FI86600C - Saett att blanda ihop vaetska, fastaemne och gas samt att ur vaetskan samtidigt avskilja gas eller gas och fastaemne. - Google Patents

Description

1 86600

TAPA SEKOITTAA NESTETTÄ, KIINTOAINETTA JA KAASUA KESKENÄÄN SEKÄ EROTTAA NESTEESTÄ SAMANAIKAISESTI KAASUA TAI KAASUA JA KIINTOAINETTA

Tämä keksintö kohdistuu tapaan ylläpitää yli koko reaktoritilavuuden poikkipinnan ulottuva sekoitus kiintoainetta ja kaasua sisältävässä nesteessä, sekä samanaikaisesti erottaa nesteestä kaasua tai sekä kaasua että kiintoainetta. Keksintö kohdistuu myös laitteistoon, jonka avulla sekoitus ylläpidetään ja samalla poistetaan vähintään yhtä faasia sekoitettavasta nesteestä. Erityisen edullisesti tämä tapa ja laitteisto soveltuu bioreaktorien sekoitukseen, sekä kaasun ja kiintoaineen poistamiseen reaktorista.

Sekoitukseen käytetään varsin yleisesti erityyppisiä lapasekoittimia, ja useaan sekoitustarpeeseen ne riittävätkin. Kuitenkin, jos on tarpeen, että sekoitus ulottuu yli koko nestetilavuuden, tähän tarkoitukseen sopivien sekoittimien määrä on varsin rajallinen. US patenttijulkaisussa 4 648 973 on kuvattu laitteisto, joka muodostuu kahdesta sisäkkäisestä putkesta. Sekoitettava neste virtaa sisemmässä putkessa alaspäin, ja tähän putkeen on sijoitettu myös lapasekoitin. Nesteeseen johdetaan kaasua sisempään putkeen venturien kautta, ja tämä saa aikaan sekoittumista. Laitteen alaosassa nesteen suunta käännetään ja se virtaa ulommassa putkessa ylöspäin ja kiertää jälleen sisäputkeen. Käytännössä on todettu, että tällä laitteella saadaan aikaan yli koko nestepinnan ulottuva sekoitus, mutta koska sekoituksen yhteydessä tapahtuvien reaktioiden kannalta on tärkeää, että tämä laitteisto rakennetaan varsin korkeaksi, se asettaa rajoituksia laitteiston käytölle. Jos on vielä tarkoituksena erottaa nesteestä jotain toista nestettä 2 86600 tai kiintoainetta, on edellä kuvattu laite käytännössä vaikeasti sovellettavissa tähän tarkoitukseen.

Varsin hyvä, yli koko nesteen poikkipinnan ulottuva sekoitus saadaan aikaan myös erilaisilla spiraali-sekoittimilla. Spiraalisekoittimia käytetään usein korkean viskositeetin omaavien nesteiden sekoittamiseen. Tällöin on useimmiten päädytty ratkaisuun, jossa sekoittimen halkaisija on vähintään 0,9 kertaa reaktorin halkaisija. Tällaista sekoitinta on kuvattu mm. US patenttijulkaisussa 4 022 438, jossa on kuvattu kahdesta lattaraudasta muodostettua spiraalisekoitinta.

Sekoittimet voivat olla myös yhdestä putkesta tai latasta muodostettuja. Koska sekoitin jo täyttää lähes koko reaktoripoikkipinnan, ei reaktoreissa enää ole virtaushaittoja. Yleensä latan leveys on 10% spiraali-sekoittimen halkaisijasta. Spiraalisekoittimet on tavallisesti asennettu pyörimään niin, että niiden muodostama virtauskuvio on reunoilta alaspäin ja keskeltä ylöspäin.

On myös esitetty sekoitusratkaisuja, joilla voidaan vaikuttaa kaasun viipymäaikaan sekoitusvyöhykkeessä. Eräs tällainen hallittuun vaakarengaskiertoon perustuva sekoitusmenettely on esitetty patenttihakemuksessa FI 874627. Käyttäen suurta leikkausnopeutta omaavaa erikoissekoitinta sekä staattisia pystysuoraan ja vaakasuoraan asennettuja virtausohjäimiä aikaansaadaan sekoitusvyöhykkeen alaosassa kaksi vastakkain pyörivää rengastoroidia. Koska sekoitus näissä on varsin kiivas, on myös tästä laitteesta vaikea erottaa hallitusti kaasua ja kiintoainetta. Kyseistä ratkaisua on myös ehdotettu käytettäväksi bioteknisissä sovellutuskohteissa kuten fermentoreissa, erityisesti sellaisissa tapauksissa, joissa on mahdollista käyttää suuria leikkausnopeuksia ja 3 86600 lähinnä halutaan nostaa kaasun viipymää kyseisissä fermentoreissa. Tässä suhteessa korostettu vaikutus on saatu aikaan sijoittamalla useampi sekoitusvyöhyke päällekkäin korkeissa fermentorirakenteissa.

Tämän keksinnön mukaisesti nestettä sekoitetaan reaktioastiassa käyttämättä suuria leikkausnopeuksia, mikä samalla sallii, että siitä erotetaan joko kaasua tai kiintoainetta tai näitä molempia. Reaktoritila on muotoiltu tätä tarkoitusta varten, samoin kuin sekoitukseen käytettävä spiraalisekoitinkin. Reaktoritila voidaan jakaa kolmeen eri vyöhykkeeseen, joista keskellä on reaktiovyöhyke, jossa on voimakkain sekoitus. Tämän alapuolella on suojauskartion rauhoittama erotusvyöhyke kiintoaineen erottamista varten. Vastaavasti reaktio-vyöhykkeen yläpuolella on suojakartion rauhoittama vyöhyke kaasun erottamista varten. Keksinnön mukaisesti on myös mahdollista sijoittaa useampi reaktoritila päällekkäin tietyn kemiallisen tapahtuman viemiseksi tarpeeksi pitkälle tai toisen kemiallisen tapahtuman aikaansaamiseksi toisen kemiallisen käsittelyn jälkeen. Keksintö kohdistuu myös vastaavaan laitteistoon. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät esille oheisista vaatimuksista.

Keksintöä kuvataan oheisten piirustusten avulla, jossa kuva 1 esittää periaatekuvaa eräästä keksinnön mukaisesta laitteistosta, kuva 2 esittää periaatekuvaa eräästä toisesta keksinnön mukaisesta laitteistosta, jolloin laitteisto muodostuu kahdesta päällekkäin sijoitetusta yksiköstä, ja kuva 3 esittää periaatekuvaa keksinnön sellaisesta suoritusmuodosta, jossa yksiköitä on useampi päällekkäin.

4 8 6 600

Kuvan 1 mukaisesti keksinnön mukainen sekoitus- ja erotuslaitteisto muodostuu lähinnä kiintoaineen laskeutumista ja kaasun erotusta varten muotoillusta lieriömäisestä reaktorista 1, jonka alaosa 2 on edullisesti kartiomainen laskeutuneen kiintoaineen ohjaamiseksi poistoputken suulle sekä kartiomaiseen alaosaan liitetystä keräilytilasta 3, reaktoriin sijoitetuista virtaushaitoista 4 sekä vyöhykejako-renkaasta 5, sekä edelleen varsinaisesta kierukka-sekoittimesta 6 siihen kuuluvine, erotusvyöhykkeitä suojaavine kartioineen 7 ja 8, Vyöhykejakorenkaan 5 ja kahdesta kartiosta muodostetun virtauskääntäjän 8 tarkoituksena on rauhoittaa reaktorin yläosa 9 kaasun erottumiseksi nesteestä. Keräilytilan 3 halkaisija on olennaisesti pienempi kuin reaktorin lieriömäisen osan halkaisija. Muodoltaan keräilytila on edullisesti lieriömäinen. Sekoitettava materiaali johdetaan reaktoriin sen lieriömäisen tilan alaosaan nuolen 10 mukaisesti ja poistetaan reaktorin lieriömäisen osan keskivaiheilta nuolen 11 mukaisesti. Reaktorin yläosa on varustettu laitteilla kaasun poistamiseksi nuolen 12 mukaisesti ja kiintoaine poistetaan keräilytilan kautta, sen alaosasta, kuten nuoli 13 osoittaa. Useimmiten ei ole kannattavaa poistaa kiintoainetta jatkuvasti, vaan on edullista antaa sen laskeutua ja poistaa sitä jaksottain. Siksi keräilytila on tarpeellinen.

Virtaushaitat 4 ovat normaalirakenteisia ja estävät vaakatasossa tapahtuvaa pyörimisliikettä ja vortexin syntymistä. Vyöhykejakorenkaan 5 ylä- ja alapinta ovat juoheasti kaarevat siten, että rengas kapenee reaktorin keskustaan päin. Vaakatasossa rengas ulottuu edullisesti sekoittimen akselista (joka on pystysuunnassa sijoitettu reaktorin keskipisteeseen) lähtien etäisyydeltä 0,75 kertaa reaktorin säde aina reaktorin lieriökehälle asti.

s 86600

Vyöhykejakorengas on sijoitettu reaktoriin samalle korkeudelle kuin sekoittimen yläosaan kiinnitetty virtauskääntäjä 8. Virtauskääntäjä on muotoiltu kahdesta vastakkain asetetusta kartiosta siten, että pinnat ovat juoheasti kaarevat. Suojakartio 7 on alaspäin kapeneva kartio.

Kierukka- eli spiraalisekoittimelle 6 on olennaista, että sen halkaisija on alueella 0,50 - 0,75 kertaa reaktorin halkaisija. Sekoitin on edullisesti muodostettu akselin ympärille kiinnitetystä, vähintään kahdesta putkimaisesta kierukasta sekä niiden tukivarsista. Kierukkasekoittimen alaosaan, akselin 14 ympärille, on sijoitettu suojakartio 7, joka estää reaktorin keräilytilaan laskeutuneen materiaalin nousemisen takaisin sekoitinkiertoon. Vastaavasti kierukkasekoittimen yläosaan, akselin ympärille, on sijoitettu virtauskääntäjä 8, joka estää reaktorin yläkeräilytilaan 9 nousseen kaasun sekoittumisen takaisin reaktorin virtauskiertoon. Sekoittimeen asetettujen suojakartion ja virtauskääntäjän sekä virtaushaittojen ansiosta muodostuu reaktorissa sekoitettavan nesteen virtauskuvio keskeltä alaspäin painavaksi ja reaktorin sivulta ylöspäin nousevaksi, jolloin muodostuva virtauskuvio edesauttaa nesteestä erottuvien kaasukuplien nousemista tai kiintoaine-partikkeleiden laskeutusta. Reaktorissa muodostuva nestevirtaus on siten nouseva alueella, joka on enemmän kuin 0,7 kertaa reaktorin lieriömäisen osan poikkipinnan säde, ja laskeva tämän alueen sisäpuolella.

Kuvan 2 mukaisesti reaktori 15 voi olla myös pitkänomainen siten, että sinne on sijoitettu kaksi sekoituskierukkaa 6 päällekkäin samalle akselille 14. Sekoituskierukoiden väliin sijoitettu virtauskääntäjä 8 ja vyöhykejakorengas 5 jakavat reaktorin pystysuunnassa eri vyöhykkeisiin.

‘ 86600

Kuvan 3 mukainen reaktori 16 soveltuu erityisesti sellaisiin kohteisiin, joissa hallitusti halutaan erottaa muodostunutta kaasua, kuten hiilidioksidia, rikkivetyä tai metaania. Keksinnön mukaista tekniikkaa käyttäen voidaan kyseiseen bioreaktoriin aikaansaada useita, toistensa päällä sijaitsevia sekoitusvyöhykkeitä. Esimerkkinä mainittakoon anaerobisesti toimiva mädätydsreaktori, johon käsiteltävä liete syötetään kartionmuotoisen pohjan kautta. Reaktori on jaettu kolmeen sekoitusvyöhykkeeseen 17, 18 ja 19 käyttäen avuksi reaktorin kehällä sijaitsevia vyöhykejakorenkaita 5 ja näiden tasolle sekoittimen akselille 14 sijoitettuja profiloituja virtauskääntäjiä 8. Kussakin vyöhykkeessä sijaitsee erillinen kierukkasekoitin 6, jotka kuitenkin kaikki on asennettu samalle akselille, joka ulottuu läpi reaktorin. Alin reaktorivyöhyke on kartiomainen, ja tässä vyöhykkeessä oleva sekoitin on ylöspäin laajeneva, muissa vyöhykkeissä sekoittimen halkaisija on koko korkeudeltaan sama.

Kierukkasekoittimien, vyöhykejakorenkäiden, profiloitujen virtauskääntäjien ja virtaushaittojen yhteisvaikutuksesta saadaan aikaan kussakin sekoitusvyöhykkeessä etenevä pystykiertovirtaus, josta hallitusti erotetaan muodostuvaa metaania seuraavaan ylempään sekoitus-vyöhykkeeseen. Sekoitusvyöhykkeiden keskinäistä sekoitusta voidaan tällä tekniikalla säätää halutun suuruiseksi. Eri sekoitusvyöhykkeissä voidaan ylläpitää toisistaan poikkeavia mikro-organismikulttuureja säätämällä kasvuolosuhteita kullekin edulliseksi. Ravinneaineiden syöttöä voidaan ohjata erilaiseksi sekoitusvyöhykkeittäin samalla kun lisäänytneet mikro-organismit, "biomassa", saadaan pysymään halutun keskimäärisen ajan omassa sekoitusvyöhykkeessään. Edullista on myös lähellä pintavyöhykettä käyttää li 7 86600 yksipuolista vyöhykejakorengasta 20 sekä yksipuolista virtauskääntäjää 21 kierrosta erottuvan kaasun poistumisen tasoittamiseksi reaktoriin kuuluvan lietelukon 22 kautta. Tämä järjestely parantaa myös ylimmän vyöhykkeen virtauskuviota.

Prosesseissa, mihin keksintömme erityisesti soveltuu, on tärkeää, että käyttäen alhaista sekoitustehoa pystytään reaktiovyöhykkeessä antamaan yhtenäinen käsittely suurille, kiintoainetta ja kaasua sisältäville materiaalivirroille. Kaasu, jota prosesseissa usein esiintyy, muodostuu itse kemiallisessa käsittelyssä, samoin myös kiintoaine, tai jos kiintoainetta on mukana jo syötössä, se muuttuu käsittelyssä nopeammin laskeutuvaan muotoon. Eräs tällainen prosessi on anaerobinen mädätysprosessi, jossa muodostunut kaasu halutaan hallitusti poistaa reaktiokierrosta. Käsiteltävä liete voi sisältää painavaa, nopeasti laskeutuvaa materiaalia, jota halutaan erottaa erilleen muusta lietteestä. Kuten edellä todettiin, tällaista voi syntyä reaktiotilassa käytetyn tehostetun sekoituksen seurauksena hiukkasten törmätessä toisiinsa ja iskostuessa yhteen, tai kemiallisen saostustapahtuman seurauksena. Keksintömme mukainen laitteisto tarjoaa mahdollisuuden poistaa erottuva kiintoaine alhaalla sijaitsevan keräilytilan kautta.

Keksintömme erityisenä tarkoituksena on helpottaa bioreaktoreiden mittakaavan suurentamista. On etsitty parannusta tapauksille, joissa isot materiaalivirrat pyritään kemiallisesti käsittelemään tulppavirtaus-tekniikkaa käyttäen. Tällöin käsiteltävä liete esimerkiksi syötetään sekoittamattomaan kuilureaktoriin, sen alaosaan ja käsitelty liete poistetaan reaktorin yläosasta. Vaikeutena on tällöin aikaansaada yhtenäinen * 86600 käsittely koko lietevirralle, koska käytännössä varsinkin isoissa laitteissa on vaikea aikaansaada ihanteellista tulppavirtausta. Tapahtuu kanavoitumista ja syntyy vastaavasti akanvirtoja mahdollisten, lähes virtaa-mattomien kuolleiden alueiden lisäksi, mikä kaikki myötävaikuttaa epäyhtenäiseen materiaalikäsittelyyn.

Varsinkin bioreaktoreissa, joissa materiaalivirralle pyritään tekemään kaksi biokäsittelyä samassa reaktorissa käyttäen eri mikro-organismikantoja, on tärkeää, että materiaali on oikeassa tilassa siirtyessään vyöhykkeestä toiseen. Yhtenäisempi ja vastaavasti hallitumpi käsittely on mahdollista aikaansaada käyttämällä keksintömme mukaista vyöhykesekoitusta, joka samalla tarjoaa ratkaisun kiintoaineen ja kaasun erottamiselle. Kuten kuvassa 2 on osoitettu, voidaan kaksi reaktiovyöhykettä erottaa toisistaan käyttämällä kaksipuolista virtauskääntäjää ja ohjausrengasta. Tätä ratkaisua voidaan myös käyttää hitaasti etenevien reaktioiden antaman reaktioasteen nostamiseksi.

Edellä kuvattua, sekoitettua kiertovirtausratkaisua voidaan myös käyttää bioreaktioiden edistämiseksi tapauksissa, jolloin kierrossa halutaan ylläpitää korkea pitoisuus aktiivista biomassaa. Tällöin on usein ratkaisevan tärkeää hallitusti poistaa muodostunut kaasu biotapahtuman säätämiseksi.

Lopuksi esitetty ratkaisu tarjoaa vaihtoehdon nestevirtaukseen perustuvan leijupetitekniikan käytölle. Koska kyseinen kierukkasekoitus on intensiteetiltään aika alhainen, on tällöin myös kysymys sovellutuskohteista, joissa lietetiheys usein on korkea ja reaktiovyöhykkeessä virtauksessa pidetyn kiintoaineen ominaispaino ei yleensä ole varsin korkea.

I: 9 8 6 6 00

Koska esitetty sekoitin virtauskartioineen voidaan toteuttaa suurikokoisena, on se myös edullinen käyttää jätevesikäsittelyyn tarkoitetuissa aktiivilietealtaissa jäteveden käsittelyn tehostamiseksi. Käsittely voi olla luonteeltaan aerobinen tai anaerobinen, mutta molempien prosessien kaasukoostumusten säätö helpottuu yhtenäisemmän sekoituksen ansiosta. Myös tuotetun lietteen koostumus tasoittuu parannetun sekoituksen vuoksi.

Claims (10)

10 86600

1. Tapa sekoittaa nestettä, kiintoainetta ja kaasua keskenään sekä erottaa nesteestä samanaikaisesti kaasua tai kaasua ja kiintoainetta, tunnettu siitä, että pääosin nesteen täyttämä reaktorit!lavuus jakaantuu vähintään kolmeen vyöhykkeeseen, joista keskellä on reaktiovyöhyke sekoituksen ylläpitämiseksi, tämän alapuolinen erotusvyöhyke kiintoaineen erottamiseksi sekä reaktiovyöhykkeen yläpuolinen rauhoitusvyöhyke kaasun erottamiseksi; reaktiovyöhykkeessä ja erotusvyöhykkeessä oleva nesteen, kiintoaineen ja kaasun seos saatetaan tasaisen, yli koko reaktiotilavuuden ulottuvan sekoituksen alaiseksi kierukkasekoittimen ja reaktori-tilan reunoille asetettujen virtaushaittojen ja vyöhykejakorenkaiden avulla, jolloin näiden avulla saadaan reaktorissa aikaan pystykierto, jossa reaktio-tilassa oleva neste kiertää keskeltä alaspäin ja reunoilta ylöspäin; sekoituksen ja reaktioiden tuloksena syntynyt kiintoaine laskeutuu erilliseen keräilytilaan, josta se poistetaan; nesteessä mukana ollut ja reaktioissa muodostunut kaasu nousee rauhoitus-vyöhykkeeseen, jossa se erotetaan nesteestä ja poistetaan reaktorista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, tunnettu siitä, että reaktiovyöhykkeitä on useampia.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, tunnettu siitä, että nesteen virtaus on nouseva alueella, joka on enemmän kuin 0,7 kertaa reaktiotilan lieriömäisen poikkipinnan säde, ja laskeva tämän alueen sisäpuolella. t: " 86600

4. Laitteisto jatkuvan sekoituksen ylläpitämiseksi kiintoainetta ja kaasua sisältävässä nesteessä sekä kaasun tai kaasun ja kiintoaineen erottamiseksi samanaikaisesti nesteestä, tunnettu siitä, että laitteisto muodostuu reaktorista, reaktorin sisäpuolelle, sijoitetusta, vähintään kahdesta spiraalimaisesta putkesta muodostetusta kierukkasekoittimesta, joka on alaosastaan akselin ympäriltä varustettu suojakartiolla sekä samoin yläosaan akselin ympärille on sijoitettu profiloitu virtauskääntäjä, sekä reaktorin seinille sijoitetuista virtaushaitoista ja ainakin yhdestä, virtauskääntäjän korkeudelle reaktorin seinään kiinnitetystä vyöhykejakorenkaasta? reaktorin yläosa on varustettu laitteilla kaasun poistamiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että reaktori on varustettu useammalla, samalle akselille kiinnitetyllä sekoittimella, sekä kunkin sekoittimen virtauskääntäjän korkeudelle reaktorin seinään kiinnitetyllä vyöhykejakorenkaalla.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kierukkasekoittimen halkaisija on 0,5 - 0, 75 kertaa reaktorin halkaisija.

7. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että reaktorin yläosa on sylinterimäinen ja alaosastaan reaktori on muodostettu kartiomaiseksi, jolloin alin osa sekoittimesta on halkaisijaltaan ylöspäin levenevä.

8. Patenttivaatimusten 4 ja 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että reaktorin kartiomaisen osan alle on sijoitettu kiintoaineen keräilytila. ,2 86600

9. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että vyöhykejakorenkaan ylä- ja alapinta on muotoiltu juoheasti kaareviksi siten, että rengas kapenee reaktorin keskustaan päin.

10. Patenttivaatimuksen mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että vyöhykejakorengas ulottuu etäisyydeltä 0,75 kertaa reaktorin säde reaktorin lieriökehälle asti. 13 86600