přičemž průměr oběžných kol je nanejvýš roven průměru prázdného pásma, ohraničeného trubkovými členy, uspořádanými nejblíže vnitřnímu konci radiálně uspořádané trubky.

Podle dalšího výhodného provedení vynálezu zařízení dále obsahuje přívody pro zavádění živných médií a uhlíkatého zdroje energie do nádoby; přívod plynu pro zavádění plynu do nádoby; výstup pro odvádění fermentu z dolní koncové části nádoby; a odplyňovací ústrojí pro odplyňování pěny, uspořádané v homí části nádoby a umístěné na jejím vnějším obvodu.

-2CZ 286001 B6

Zařízení dále s výhodou obsahuje potrubí pro přívod amoniaku, spojené s přívodem tekutiny.

Teplosměnná tekutina se zavádí do nádoby vstupem, který prochází stěnou nádoby. Ze vstupuje teplosměnná tekutina rozváděna do velkého počtu teplosměnných trubek, z nichž každá má první konec a druhý konec, připojený ke vstupu. Teplosměnná tekutina proudí z prvního konce prvních teplosměnných trubek do jejich druhého konce, odtud proudí do prvního konce druhých teplosměnných trubek, které jsou umístěny soustředěně kolem prvních teplosměnných trubek, od prvního konce druhých teplosměnných trubek proudí tekutina prstencovými prostory mezi prvními a druhými teplosměnnými trubkami do druhého konce druhých teplosměnných trubek, odkud je odváděna a shromažďována ve výstupu, který prochází stěnou nádoby, a je odváděna z nádoby.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s výkresy, kde obr. 1 znázorňuje dílčí podélný řez trubkovým svazkem, znázorňujícím některé znaky vynálezu, obr. 2 schematicky výměník tepla z obr. 1 ve směru stejně označených šipek, obr. 3 částečně schematické znázornění výměníku z obr. 1 ve směru označených šipek obr. 4 podélný řez částí výměníku, znázorňující některé znaky vynálezu, jak je patrný v pohledu ve směru šipek na obr. 1, obr. 5 část přístroje z obr. 1, obr. 6 část teplosměnná trubky, obr. 7 příčný řez částí výměníku z obr. 1 v pohledu šipek 7, obr. 8 podélný řez, částečně schematický a znázorňující další znaky vynálezu, a obr. 9 příčný řez, vedený rovinou 9-9 na obr. 8.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 4 je znázorněn první trubkový člen 4, který zde představuje vnitřní trubku, a druhý trubkový člen 2, který zde představuje vnější trubku, které spolu tvoří bajonetovou teplosměnnou trubku 1. Druhý trubkový člen 2 ústí do vstupní komory 6 dělené rozváděči trubky 8. První trubkový člen 4 ústí do výstupní komory 10 dělené rozváděči trubky 8. Teplosměnná tekutina vstupuje do vstupní komory 3 a vzniká do vnitřku vnější trubky neboli druhého trubkového členu 2, který je obklopen vnější trubkou, představující první trubkový člen 4 o větším průměru. Vstupující teplosměnná tekutina prochází druhým trubkovým členem 2 zdola nahoru, obrací svůj směr v uzávěru 12, provedeném ve formě čepičky, na konci prvního trubkového členu 4 a proudí zpátky dolů prstencovým prostorem 28 mezi druhým trubkovým členem 2 a prvním trubkovým členem 4. Tepelné roztažení mezi prvním trubkovým členem 4 a druhým trubkovým členem 2 nastává v oblasti uzávěru 12, takže nevznikají tepelná pnutí.

Druhý trubkový člen 2 a první trubkový člen 4 mohou být umístěny v jakémkoli požadovaném směru. S výhodou jsou uloženy svisle nahoru nebo svisle dolů, s výhodou svisle nahoru, když jimi má procházet dvoufázové médium. Dělenou rozváděči trubku 8 lze charakterizovat jako trubku, v níž je umístěna přepážka 14. Účelně je přepážka 14 uložena v rozváděči trubce 8 diametrálně, rozděluje ji na první komoru, která slouží jako vstupní komora 6, a na druhou komoru, sloužící jako výstupní komora 10. První konec 16 prvního trubkového členu 4 je připojen k dělené rozváděči trubce 8 a druhý konec je uzavřen uzávěrem 12, například čepičkou. První konec 20 druhého trubkového členu 2 je připevněn k přepážce 14 a druhý konec leží s mezerou od uzávěru 12 prvního trubkového členu 4. První konec 20 druhého trubkového členu 2 ústí do otvoru 24 v přepážce 14, takže dráha proudění probíhá od první vstupní komory 6 vnitřkem 26 druhého trubkového členu 2 do prstencového prostoru 28 mezi vnější stěnou druhého trubkového členu 2 a vnitřní stěnou prvního trubkového členu 4 a do druhé výstupní komory K).

-3CZ 286001 B6

Jak je znázorněno na obr. 1, prochází boční stěnou 32 nádoby 34 přívod 30 tekutiny, připojený ke vstupní komoře 6. Boční stěnou 32 nádoby 34 prochází rovněž výstup 36 tekutiny připojený k výstupní komoře 10.

Podle výhodného provedení vynálezu může nádoba 34 obsahovat tekutiny, s výhodou kapaliny nebo směs kapaliny a plynu, a může být konstruována podobně jako nádoba podle obr. 8. Část boční stěny 32 tvoří obecně válcovou vnitřní plochu 38 nádoby 34, která je souměrná vzhledem k podélné ose 38 nádoby 34, viz obr. 8. Obecně jsou rozměry nádoby 34 zvoleny tak, aby poměr výšky k průměru ležel v rozmezí asi od 0,1 : 1 až do asi 10 : 1. S výhodou je poměr délky a průměru nádoby 34, které má být použito jako fermentoru, v rozmezí asi od 0,3 až asi do 5 : 1, přičemž nejvýhodnější poměr výšky k průměru spadá do rozmezí asi od 1 do 4 : 1.

Přívod 30 tekutiny sestává s výhodou z napájecí trubky 40, která prochází boční stěnou 32 nádoby 34 aje s výhodou spojena se zakřivenou přívodní trubkou 42. Přívodní trubka 42 probíhá po obvodu vnitřní stěny nádoby 34, leží však od ní s mezerou. Přívodní trubka 42 je s výhodou propojena se vstupní komorou 6 stoupací přívodní trubkou 44. V zařízení pro výměnu tepla bude uspořádáno velké množství dělených rozváděčích trubek 8, takže velké množství stoupacích přívodních trubek 44 bude spojovat každou zakřivenou přívodní trubku 42 s velkým počtem dělených rozváděčích trubek 8. Podle výhodného provedení jsou stoupací přívodní trubky 44 připojeny k vnitřní části dělených rozváděčích trubek 8.

Výstup 36 tekutiny sestává s výhodou z první odváděči trubky 11, která prochází boční stěnou 32 nádoby 34 (obr. 1) a je s výhodou připojena k zakřivené sběrné trubce 7, která obíhá po vnitřní stěně nádoby 4 s mezerou od boční stěny 32, s výhodou mezi bajonetovými teplosměnnými trubkami 1 a obecně válcovou částí stěny 32. Stoupací výstupní trubka 46 spojuje výstupní komoru 10 dělené rozváděči trubky 8 se zakřivenou sběrnou trubkou 7. V zařízení je uspořádán velký počet dělených rozváděčích trubek 8 a tedy i stejný počet stoupacích výstupních trubek 46.

Ve výhodném provedení vynálezu je teplosměnnou tekutinou chladivo, např. amoniak. Podle obr. 8 slouží plynový kompresor 202 k odvádění tekutiny z první odváděči trubky 11. Proud vycházející z kompresoru 202 se chladí v kondensátoru 204, připojeném ke kompresoru potrubí 206. Kondenzátor 204 je spojen potrubím 208 s napájecí trubkou 40. Účelně je v potrubí 208 uspořádáno čerpadlo 210. které zajišťuje proudění tekutiny z výstupu kondenzátoru 204 do bajonetových teplosměnných trubek 1. První odváděči trubka 11 je spojena s kompresorem 202 potrubím 212.

Ve výhodném provedení vynálezu je v nádobě 34 uspořádán větší počet dělených rozváděčích trubek 8, které jsou obecně orientovány radiálně vzhledem k podélné ose nádoby 34· Účelně jsou dělené rozváděči trubky 8 sestaveny do skupin po třech až dvanácti, které tvoří trubkové svazky, a jsou sestaveny na tětivách, procházejících nádobou 34 v blízkosti jejího obvodového průměru. Bajonetové teplosměnné trubky 1, vycházející z dělených rozváděčích trubek 8 jako svazek 52 rovnoběžných trubek, jsou s výhodou rovnoběžné s podélnou osou nádoby 34· Dělené rozváděči trubky 8 jsou účelně umístěny v dolní části nádoby 34 a bajonetové teplosměnné trubky 1 z nich vystupují směrem nahoru. Teplosměnné bajonetové trubky 1 v sousedních řadách jsou přesazené, takže leží ve vrcholech trojúhelníka (obr. 2 a 3).

Jednotlivé bajonetové teplosměnné trubky 1 jsou podepřeny tyčemi dvou tyčových mezistěn 48, 50. Každá z tyčových mezistěn 48, 50 obsahuje dostatečný počet tyčí 54 tak, aby každá bajonetová teplosměnná trubka 1 v trubkovém svazku 52 byla podepřena tyčovou mezistěnou 48 nebo 50 ze dvou stran, takže dvojice tyčových mezistěn 48, 50 podpírá společně každou bajonetovou teplosměnnou trubku 1 ze čtyř stran a tvoří pro ni pevnou radiální podpěru. Když je to žádoucí, mohou být tyče 54 každé tyčové mezistěny 48, 50 umístěny mezi každou druhou řadou trubek, jak ukazuje například obr. 9; v tomto případě je pro radiální podepření každého trubkového svazku 52 potřeba čtyř tyčových mezistěn. Toto provedení vyvolává menší úbytek

-4CZ 286001 B6 tlaku v kapalině proudící po délce trubkových svazků 52. Je důležité, aby tyče 54 tyčových mezistěn 48, 50 byly dimenzovány tak, aby se dotýkaly a podpíraly bajonetové teplosměnné trubky 1 po obou stranách průchodu, kterým procházejí. Požadované průřezové rozměry tyčí 54 závisejí na průřezu průchodů, v nichž jsou tyto tyče 54 uloženy. Tyče 54 mohou mít kruhový, eliptický, čtvercový nebo obdélníkový průřez. Aby se vytvořil bodový styk mezi každou tyčí 54 a bajonetovou teplosměnnou trubkou 1, je nej výhodnější, aby tyče 54 byly oblé. Bodový styk mezi bajonetovou teplosměnnou trubkou 1 a tyčí 54 usnadňuje čištění trubkového svazku 52, což je velice důležité, když trubkový svazek 52 slouží ke chlazení fermentačního pochodu, jak bude popsáno dále.

Tyčové mezistěny 48, 50 slouží ktomu, aby zabránily vzájemným nárazům bajonetových teplosměnných trubek 1 a poškození trubkových svazků 52 během provozu a rovněž brání pohybu bajonetových teplosměnných trubek 1, který by mohl mít za následek únavový lom v místech spojení mezi vnějšími trubkami, to jest prvními trubkovými členy 4, a dělenou rozváděči trubkou 8. Aby se zabránilo poškození vnitřním nárazem mezi vnitřní trubkou, to jest druhým trubkovým členem 2, a vnější trubkou, to jest prvním trubkovým členem 4, je vhodné uspořádat mezi každým druhým trubkovým členem 2 a prvním trubkovým členem 4 rozpěrky 256 (obr. 6). S výhodou jsou rozpěrky 256 přivařeny k vnější straně druhého trubkového členu 2, jsou s výhodou protáhlé a procházejí po délce vnější plochy druhého trubkového členu 2, aby nevyvolávaly odpor proti proudění. Podle výhodného provedení jsou rozpěrky 256 ze svařovacích tyčí, které mají takový rozměr, aby podpíraly druhý trubkový člen 2 v prvním trubkovém členu 4. Rozpěrky 256 jsou s výhodou upevněny na vnější ploše druhého trubkového členu 2 a tvoří jeho radiální opěru v prvním trubkovém členu 4. Každý druhý trubkový člen 2 je tedy podepřen v každém prvním trubkovém členu 4 rozpěrkami 256 alespoň ve třech bodech.

Jak ukazuje obr. 5, je účelné, aby první tyčová mezistěna 48 byla vytvořena z pásu 56, jenž obepíná trubkový svazek 52. Z obou pásu 56 vystupují, s výhodou radiálně, pruty 90, které leží na tětivách v blízkosti obvodového průměru nádoby 34 a jsou s výhodou rovnoběžné s trubkovými řadami. Těmito radiálními pruty 90 jsou pásy 56 a tedy i trubkové svazky 52 a tyčové mezistěny 48, 50 připojeny ke stěně nádoby 34. Od pásu 56 vystupují v podstatě napříč ke směru trubkových řad příčné pruty 92, které tvoří přídavnou opěru pro trubkový svazek 52 a umožňují, aby vydržel namáhání vznikající mícháním tekutiny v nádobě 34· Příčné vzpěry 94 spojují sousední pásy 56 a jsou uspořádány šikmo ve stejném směru kolem trubkového svazku 52, aby odolával zkrutným silám.

V případě použití trubkového svazku 52 ve fermentoru pro kultivaci kvasinek nebo bakterií je žádoucí, aby jeho konstrukce byla dostatečně otevřená a umožňovala důkladné čištění mezi jednotlivými šaržemi. Z toho důvodu jsou žádoucí široké mezery mezi jednotlivými bajonetovými teplosměnnými trubkami 1. K podepření teplosměnných trubek 1, které mají mezi sebou velké mezery, je třeba poměrně velkých tyčí 54. Je žádoucí, aby tyče 54 byly uloženy pod ostrými úhly a procházely pod těmito úhly trubkovými svazky 52 tak, aby nezbytné zvětšení průměru tyčí 54, vyvolané zvětšením vzdálenosti mezi trubkovými řadami, nemuselo být příliš velké. Obecně lze konstatovat, že v případě, kdy je mezera mezi sousedními bajonetovými teplosměnnými trubkami 1 v jedné řadě v rozmezí přibližně od 0,5 D do 2,5 D, kde je vnější průměr bajonetových teplosměnných trubek 1, je mezera mezi sousedními trubkovými řadami v rozmezí přibližně od 2 D do 4 D a tyče 54 mají průměr v rozmezí přibližně od 0,5 D do D.

Obr. 8 a 9 znázorňují výhodné provedení vynálezu, použitého jako fermentor.

Nádoba 34 podle obr. 8 je vybavena míchadlem, jehož hřídel 130 je poháněn pohonem 130. Na hřídeli 130 jsou upevněna dvě oběžná kola 156, 158, z nichž každé sestává z kotouče 152, 154, na němž je upevněna soustava lopatek 151, 153. Podle výšky nádoby 34, jejího průměru, rozměrů teplosměnné soustavy atd. lze použít většího počtu oběžných kol. Jak je znázorněno na obr. 8, je výhodné, aby nejspodnější oběžné kolo 156 bylo umístěno v těsné blízkosti plynového

-5CZ 286001 B6 rozdělovače 149 pro usnadnění přenosu kyslíku ve fermentačním médiu. Pod pojmem těsná blízkost se rozumí, že mezera mezi nejspodnějším oběžným kolem a plynovým rozdělovačem je asi 1/3 až 1/10 průměru oběžného kola.

Další oběžná kola mohou být upevněna na hřídeli 130 v nejrůznějších vzájemných orientacích. Pro snadnou montáž na hřídeli 130 mohou být tato oběžná kola upevněna na hřídeli ve stejných vzdálenostech, přičemž nejhořejší oběžné kolo leží s výhodou asi v 60 % výšky nádoby 34, jak je seznatelné z obr. 8 v případě oběžného kola 158.

Celkové rozměry nádoby 34 jsou zvoleny tak, aby poměr její výšky ku jejímu průměru ležel v rozmezí od 0,1 : 1 až 10 : 1. S výhodou je poměr výšky ku průměru fermentační nádoby 34 v rozmezí od 0,3 : 1 do 5 : 1 a nej účelněji v rozmezí 1 : 1 až 4 : 1.

Teplosměnná tekutina se přivádí do rovnoběžných bajonetových teplosměnných trubek 1 přívodem 30, jak je znázorněno na obr. 8. Přívod 30 je připojen k potrubí 208 pro přívod teplosměnné tekutiny, s výhodou kapalného amoniaku, který vstupuje přívodem 30 a po výměně tepla, tedy po průchodu bajonetovými teplosměnnými trubkami 1 trubkového svazku 52, je odváděn výstupem 36. V nádobě 34 je použito s výhodou alespoň dvou přepážek ve formě trubkových svazků 52 sestávajících z rovnoběžných bajonetových teplosměnných trubek L Jak ukazuje obr. 8, sestává každá přepážka ze svazku rovnoběžných trubek v rovnoběžných řadách. Bajonetové teplosměnné trubky 1 v každé přepážce odpovídají zpravidla 25 až 90 % délky rovné, obvykle válcové části nádoby 34, nepočítaje v to vyklenutou homí a dolní část nádoby.

Uvnitř nádoby 34 může být uspořádán nejrůznější počet trubkových svazků 52, což závisí na rozměru trubkových svazků 52, na počtu trubek v trubkovém svazku atd. V nádobě 34 může být uspořádáno až 30 trubkových svazků, přičemž výhodným počtem je čtyři až dvacetčtyři trubkových svazků.

Lopatky 151 mohou být upevněny na kotouči 152 nejrůznějším způsobem, například kolmo k jeho rovině a radiálně od jeho svislé osy, nebo mohou svírat lopatky 151 s osou kotouče 152 jistý úhel. Alternativně lze použít jiné konstrukce oběžných kol, než jaká jsou znázorněna na výkresech, například axiálních oběžných kol, oběžných kol na způsob lodního šroubu a podobně. Podle výhodného provedení je nejspodnější oběžné kolo 156 vybaveno velkým počtem lopatek, které jsou kolmé k jeho rovině, zatímco případná další oběžná kola mohou mít stejné provedení nebo mohou být jiného typu.

Homí hranice průměru oběžného kola je dána vnitřním průměrem trubkových svazků 52, které tvoří v nádobě 34 teplosměnnou soustavu, tedy vnitřní strany vnitřních bajonetových teplosměnných trubek 1, upevněných na dělené rozváděči trubce 8. Průměr oběžného kola, který se blíží k této homí hranici, dává maximální míchací výkon. Je žádoucí, aby průměr oběžného kola nebyl menší než přibližně 10% celkového vnitřního průměru nádoby 34, přičemž průměr oběžného kola zpravidla nepřevyšuje 40 % celkového vnitřního průměru nádoby. S výhodou je průměr oběžného kola přibližně 20 % až 30 % celkového vnitřního průměru nádoby 34.

Jak ukazuje obr. 8, je fermentační nádoba 34 opatřena prvním přívodem 146, druhým přívodem 147 a plynovým přívodem 145. Třebaže jsou znázorněny dva přívody 146, 147. mohou být všechny složky zaváděné do fermentoru přiváděny jediným přívodem nebo naopak větším počtem přívodů, kterými se zavádějí jednotlivé složky odděleně. Např. v řadě fermentačních pochodů je žádoucí zavádět živné médium, uhlík a zdroj energie odděleně. Třebaže přívody 146, 147 mají každý jeden vypouštěcí otvor, lze rozděleného zavádění složek dosáhnout pomocí přívodů s větším počtem výstupních otvorů. Kromě toho mohou být vstupní otvory vhodně umístěny v různých polohách po obvodu fermentační nádoby 34, přičemž jejich polohu často ovlivňují hlediska úspornosti konstrukce.

-6CZ 286001 B6

Plynový vstup 145 slouží k zavádění kyslíku a případně zdroje dusíku do nádoby 34· Plyn zaváděný plynovým přívodem 145 vstupuje do nádoby 34 plynovým rozdělovačem 149. Plynový rozdělovač 149 je s výhodou umístěn ve fermentoru souměrně vzhledem k jeho podélné ose a jeho postranní stěna je opatřena soustavou děr. Průměr plynového rozdělovače 149 není s výhodou větší než průměr nej spodnějšího oběžného kola, pod kterým je výstupní strana plynového rozdělovače 149 umístěna.

Způsob zavádění plynu, umístění oběžného kola 156 v bezprostřední blízkosti plynového rozdělovače 149 a poloha trubkových svazků 52 přispívají ke krajně vysokému přenosu kyslíku, který zajišťuje fermentační nádoba podle vynálezu. Fermentační nádoba podle vynálezu je schopna zajistit přenos kyslíku v rozmezí nejméně asi 300 mmol kyslíku na litr za hod. (mmol O₂1/h). Kromě toho je odvod tepla z nádoby podle vynálezu dostatečně velký, aby bylo možno odvádět účinně velké množství tepla vzniklého fermentací, které je zase generováno v důsledku vysokého množství kyslíku, které je k dispozici pro fermentující médium. Ve fermentační nádobě podle vynálezu je dosažitelný odvod tepla řádově nejméně 36 kcal/litr/h.

Fermentační nádoba 34 je rovněž vybavena odváděči trubkou 148 pro odvádění fermentu. Když se fermentace provádí spojitě, lze odváděči trubkou 48 odvádět ferment spojitě nebo přerušovaně a současně zavádět čerstvé živné složky prostřednictvím přívodů 145, 146, 147.

Fermentační nádoba 34 je dále opatřena nejméně jedním odpěňovačem, například rozbíječem pěny popsaným v patentovém dokumentu U.S. č. 4 373 024, nebo soustavou prvků 162, 164, 166, tvořících podle obr. 8 odpěňovač. Na hřídeli 164, který je poháněn pohonem 166, jsou upevněny kužely 162. Náraz zpěněného fermentu na rotující kužely 162 způsobí rozrušení pěny a návrat kapaliny do hlavní části fermentační nádoby, zatímco uvolněný plyn opouští fermentor odplyňovací trubkou 168. Třebaže je podle vynálezu umístěn nejméně jeden odpěňovač, dostatečnou kapacitu pro rozrušení pěny, jejíž množství se předpokládá pro daný fermentační proces, může zajistit větší počet rozbíječů pěny, které jsou umístěny pod homí vypouklou částí nádoby 34.

Aerobní vodný fermentační proces potřebuje molekulární kyslík, který je dodáván plynem obsahujícím molekulární kyslík, jako je vzduch, vzduch obohacený kyslíkem nebo přímo v podstatě čistý molekulární kyslík, takže parciální tlak kyslíku ve fermentu se udržuje na takové výši, aby umožňoval růst mikroorganismů nebo biochemickou přeměnu substrátu v nádobě. Při použití okysličeného uhlovodíkového substrátu lze celkový požadavek na kyslík pro růst nebo přeměnu substrátu mikroorganismy odečíst od požadavků, použije-li se parafín.

Tlak používaný při mikrobiologické fermentaci může být v širokém rozmezí. Typické tlaky jsou v rozmezí asi od 0 do 1,035 MPa, s výhodou od 0 do 0,414 MPa, nej výhodněji mezi 0,242 až 0,276 MPa, což představuje rovnováhu mezi nákladem na zařízení a jeho provoz a mezi dosažitelnou rozpustností kyslíku. Tlaky vyšší než je tlak atmosférický jsou výhodné tím, že zvětšují koncentraci rozpuštěného kyslíku ve vodném fermentu, což zase zvyšuje rychlost buněčného růstu. Je to ovšem vyváženo tím, že vysoké provozní tlaky zvyšují provozní náklady i cenu zařízení.

Chladivo má zpravidla takový tlak a průtočnou rychlost, aby směs plynu a kapaliny, odváděná z trubkového svazku 52 měla teplotu v rozmezí od 0 °C do 10 °C.

Obměny as modifikace vynálezu, který byl popsán v předchozím textu, patří do rámce tohoto vynálezu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení pro výměnu tepla s nádobou (34), přičemž tato nádoba (34) je vymezena boční stěnou (32); s prvním trubkovým členem (4), který má první konec (16) a druhý konec (18) opatřený uzávěrem (12); s druhým trubkovým členem (2), který má první konec (20) a druhý konec (22) vzdálený od uzávěru (12) prvního trubkového členu (4), přičemž druhý trubkový člen (2) je uspořádán uvnitř prvního trubkového členu (4), kde průtočná dráha prochází druhým trubkovým členem (2) a prstencovým prostorem (28) mezi druhým trubkovým členem (2) a prvním trubkovým členem (4); s přívodem (30) tekutiny, procházejícím boční stěnou (32) nádoby (34); a s výstupem (36) tekutiny, procházejícím boční stěnou (32) nádoby (34), vyznačující se tím, že v nádobě (34) je uspořádána alespoň jedna trubka (8), přičemž tato trubka (8) má boční stěnu, v této trubce (8) je uspořádána přepážka (14) dělící vnitřek trubky (8) na první komoru (6) a druhou komoru (10); že první konec (16) prvního trubkového členu (4) je připojen k boční stěně trubky (8) a první konec (20) druhého trubkového členu (2) je připojen k přepážce (14), kde průtočná dráha začíná v první komoře (6) a prochází druhým trubkovým členem (2), prstencovým prostorem (28) mezi druhým trubkovým členem (2) a prvním trubkovým členem (4) a končí ve druhé komoře (10); a že přívod (30) tekutiny je spojen s první komorou (6) a výstup (36) tekutiny je spojen s druhou komorou (10).
2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že boční stěna (32) nádoby (34) má v podstatě válcovou vnitřní plochu (38), přičemž nádoba (34) má podélnou osu (138), kolem níž je boční stěna (32) uspořádána v podstatě symetricky; že přívod (30) tekutiny je tvořen napájecí trubkou (40), procházející boční stěnou (32) nádoby (34), a zakřivenou přívodní trubkou (42), uspořádanou v podstatě obvodově kolem vnitřní strany nádoby (34) v odstupu od boční stěny (32) nádoby (34) a spojenou s první komorou (6) stoupací přívodní trubkou (44); a že výstup (36) tekutiny je tvořen první odváděči trubkou (11), procházející boční stěnou (32) nádoby (34) a spojenou se zakřivenou sběrnou trubkou (7), uspořádanou v podstatě obvodově kolem vnitřní strany nádoby (34) v odstupu od boční stěny (32) nádoby (34), přičemž stoupací výstupní trubka (46) spojuje druhou komoru (10) se zakřivenou sběrnou trubkou (7).
3. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje kompresor (202) pro odvádění tekutiny z výstupu (36) tekutiny; kondenzátor (204) pro chlazení proudu vystupujícího z kompresoru (202); potrubí (206) spojující kompresor (202) s kondenzátorem (204); a potrubí (208) spojující kondenzátor (204) s přívodem (30) tekutiny.
4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že v případě uspořádání více trubek (8) jsou tyto trubky (8) orientovány v podstatě radiálně vůči podélné ose (138) nádoby (34), přičemž každá z trubek (8) má vnitřní konec a vnější konec, dále první trubkové členy (4) a druhé trubkové členy (2), připojené k trubkám (8), dále stoupací přívodní trubky (44) spojující každou z v podstatě radiálně uspořádaných trubek (8) se zakřivenou přívodní trubkou (42) a stoupací výstupní trubky (46) spojující každou z v podstatě radiálně uspořádaných trubek (8) se zakřivenou sběrnou trubkou (7).
5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že zakřivená přívodní trubka (42) je stoupací přívodní trubkou (44) spojena s vnitřní koncovou částí každé v podstatě radiálně uspořádané trubky (8); a že vnější koncová část každé v podstatě radiálně uspořádané trubky (8) je stoupací výstupní trubkou (46) spojena se zakřivenou sběrnou trubkou (7).

-8CZ 286001 B6
6. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že v prstencovém prostoru (28) mezi prvním trubkovým členem (4) a druhým trubkovým členem (2) jsou uspořádány rozpěrky (256) pro udržování odstupu prvního trubkového členu (4) od druhého trubkového členu (2).
7. Zařízení podle nároku 6, vyznačující se tím, že nádoba (34) má homí konec a dolní konec a je uspořádána v podstatě svisle, takže má homí část a dolní část; že přívod (30) tekutiny a výstup (36) tekutiny jsou uspořádány v dolní části nádoby (34); a že první trubkový člen (4) a druhý trubkový člen (2) vystupují z oblasti uspořádání přívodu (30) tekutiny a výstupu (36) tekutiny směrem k homí části nádoby (34).
8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že dále obsahuje míchací ústrojí s hřídelem (130), uspořádaným uprostřed nádoby (34) koaxiálně s podélnou osou (138) nádoby (34), s pohonem (139) spojeným s hřídelem (130) a s oběžnými koly (156, 158) upevněnými na hřídeli (130), přičemž průměr oběžných kol (156, 158) je nanejvýš roven průměru prázdného pásma, ohraničeného trubkovými členy, uspořádanými nejblíže vnitřnímu konci radiálně uspořádané trubky (8).
9. Zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že dále obsahuje přívody (146, 147) pro zavádění živných médií a uhlíkatého zdroje energie do nádoby (34); přívod (145) plynu pro zavádění plynu do nádoby (34); výstup (148) pro odvádění fermentu z dolní koncové části nádoby (34); a odplyňovací ústrojí (162, 164, 166) pro odplyňování pěny, uspořádané v homí části nádoby (34) a umístěné na jejím vnějším obvodu.
10. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že dále obsahuje potrubí (208) pro přívod amoniaku, spojené s přívodem (30) tekutiny.