《機(jī)械攪拌釜式反應(yīng)器》由會(huì)員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《機(jī)械攪拌釜式反應(yīng)器(24頁(yè)珍藏版)》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、機(jī)械攪拌式反應(yīng)器姓名:李四輝學(xué)校:林化所 專業(yè): 廢水處理 機(jī)械攪拌式反應(yīng)器 綜述 結(jié)構(gòu) 攪拌器 流體流動(dòng)機(jī)理 能量傳遞 牛頓型流體的氣液傳質(zhì) 熱傳遞 反應(yīng)器模型 簡(jiǎn)述 醫(yī)藥工業(yè)中第一個(gè)大規(guī)模的微生物發(fā)酵過程青霉素生產(chǎn)是在機(jī)械攪拌釜式反應(yīng)器中進(jìn)行的。 迄今為止,對(duì)新的生物過程,首選的生物反應(yīng)器仍然是機(jī)械攪拌釜式反應(yīng)器。特點(diǎn): 對(duì)不同的微生物過程具有更優(yōu)的靈活性,只有在氣液傳遞性能或剪切力不能滿足生物過程時(shí)才會(huì)考慮用其他類型反應(yīng)器。 大多用于間歇反應(yīng)。 32 0 2 1 -4 -2 3 結(jié)構(gòu)傳熱裝置 小反應(yīng)器: 夾套 大反應(yīng)器: 蛇管 將半圓形管子焊接在反應(yīng)器外壁,既可以很好傳熱,又簡(jiǎn)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2、,便于清洗通氣裝置 氣體分布器混合裝置 原生流 次生流 42 0 2 1 -4 -2 3 攪拌器功能:將能量傳遞給液體 攪拌器恒定地傳遞給流體的能量與流體運(yùn)動(dòng)中損失的機(jī)械能相平衡 用最少的能量消耗達(dá)到和維持流體運(yùn)動(dòng)的性能使氣體在液體中分散 達(dá)到預(yù)定的氣液界面積和截面積在器內(nèi)分布使氣液分離 達(dá)到氣液易于分離的氣泡直徑和氣泡運(yùn)動(dòng)性能使所有組分充分混合 不傷害微生物的前提下,用最小的能量達(dá)到適合微生物生長(zhǎng)的混合狀況52 0 2 1 -4 -2 3 最近研究提出采用組合槳葉,根據(jù)軸向流和徑向流槳葉的特性,采用下層為徑向流,上層軸向流,混合效果更好。攪拌槳截圖62 0 2 1 -4 -2 3 流體流動(dòng)機(jī)
3、理原生流:以平葉渦輪為例,攪拌器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)開始在液體內(nèi)部造成切向運(yùn)動(dòng),使液體按攪拌器速度旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生原生流。 72 0 2 1 -4 -2 3 流體流動(dòng)機(jī)理次生流: 在攪拌器的水平面上,離心力驅(qū)動(dòng)流體從中心向外運(yùn)動(dòng),徑向和軸向力的合成形成次生流,在槳葉上面和下面形成兩大同心漩渦。 熱質(zhì)傳遞主要靠次生流,原生流對(duì)熱質(zhì)傳遞完全無影響,但是不可能排除原生流,因?yàn)榇紊饕揽吭魈峁┠茉础?82 0 2 1 -4 -2 3 牛頓黏性定律 在攪拌反應(yīng)器中使微元體混合的唯一依靠是剪切速率,即速度梯度。因?yàn)橹挥辛黧w的速度差才能使流體各層間相互混合,所以混合過程不可缺少剪切速率 。然而,每一個(gè)剪切速率對(duì)應(yīng)一個(gè)剪
4、應(yīng)力,使液滴、團(tuán)塊、氣泡破碎,也會(huì)損傷細(xì)胞或使酶活力下降,尤其是絲狀菌和動(dòng)物細(xì)胞,很多生物過程對(duì)剪應(yīng)力非常敏感。 92 0 2 1 -4 -2 3 能量傳遞最重要的參數(shù)是能量傳遞因子牛頓數(shù)Ne: 式中:Nen為攪拌器傳遞給流體的能量,N為轉(zhuǎn)速,Di為槳葉直徑。 Ne為Re的函數(shù),雷諾數(shù)為 Re=NDi2 / 牛頓數(shù)無法用理論方法直接算出,其與其他無因次數(shù)群的關(guān)聯(lián)式只能由實(shí)驗(yàn)確定。 1 02 0 2 1 -4 -2 3 在最常用條件下獲取大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到牛頓數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系 1 12 0 2 1 -4 -2 3 對(duì)不同的槳葉,過渡區(qū)略有遷移,NeRe關(guān)系中雷諾數(shù)的指數(shù)也稍有變化。 實(shí)驗(yàn)表明,根據(jù)
5、流動(dòng)特征,能量傳遞曲線可分為3個(gè)區(qū)域:層流區(qū): 0 Re1 0 Ne Re-1過渡區(qū): 1 0 Re1 0 0 Ne Re-1 Ne Re-0 .2 8湍流區(qū): 1 0 0 Re Ne Re-0 .2 8 1 22 0 2 1 -4 -2 3 上圖中曲線收集了1 1組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)只覆蓋了很小的Re區(qū)域。 Re1為Re的上限,由不帶擋板反應(yīng)器的Re給定。當(dāng)ReRe1時(shí),攪拌槳的操作變得不穩(wěn)定,穩(wěn)定到不穩(wěn)定的過渡從攪拌周圍液體表面形成強(qiáng)烈的渦流開始。當(dāng)渦流到達(dá)槳葉時(shí),氣體被分散到液體中,能量傳遞變得斷斷續(xù)續(xù),傳遞給液體的平均能量減少。因此為使操作條件穩(wěn)定應(yīng):ReRe1 Re也有下限Re0。根據(jù)實(shí)
6、驗(yàn)結(jié)果, Re0 Re1 /3 ,此值與測(cè)定攪拌器旋轉(zhuǎn)軸扭矩儀器靈敏度有關(guān)。 用不同粘度流體進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)表明,不穩(wěn)定操作條件的過渡與Galilei數(shù)Ga有關(guān)。 1 32 0 2 1 -4 -2 3 以上公式只適合純流體,若為氣液混合體系,要考慮更多的參數(shù),如氣體的性質(zhì)和流速。 Ga=Di3 2 g/2雷諾數(shù)的上限是Ga的函數(shù), Re1 =f(Ga,幾何參數(shù))雷諾數(shù)的上限是Ga的函數(shù), Ne=f(Re,Ga,幾何參數(shù))要求: 1 /3 Re1 ReRe1 1 42 0 2 1 -4 -2 3 帶擋板和不帶擋板反應(yīng)器中渦輪槳的能量傳遞曲線圖1 52 0 2 1 -4 -2 3 當(dāng)Re 1 0 0
7、0 0時(shí),帶擋板反應(yīng)器的牛頓數(shù)幾乎是不帶擋板反應(yīng)器的3倍,可見,此時(shí)盡量使用帶擋板攪拌反應(yīng)器。通常認(rèn)為擋板可以防止渦流的形成,但實(shí)驗(yàn)證明這是錯(cuò)誤的:有擋板的反應(yīng)器仍然存在渦流,只是渦流發(fā)生的位置不確定,持續(xù)時(shí)間得到了限制,而無擋板反應(yīng)器內(nèi)的渦流固定發(fā)生在攪拌軸周圍。 1 62 0 2 1 -4 -2 3 牛頓型流體的氣液傳質(zhì) 氧的傳遞是許多好氧生物過程的限制性步驟,因此可將氧視為微生物的限制性底物,氧傳遞的定量描述:q0 =K La(co*-co) 生物反應(yīng)過程,氧的傳遞與氧的消耗是串聯(lián)過程,定態(tài)下氧的傳遞與消耗速率相等,因此若反應(yīng)符合Monod形式,則 1 72 0 2 1 -4 -2 3
8、q0 =Om =Yx/oK La(co*-co) Yx/o為每消耗1氧所生成的細(xì)胞量氧傳遞為限制步驟時(shí),增加K La可以提高菌生成速率。K La與輸入功率有關(guān),對(duì)通氣式機(jī)械攪拌反應(yīng)器: K La =kuga(Pg/VR)ug為氣體表觀速度,Pg為通氣條件下輸入功率,K 為常數(shù)(對(duì)應(yīng)攪拌器類型查表可知)流體的黏度對(duì)流動(dòng)性和氣液傳質(zhì)有很大影響,隨黏度上升傳質(zhì)系數(shù)KL下降,液體湍流程度小,最大穩(wěn)定氣泡的直徑較大,使比界面面積a下降。o+CoCoCxK 熱傳遞 在間歇反應(yīng)中,攪拌的目的是在整個(gè)反應(yīng)器中得到均一的反應(yīng)條件,使反應(yīng)器內(nèi)所有成分的濃度和流體溫度不隨位置而變化。由于流動(dòng)條件限制,反應(yīng)器中溫度在
9、任何條件下都不為常數(shù),不僅隨空間而變化,而且隨時(shí)間變化,熱傳遞為非定態(tài)過程。研究中將過程簡(jiǎn)化為動(dòng)態(tài)過程,以使結(jié)果是實(shí)際盡可能接近。熱傳遞主要依靠次生流。 1 92 0 2 1 -4 -2 3 經(jīng)驗(yàn)方程 2 02 0 2 1 -4 -2 3 由于攪拌器和換熱類型對(duì)計(jì)算影響很大, Nu=0 .4 6 4 Re2 /3 Pr1 /3 (/W)0 .1 4可用于帶擋板、不帶擋板 、渦流式、錨式 、螺旋槳和槳葉式攪拌器 ,以及牛頓型和非牛頓型流體。和W為流體在平均溫度和壁溫下的動(dòng)態(tài)黏度 Nu=iDt/ 紐賽爾因數(shù) Re=NDi2 / 雷諾數(shù) Pr=Cp/ 普朗特因數(shù) 2 12 0 2 1 -4 -2 3
10、 通氣機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器模型液相: 間歇培養(yǎng)時(shí),若攪拌效果很好,液相近乎全混,限制性底物濃度和菌密度變化率為:dCs 1= K a(co*-co) dt Yx/o LdCx = max dt s+CsCsCxK 2 22 0 2 1 -4 -2 3 氣相: 如果裝液高度較高,組裝幾個(gè)徑向攪拌器時(shí),可視為定態(tài)操作的活塞流;裝液高度較低時(shí),若攪拌器為軸向流,可看作定態(tài)操作的全混流反應(yīng)器CSTR.若氧不累積,衡算則: 且滿足:Qom= K La(co*-co) 傳質(zhì)速率FinPin-FoutPoutQom= V RTR攝氧率 2 32 0 2 1 -4 -2 3 The End 2 0 2 1 -4 -2 3 2 4