氣液雙噴式氣升式環流反應器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種氣液雙噴式氣升式環流反應器，尤其是一種基于氣液體微納米切割細化技術的氣液雙噴式氣升式環流反應器。
【背景技術】
[0002]氣升式環流反應器(airlife loop reactor，簡稱ALR)，是一種以氣源作為動力、使液體混合與循環流動的反應器。是目前應用最廣泛的生物反應設備。其工作原理是把無菌空氣通過噴嘴或噴孔噴射進發酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細碎，同時由于形成的氣液混合物密度降低故向上運動，而氣含率小的發酵液則下沉，形成循環流動，實現混合與溶解氧傳質。這類反應器具有結構簡單、能耗低、剪切應力小、混合好等優點。氣升式環流反應器對于反應物之間的混合和傳質都是相當有利的。氣升式環流反應器是由鼓泡反應器改進而來的新型反應器，它綜合了鼓泡床和攪拌釜的性能，與鼓泡床反應器相比，環流反應器具有液體定向流動的特點，在較低的表觀氣速之下即可以實現固體顆粒的完全懸浮，并且目前被應用于諸多領域諸如費托合成、一步法合成甲醇與二甲醚、汽油脫硫、重油氫化、生物廢發酵液處理及發酵工程等。
[0003]已工業應用的ALR有內循環式和外循環式兩種類型，無論哪種類型的反應器都由4個基本部位組成:上升段、下降段、器底和氣液分離器。每一部位的液體流動特性各有差異，基質傳遞、產物形成、熱量交換情況在各處也不一樣。這兩類反應器相比，外循環氣升式反應器可在降液區安裝換熱器以加強傳熱，便于上升段與下降段的測量和控制，還可在上升段與下降段之間安裝一個節流閥，以控制進氣率和液體循環速度。內循環氣升式反應器則結構比較緊湊，導流筒可做成多段的以加強局部及總體循環，導流筒內還可安裝篩板，使氣體分布得以改善，并可適當地抑制液體循環速度。
[0004]與其他反應器相比，ALR具有結構簡單、剪切力低、供氣效率高、有效界面接觸面積較大、流化效果極佳、各相都有明確的停留時間以及熱質傳遞速率高等優點。但通過研究和實際應用發現，它也存在以下一些缺點:初始化投資較大；需要非常大的空氣吞吐量;相間混合接觸較差；當循環的有機體和操作條件發生變化時，底物、營養物和氧含量不能保持一致；當出現泡沫時，氣液分離的效果很差;混合與氣液耦合問題，也即很難在不改變通氣的條件下得到改善。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種氣液雙噴式氣升式環流反應器，克服了氣升式生物發酵系統氣液混輸送和氣液親合的難點，最大限度地發揮氣升式環流反應器的生物處理能力，提高了處理效率，降低了能耗。
[0006]按照本發明提供的技術方案，一種氣液雙噴式氣升式環流反應器，包括發酵罐，特征是:在所述發酵罐中設置導流筒，導流筒的內部為液體上升區，導流筒與發酵罐之間為液體下降區，在液體上升區的下部安裝環形分布管，分布管上設有多個噴孔;在所述發酵罐的底部安裝I個或多個靜態螺旋切割裝置，靜態螺旋切割裝置上具有氣液混合物出口、發酵液輸入口和壓縮空氣輸入口，壓縮空氣輸入口與空氣氣源連接，氣液混合物出口與分布管連接，發酵液輸入口通過管道與發酵罐底部的出液循環口連接。
[0007]進一步的，在所述靜態螺旋切割裝置的發酵液輸入口和發酵罐的出液循環口之間設置發酵液栗。
[0008]進一步的，所述靜態螺旋切割裝置包括切割管，切割管中心設置芯軸，芯軸的進液端設置導液錐;在所述芯軸上設置若干片依次螺旋疊加的切割片;在所述切割管的進液端連接加氣頭，在加氣頭中安裝軸向中心加氣裝置，軸向中心加氣裝置包括安裝在加氣頭上的管座，管座中設置導氣管，導氣管的外端連接進氣管，在導氣管的內端安裝節流座，節流座中設置節流閥芯，節流座上設置加氣孔。
[0009]進一步的，所述切割片上具有三個或多個葉片。
[0010]進一步的，所述切割片沿芯軸長度方向依次螺旋疊加形成由芯軸長度方向布置的三條或多條螺旋，并且相鄰兩個切割片的葉片按照螺旋線方程錯開一定角度，在螺旋形的側面形成階梯狀切割刃口。
[0011]進一步的，所述螺旋疊加的切割片形成的螺旋形采用變螺距，進液端的螺距大于出液端的螺距，螺距由進液端向出液端逐漸減小。
[0012]進一步的，所述切割片的厚度為0.08?5mm。
[0013]進一步的，所述加氣孔與加氣頭、切割管的軸線同軸。
[0014]進一步的，在所述加氣頭和切割管之間安裝有靜態混合器。
[0015]本發明具有以下優點:
(I)本發明通過無旋轉動力機構的靜態螺旋切割裝置將空氣大分子團切割為微納米量級的小分子團物質，幾乎在常溫常壓下將其溶于發酵液中，溶解氧含量高，溶氧率比傳統氣升式發酵法增加4-5倍、穩定性好;靜態螺旋切割裝置無動力旋轉機構，設備成本低，易維護，可實現大規模工業生產和應用。
[0016](2)本發明所述靜態螺旋切割裝置可實現氣液體微納米化切割細化，氣液體在切割腔XYZ三個方向均受到剪切力;流場邊界為切割葉片螺旋形成的階梯狀切割刃，在一定的流動場和離心力的作用下，氣液受到階梯狀切割刃的切割力，理論上可實現無限小尺度的切割。
[0017](3)本發明把空氣通過靜態離散化的螺旋切割裝置，快速、高效地切割細化為微納米量級的小氣泡，大大提高氧氣的溶解效率，發酵液中溶氧量可達傳統發酵罐加氣法的4-5倍，溶氧穩定性好。
[0018](4)本發明所述加氣裝置采用特殊設計的加氣頭、出氣口，根據層流流體繞流圓柱體的流體力學理論分析可知，加氣孔附近區域發酵液的流速接近于0，氧氣可以順利散逸到發酵液中，實現螺旋切割器四個切割腔均勻加氣，這種加氣法效率高，切割細化均勻。
[0019](5)本發明克服了傳統氣升式生物發酵系統氣液混輸送和氣液親合的難點，可實現I 一 10VVM的通氣速率和氣液混合輸送。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明所述氣液雙噴式氣升式環流反應器的結構示意圖。[0021 ]圖2為所述靜態螺旋切割裝置的結構示意圖。
[0022]圖3為所述切割片的示意圖。
[0023]圖4為所述靜態螺旋切割裝置的工作狀態示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合具體附圖對本發明作進一步說明。
[0025]如圖1?圖4所示:所述氣液雙噴式氣升式環流反應器包括發酵罐1、導流筒2、發酵液栗3、分布管4、靜態螺旋切割裝置5、噴孔6、加氣頭3-1、管座3-2、導氣管3-3、密封圈3-4、密封塊3-5、節流座3-6、節流閥芯3-7、加氣孔3-8、法蘭5-1、切割管5-2、芯軸5-3、導液錐5-
4、切割片5-5、壓塊5-6、鎖緊螺母5-7、葉片5_8等。
[0026]如圖1所示，本發明所述氣液雙噴式氣升式環流反應器，包括發酵罐I，發酵罐I采用的材質為SUS316L，公稱容積選用500L;在所述發酵罐I中設置導流筒2，導流筒2采用現有市售的鉬制導流筒;所述導流筒2的內部為液體上升區，導流筒2與發酵罐I之間為液體下降區，在液體上升區的下部安裝環形分布管4，分布管4上設有多個噴孔6。
[0027]在所述發酵罐I的底部安裝I個或多個靜態螺旋切割裝置5，靜態螺旋切割裝置5上具有氣液混合物出口、發酵液輸入口和壓縮空氣輸入口，壓縮空氣輸入口與空氣氣源連接，氣液混合物出口與分布管4連接，發酵液輸入口通過管道與發酵罐I底部的出液循環口連接;在所述靜態螺旋切割裝置5的發酵液輸入口和發酵罐I的出液循環口之間設置發酵液栗3，發酵液栗3采用市售的衛生級不銹鋼自吸栗。
[0028]如圖2所示，所述靜態螺旋切割裝置5包括切割管5-2，切割管5-2中心設置芯軸5-3，芯軸5-3的進液端設置導液錐5-4，導液錐5-4的作用是為了使氣液混合流均，經擴散之后可以均勻地通過切割管5-2;在所述芯軸5-3上設置若干片依次螺旋疊加的切割片5-5，切割片5-5的中心孔與芯軸5-3間隙配合，切割片5-5由壓塊5-6和鎖緊螺母5-7固定在芯軸5-3上;所述切割片5-5上具有三個或多個葉片5-8(圖4中為4個葉片5-8)，切割片5-5沿芯軸5-3長度方向依次螺旋疊加形成由芯軸5-3長度方向布置的三條或多條螺旋，并且相鄰兩個切割片5-5的葉片5-8按照螺旋線方程錯開一定角度，在螺旋形的側面形成階梯狀切割刃口。所述螺旋形采用變螺距，進液端的螺距大于出液端的螺距，螺距由進液端向出液端逐漸減小。所述切割片5-5的厚度為0.08?5_。
[0029]如圖2所示，在所述切割管5-2的進液端連接加氣頭3-1，一般在加氣頭3-1和切割管5-2之間還安裝有靜態混合器(圖中未示出)；在所述加氣頭3-1中安裝軸向中心加氣裝置，軸向中心加氣裝置包括安裝在加氣頭3-1上的管座3-2，管座3-2中設置導氣管3-3，導氣管3-3與管座3-2之間設置密封圈3-4和密封塊3-5，密封塊3-5通過螺母和螺釘緊固；所述導氣管3-3的外端連接進氣管，進氣管與氣源相連，在導氣管3-3的內端安裝節流座3-6，節流座3-6中設置節流閥芯3-7，節流座3-6上設置加氣孔3-8，加氣孔3-8與加氣頭3-1、切割管5-2的軸線同軸，同軸度小于0.1_，可保證氣體順利散逸到水中。
[0030]本發明的工作原理:本發明所述的氣液雙噴式氣升式環流反應器，采用微納米切割細化技術，氣液兩相通過靜態螺旋切割器5將氣液兩相流切割細化，將空氣大分子團切割