一种高效传质、传热的大规模气液和气液固反应器装置的制造方法

一种高效传质、传热的大规模气液和气液固反应器装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高效传质、传热的大规模气液和气液固反应器装置，属于生物工程、化学工程和环境工程领域。本发明的反应器装置的搅拌系统主体是由多组径向流搅拌器和多组轴向流搅拌器组合构成。通过罐内传热装置结合圆锥台侧面多孔筛板的导流作用和径向流搅拌器的多次气液分散作用，以及反应器内多点布置空气分布器，使反应器内的传热装置与搅拌系统产生的流场相互贯通，传质过程和传热过程有机融合，既促进气液分散，又进一步强化反应流场的循环流动和混合。本发明能够在大规模气液和气液固反应器中实现高效传质和传热过程，特别是在大规模高细胞密度通风发酵过程中有良好应用。
【专利说明】
一种高效传质、传热的大规模气液和气液固反应器装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种高效传质、传热的大规模气液和气液固反应器装置，属于生物工程、化学工程和环境工程领域。
【背景技术】
[0002]气液两相分散和混合广泛应用于通风发酵、氧化反应、氢化反应、生物曝气等过程单元。目前能实现气液和气液固反应的装置主要有:鼓泡塔、气升式反应器、搅拌釜反应器和曝气池等。在通风发酵过程和生物转化过程中，通风搅拌釜反应器的应用极为普遍。
[0003]无论是气液两相参与的化学反应还是好氧生物反应，气液分散过程往往伴随着传热过程，在小规模反应器装置中，传热过程往往不会成为技术瓶颈，工程师更多地关注气液分散效率。但在大规模发酵过程中，随着反应器体积的增大，单位体积所能安装的传热面积趋小，往往会使反应热(代谢热)的有效移除成为反应器放大的技术瓶颈。在高细胞密度通风发酵过程中，细胞代谢产生的放热强度可达到30kW/m3发酵液;单位体积所需的传热面积甚至达到3.0mVm3发酵液，这种高强度传热需求在常规的大规模通风发酵罐中很难得到满足。
[0004]常见的罐外传热装置有:普通整体式夹套、带螺旋导流带的整体式夹套、半圆管夹套、蜂窝式夹套、通道式夹套等。常见的罐内传热装置有:竖式盘管、大螺旋盘管、弹簧式盘管等。
[0005]具体地讲，在小规模(<10m3)和中等规模(10?10m3)的通风生物反应器中，为满足反应过程中的高效传热需求，一般同时在罐外设置夹套和罐内设置盘管。以典型的中等规模通风发酵罐为例，单位体积的传热面积在1.2?2.0m2/m3发酵液范围之间，在大规模(>10m3)通风发酵罐中，单位体积的传热面积不易超过2.0mVm3发酵液。随着反应器体积的增大，罐外可安装的夹套面积非常有限，因此越来越依赖在罐内安装更多的盘管，导致盘管之间的间隙趋小，进而影响流体在罐内的流动速率、混合、传质和传热效率。
[0006]虽然竖式盘管兼具有档板的功能，适当的盘管数量和密度有利于罐内的传质和传热过程，但随着反应器体积的增大，盘管装置越来越向罐中心区域延伸，搅拌桨与盘管的间距趋小，过宽的档板功能反而会不利于搅拌器分散和混合功能的发挥;盘管之间的间隙趋小，甚至会小于30?50_，这将严重影响罐内传质和传热的效果和均勾性。
[0007]由于大螺旋盘管和弹簧式盘管中的冷却水可以完全排尽，因此在发酵罐的灭菌过程中可以节省蒸汽消耗，但当反应器体积增大后，盘管之间的螺距趋小，盘管之间的间隙甚至小于30?50mm，这将导致在反应器内形成的不同分区:罐中心的充分湍流区、弹簧式盘管围成的内部滞流区、大螺旋盘管与器壁间的滞流区等，在滞流区内的传质和传热效率低下，反应器内的整体流场呈高度不均匀性。
[0008]由于大规模气液和气液固反应器装置体积庞大，整体设备往往无法运输，一般需将反应器的各部件分别进行制造和运输，然后在业主所在地进行现场加工和组装。由于搅拌问题的复杂性，搅拌系统制造与反应容器(包括传热装置)制造往往是由不同的制造商来完成，因此很容易造成对传质和传热的不同理解，导致反应器传质和传热过程效率不能兼顾。目前大规模气液和气液固反应器的设计和制造技术仍主要依赖于各生产企业的经验，沿用中等规模反应器的设计和制造理念，对大规模反应器中出现的新问题认识不足，缺乏有效的解决方法和措施。

【发明内容】

[0009]为解决上述问题，本发明从反应器的整体结构考虑，巧妙布置传热装置、通风管和导流元件在反应器内的空间位置，以及不同功能搅拌桨的空间组合，使传热装置与搅拌系统产生的流场贯通融合起来，提供一种针对大规模气液和气液固反应器中高效传质和传热的解决方案和设备装置。本发明采用反应器装置的部件组成与普通反应器基本相同，但有效优化了其空间结构和组合方式，使气液分散、传热和混合效率显著提高，具有较低的功率消耗，起到提高反应性能和节约能耗的效果。
[0010]本发明提供了一种高效传质、传热的大规模气液和气液固反应器装置，也可应用于中等规模的气液和气液固反应器装置中；所述反应器装置主要包括反应容器、搅拌系统、传热装置、导流装置、空气分布器;所述搅拌系统的主体由多组径向流搅拌器和多组轴向流搅拌器组合构成，其中所述径向流搅拌器包括底层搅拌器、I?3个中部径向流搅拌器;安装于反应容器内部的传热装置由多组圆筒状传热元件同轴排列组成;所述空气分布器包括在反应容器内不同空间位置布置的多组通气管和圆锥台侧面多孔筛板;所述圆锥台侧面多孔筛板设置于反应容器的筒体中部，有I?3个;所述圆锥台侧面多孔筛板的下端面直径与反应容器直径相等，上端面直径在0.5?1.0D之间；其中D为反应容器内部圆筒状传热元件的直径。
[0011]在一种实施方式中，所述安装于反应容器内部的传热装置由圆筒状传热元件同轴排列组成。
[0012]在一种实施方式中，所述圆筒状传热元件可以是紧密排列的大螺旋盘管，也可以是内置的蜂窝式夹套或通道式夹套。
[0013]在一种实施方式中，所述的圆筒状传热元件直径(D)与反应容器内径(T)之比在
0.5?0.9之间。
[0014]在一种实施方式中，所述的大螺旋盘管的管径在30?125mm之间，组内盘管间隙在O?50mm之间。
[0015]在一种实施方式中，所述搅拌系统中的中部径向流搅拌器与圆锥台侧面多孔筛板一一匹配，设置I?3对，中部径向流搅拌器设置在对应圆锥台侧面多孔筛板正上方。
[0016]在一种实施方式中，所述的中部径向流搅拌器，其直径(dM)与反应容器内径(T)之比在0.15?0.5之间。
[0017]在一种实施方式中，所述搅拌系统中的径向流搅拌器可以是Rushton搅拌器、箭叶圆盘搅拌器、CD-6搅拌器、BT-6搅拌器或其它径向流搅拌器，可以是多组相同的搅拌器组合，也可以是多组不同搅拌器组合。
[0018]在一种实施方式中，所述搅拌系统中的轴向流搅拌器可以是四斜叶开式搅拌器、螺旋桨、三宽叶旋桨式搅拌器、四宽叶旋桨式搅拌器、三窄叶旋桨式搅拌器、四窄叶旋桨式搅拌器和其它类似的轴向流搅拌器，可以是多组相同的搅拌器组合，也可以是多组不同搅拌器组合。
[0019]在一种实施方式中，所述径向流搅拌器的组数为I?3之间，轴向流搅拌器的组数为3?8组之间。
[0020]在一种实施方式中，搅拌器直径(d)与反应容器内径(T)之比在0.2?0.5之间。
[0021]在一种实施方式中，搅拌器直径(d)与圆筒状传热元件直径(D)之比在0.3?0.6之间。
[0022]在一种实施方式中，不同搅拌器直径可以是相同的，也可以是不同的。
[0023]在一种实施方式中，相邻搅拌器间距(M)与搅拌器直径(d)之比在1.5?3之间。
[0024]在一种实施方式中，搅拌系统的搅拌可以是定速搅拌，也可以是无级调速搅拌，搅拌转速可根据反应体系的耗氧速率而定，也可以根据反应体系的溶氧值反馈控制和调节。
[0025]在一种实施方式中，所述反应器装置中，搅拌器的类型、空间位置、直径与圆筒状传热元件的安装位置、圆筒状传热元件直径、组间间距相互配合，底层搅拌器和中部圆锥台侧面多孔筛板附近的搅拌器多为径向流搅拌器，其它搅拌器多为轴向流搅拌器。圆筒状传热元件的组间距是控制流体导向的重要参数，在反应器下半部分，组间距(Cb)宜小，其间距在O?10mm之间，起到增加传热面积，同时起到局部隔离鼓泡区和搅拌区的功能，但在靠近中部圆锥台侧面多孔筛板的圆锥台时，中部圆筒状传热元件间距Cm需足够大，为0.4?1.6dM，才能将流体导向至中部的径向流搅拌器下方，促进气液流产生二次分散作用。在中部径向流搅拌器的上方，可以设置多层轴向流搅拌器，可以是上翻式的，也可以是下压式的，也可以自下而上设置下压式和上翻式搅拌器。若是下压式和上翻式的组合，该组合与所述圆筒状传热元件组间空隙一一匹配并横向对齐;则在该组合横向对应的圆筒状传热元件组间距(Cu)宜宽一些，其间距在0.2?0.8dM之间，以利于近壁区的气液多相流进入搅拌区并产生循环流动，加强气液传质和传热过程。
[0026]在一种实施方式中，所述大规模气液和气液固反应器装置中，搅拌轴可以是整体轴，也可以是多段搅拌轴连接而成;可以是实心轴，也可以是空心轴;搅拌轴的安装方式可以是单跨式，也可以是多点支承安装。
[0027]在一种实施方式中，所述反应器内的筒状传热元件兼具导流装置的作用。
[0028]反应器内传热装置由多组圆筒状传热元件同轴排列组成，能增大传热面积和传热效率，兼具导流功能;组间的圆筒状传热元件间隙数和间距与搅拌系统的流场流动方向密切配合，使流体在罐内构成循环流动。所述圆筒状传热元件是大螺旋盘管时，组内的大螺旋盘管排列紧密，间隙在O?30_之间。
[0029]在普通通风发酵罐中，内盘管的管间距比较大(50?150mm)，流体只有穿过内盘管的间隙，才能保证有效的传质和传热，但这样就使得单位体积可安装的传热面积受到限制，因此反应器放大后难免会存在多个滞流区域。本发明采用多组同轴安装的圆筒状传热元件，增加了大规模反应器内的可安装传热面积，提高了传热强度，与此同时，圆筒状传热元件兼做导流装置，发酵罐内无滞流区，强化了气液传质的循环混合。
[0030]在一种实施方式中，所述多组通气管包括第一通气管和第二通气管。
[0031]在一种实施方式中，所述第一通气管设置在底层搅拌器正下方。这样的安装方式，可以使通入的空气进行高效分散，形成细小气泡。底层搅拌器安装在反应容器筒体的下端面附近，与反应容器底部的间距(B)为0.25?0.5T，底层搅拌器的直径(dB)与圆筒状传热元件的直径(D)之比为0.3?0.5，底部一组圆筒状传热元件的底端面低于筒体下端面，与底层搅拌器安装平面的间距为0.1?0.4dB之间。
[0032]在一种实施方式中，所述第一通气管上方均布小孔，孔径在4?20mm之间，小孔总面积与通气管截面之比为0.5?1.0之间。优选地，所述通气管底部布置若干个排液孔，孔径在4?20mm之间。
[0033]在一种实施方式中，所述第二通气管设置在反应容器的底部附近的圆筒状传热元件外周与反应容器器壁之间。
[0034]在一种实施方式中，所述第二通气管上方均布小孔，孔径在4?20mm之间，小孔总面积与通气管截面之比为0.2?0.5之间。通气管底部布置若干个排液孔，孔径在4?20_之间。
[0035]在一种实施方式中，所述反应器装置的反应容器筒体中部，设置I?3个圆锥台侧面多孔筛板，圆锥台的底角在20?60°之间，孔隙率在15?40%之间，孔径在5?30mm之间。
[0036]在一种实施方式中，所述圆锥台侧面多孔筛板的筛孔的排列方式可以是矩形排列、正方形排列、菱形排列、等边三角排列。筛板的下端面直径与容器直径相等，其上端面直径小于等于圆筒状传热元件直径D，可以是0.5?1.0D。
[0037]在一种实施方式中，所述圆锥台侧面多孔筛板的圆锥平台上端面与其上相邻圆筒状传热元件下端面之间的距离在0.2?0.8dM之间。
[0038]在一种实施方式中，所述圆锥台侧面多孔筛板可以是一体式的，也可以分体式的，以方便安装和维护。筛板可以直接焊接在器壁上，也可以采用支撑板间接连接。筛板底部与器壁之间留有一定空隙，以防止积液和便于清洁。
[0039]在第二通气管与圆锥台侧面多孔筛板之间的空间里，气液分散的效果类似于鼓泡塔，从第二通气管中出来的气泡在上升过程中相互碰撞而聚并，加之压力减少，气泡越来越大，传质效率下降。在筒体中部设置多孔筛板的目是:(I)筛孔可以对大气泡进行重新分割和分散，减少气泡直径；(2)起到导流功能，将气液两相流引导至中部径向流搅拌器的吸入区，通过该搅拌器对气泡进行二次分散，减少气泡直径，提高气泡运动速率，提升气液分散效率和传质效率。
[0040]在一种实施方式中，所述多组通气管还包括第三通气管，所述第三通气管安装在圆锥台侧面多孔筛板的圆锥平台之上的圆筒状传热元件与器壁之间。
[0041]在一种实施方式中，第一通气管内的通风量占总通风量的40?70%，其余百分比的通风量由其它多组通风管分配。以反应容器中存在3根通气管为例，第一通气管、第二通气管、第三通气管的通风量之比为(0.4?0.7):(0.2?0.4):(0.3?0.1)之间，最佳的比例关系依据反应容器内搅拌区与鼓泡区的体积比而确定。由于搅拌区所占的体积比率最大，与此相应地，第一通气管的通风量占比也较高，因此为0.4?0.7左右。鼓泡区所占的体积比率较小，第二通气管与第三通气管的通风量相应地减少。为保证良好的气含量和气液传质效果，第二通气管与第三通气管的进气压力越高，越有利于气泡喷出速率和气液传质，但空气压缩机提供的气体气压越高，其效能比越低，因此过高的压力不利于整个生产系统的效能，进气压力一般以2.5?6atm为佳。
[0042]在一种实施方式中，所述反应器装置的中部径向流搅拌器，其安装位置可以与圆锥平台侧面多孔筛板之上的圆筒状传热元件下端面平齐，也可以高于该圆筒状传热元件下端面。在圆锥平台之上的圆筒状传热元件与反应器壁之间的位置，可以安装第三通气管以加强反应器近壁区的通气强度和气液分散效率，同时促进循环流动、传热和混合效率。也可以不安装通气管，中部径向流搅拌器产生的二次分散的气液二相流或者气液固三相流，利用圆筒状传热元件下端面与中部径向流搅拌器的相对安装位置而产生的分流作用，使一部分气液二相流或者气液固三相流进入到圆筒状传热元件与反应器壁之间的空间，另一部分二相流或者气液固三相流进入圆筒状传热元件内侧区域(搅拌区)，使反应器内的传热装置与搅拌系统产生的流场相互贯通，传质过程和传热过程有机融合。
[0043]在一种实施方式中，所述反应器装置的各个通气管可以水平安装，也可以保持微小的倾斜度(0.005?0.01),以利于清洗、空消等操作时能排尽管内液体。
[0044]在一种实施方式中，所述反应器装置中，第二通气管和第三通气管的管径、通气孔大小、数量可以相同，也可以不同；根据反应器装置中局部区域特征、循环时间而定。第三通气管在反应器装置中可以是单组，也可以是多组，在I?3组之间。通气管底部设置有排液孔。
[0045]在一种实施方式中，所述反应器装置中，导流装置还包括档板，挡板设置符合全档板条件，反应器装置中档板在不同垂直区域的数量可以是相同的，也可以是不同的。档板数量是4?10块之间，档板安装在圆筒状传热元件内侧。
[0046]在一种实施方式中，所述的反应容器呈瘦高型，其高径比为2.5?6之间。这样有利于提高气泡停留时间，增大单位体积的可安装传热面积，有利于传质和传热效率。
[0047]在一种实施方式中，所述的反应容器的筒体部分可以是直筒形，也可以是上部分局部膨大型。
[0048]在一种实施方式中，所述反应容器的材料可以是碳钢、不锈钢或其它高强度的适宜材料。反应容器的上、下封头可以是椭圆封头，也可以是碟形封头。上、下封头可根据生产工艺需要布置各种接管、管口和附属装置。可以在反应容器顶部设置I个人孔或在顶部、底部各设I个人孔，反应器内可以设置人梯，以便安装、清洗和检修。
[0049]在一种实施方式中，所述反应器装置还包括附属设备，比如人孔、轴承支架、圆筒状传热元件支架、排出口、进料口、补料口、接种口、人梯、凸缘法兰等。
[0050]在一种实施方式中，所述反应器装置还包括外夹套，所述外夹套可以是整体式夹套、带螺旋导流带的整体式夹套、半圆管夹套、蜂窝式夹套、通道式夹套等任何一种。
[0051 ]本发明的有益效果:
[0052](I)本发明的反应器装置同时发挥内置的圆筒状传热元件的传热功能和导流功能，在反应器内与搅拌系统中不同功能的搅拌器进行空间优化组合，使反应器内的传热装置与搅拌系统产生的流场相互贯通融合起来，既提高了单位体积的可安装传热面积和传热效率，又强化了反应器的气液分散和传质效率。
[0053](2)本发明的反应器装置在不同空间多点布置空气分布器，在局部区域引入了鼓泡塔的优势特征，集成了圆锥台侧面多孔筛板和中部径向流搅拌器的气液二次分散功能，使反应器内无滞流区存在，即可以克服鼓泡区的气泡聚并过程，又进一步强化反应流场的循环流动和分散效率。
[0054](3)本发明的反应器装置具有分散效率高、传热快、能耗低的特点，可应用于大规模通风发酵、氢化反应、氧化反应等反应过程中，能够实现高效传质和传热过程。
【附图说明】
[0055]图1:反应器装置示意图；其中，I第一通气管、2第二通气管、3底层搅拌器、4第二层搅拌器、5圆筒状传热元件(大螺旋盘管)、6第三层搅拌器、7第一中间轴承支架、8圆锥台侧面多孔筛板、9中部径向流搅拌器、10第五层搅拌器、11档板、12第六层搅拌器、13第二中间轴承支架、14搅拌轴、15机架、16驱动系统、17机械密封、18人孔、19第一联轴器、20半圆管夹套、21第二轴承、22第二联轴器、23第三通气管、24第三轴承、25筒体、26第一轴承、27排出口、28裙座；
[0056]图2:圆锥台侧面多孔筛板部件示意图；其中，8圆锥台侧面多孔筛板、29筛孔、30导液孔；
[0057]图3:反应容器内部构件俯视图；其中，I第一通气管、2第二通气管、5圆筒状传热元件(大螺旋盘管)、11档板、20半圆管夹套、25筒体、31通气小孔；
[0058]图4:圆筒状传热元件(内置蜂窝式夹套)部件示意图；其中，32冷却水进出管、33圆筒状底板、34鼓胀板；
[0059]图5:反应器装置内流场示意图，其中，35搅拌区、36鼓泡区。
【具体实施方式】
[0060]实施例1:反应器装置
[0061]如图1所示，本发明所涉及的反应器装置包括反应容器、搅拌系统、传热装置、导流装置、空气分布器和一些附属装置。
[0062 ]反应容器是由筒体25、上封头、下封头、裙座28组成。
[0063]搅拌系统由多组搅拌器、搅拌轴14、轴承、联轴器、机械密封17、机架15和驱动系统16组成。所述多组搅拌器包括底层搅拌器3、第二层搅拌器4、第三层搅拌器6、中部径向流搅拌器9、第五层搅拌器10、第六层搅拌器12。所述轴承有3个，包括第一轴承26、第二轴承21、第三轴承24 ο所述联轴器有2个，包括第一联轴器19、第二联轴器22。
[0064]传热系统由罐外半圆管夹套20、圆筒状传热元件5组成。
[0065]导流装置由圆筒状传热元件5、圆锥台侧面多孔筛板8、档板11组成。
[0066]空气分布器由第一通气管1、第二通气管2、第三通气管23和圆锥台侧面多孔筛板8组成。
[0067]附属设备还包括人孔18、第一中间轴承支架7、第二中间轴承支架13、排出口27、进料口、补料口、人梯、凸缘法兰等。
[0068]如图1所示，本发明所涉及的大型反应器装置，其反应容器的高径比比较大，上、下封头可以是椭圆封头，也可以是碟形封头，为支撑搅拌系统的电机和减速机等装置，可以对封头进行加厚增强，也可以通过安装加强圈增加支撑强度;反应容器的支撑基座一般为裙座。反应容器中筒体25外侧也可安装有传热装置，可以整体式夹套、带螺旋导流带的整体式夹套、半圆管夹套、蜂窝式夹套、通道式夹套等任何一种或多种型式的组合，以蜂窝式夹套、通道式夹套为佳，采用半圆管夹套的性价比较高。
[0069]底层搅拌器3—般为径向流搅拌器，以BT-6搅拌器为佳，底层搅拌器3的直径(dB)为0.2?0.5T之间，该搅拌器正下方有第一通气管I，底层搅拌器3的功能是高效分散通入的空气，形成小气泡。该搅拌器3安装在筒体的下端面附近，与反应容器底部的间距(B)为0.25?0.5T，底部附近的大螺旋盘管的底端面低于底层搅拌器3，与底层搅拌器3安装平面的间距为0.1?0.4dB之间。第一通气管底部布置若干个排液孔，孔径在4?20mm之间。
[0070]自下而上第二、三层搅拌器(4、6)为轴向流搅拌器，可以为四斜叶开式搅拌器、螺旋桨、三宽叶旋桨式搅拌器、四宽叶旋桨式搅拌器、三窄叶旋桨式搅拌器、四窄叶旋桨式搅拌器和其它类似的轴向流搅拌器，可以是多组相同的搅拌器组合，也可以是多组不同搅拌器组合。对于常规的低粘度发酵液，以四宽叶旋桨式搅拌器为佳，搅拌器的直径(d)与反应容器内径⑴之比在0.2?0.5之间，与内盘管螺旋直径(D)之比在0.3?0.6之间。搅拌器直径可以是相同的，也可以是不同的。相邻搅拌器间距(M)与搅拌器直径(d)之比在1.5?3之间。
[0071]搅拌系统的搅拌可以是定速搅拌，也可以是无级调速搅拌，搅拌转速可根据反应体系的耗氧速率而定，也可以根据反应体系的溶氧值反馈控制和调节。
[0072]反应器内传热装置由多组圆筒状传热元件同轴排列组成，所述圆筒状传热元件可以是紧密排列的大螺旋盘管，也可以是内置的蜂窝式夹套或通道式夹套。所述圆筒状传热元件的组数和传热面积根据实际反应过程的传热需求和安装条件而确定。
[0073]所述圆筒状传热元件是大螺旋盘管时，组内的大螺旋盘管排列紧密，间隙在O?50mm之间。大螺旋盘管的管径在30?125mm之间，一般采用标准的无缝钢管，对外表面进行抛光处理。
[0074]圆筒状传热元件的直径(D)与反应容器内径(T)之比在0.5?0.9之间，可以根据传热需求和安装空间位置进行调整。
[0075]如图1所示，在反应器装置的筒体25中部，设置I个圆锥台侧面多孔筛板8，如图2所示，圆锥台的底角在20?60°之间，以30°为佳;孔隙率在15?40%之间，以25%为佳;筛孔29的孔径在5?30mm之间，筛孔29的排列方式以等边三角排列为佳。圆锥台侧面多孔筛板8可以是一体式的，也可以分体式的，以与制造和安装条件相适应即可。筛板可以直接焊接在器壁上，也可以用支撑板与器壁间接连接。筛板底部与器壁之间留有一定空隙，称为导液孔30，以防止积液和便于清洁。筛孔孔径因反应体系中的固相颗粒尺寸不同而不同，若进行细胞或酵母菌发酵，筛孔和导液孔尺寸可以小一些，若进行霉菌和放线菌发酵时，其孔径需大一些更为合适。
[0076]如图3所示，在反应容器底部附近的圆筒状传热元件(大螺旋盘管)5外周与器壁之间布置第二通气管2，第二通气管2上方均布通气小孔31，孔径在4?20mm之间，常规的低粘度发酵液条件下以1mm为佳，小孔总面积与通气管截面之比为0.2?0.5之间，以0.3为佳。通气管底部布置若干个排液孔，孔径在4?20mm之间。
[0077]如图4所示，反应容器内的圆筒状传热元件也可以是内置的蜂窝式夹套，由圆筒状底板33、鼓胀板34和冷却水进出管32组成。一般是将两块平钢板(圆筒状底板33、鼓胀板34)通过激光焊接连接在一起并且形成具有一定几何形状的焊接区，再借助鼓胀成型方法，使其他非焊接区的鼓胀板34发生变形，从而在两块钢板之间形成封闭式凸弧状腔体夹套。冷却水进出管32可以安装在圆筒状传热元件的内侧或外侧，以内侧安装为佳。为方便清洁和防止染菌风险，对圆筒状传热元件的表面进行抛光处理。
[0078]如图1和图5所示，反应器装置的圆锥台侧面多孔筛板8与中部径向流搅拌器9一一匹配，在本例中设置为I对。中部径向流搅拌器9的安装位置可以与圆锥平台之上的圆筒状传热元件下端面平齐，也可以高于该圆筒状传热元件下端面。在圆锥平台之上的圆筒状传热元件与器壁之间的位置，安装第三通气管23以加强近壁区的通气强度和气液分散效率，同时促进循环流动、传热和混合效率。中部径向流搅拌器9的直径(dM)与反应容器内径(T)之比在0.15?0.5之间，以0.3为佳。
[0079]如图1和图5所示，圆筒状传热元件的组间距是控制流体导向的重要参数，在反应器下半部分，组间距(Cb)宜小，其间距在O?50mm之间，起到增加传热面积，同时起到局部隔离鼓泡区36的功能，但在靠近中部圆锥台时，中部圆筒状传热元件间距Cm需足够大，为0.4?1.6dM，才能将流体导向至中部的径向流搅拌器下方，促进气液流产生二次分散作用。在中部径向流搅拌器的上方，可以设置多层轴向流搅拌器，可以是上翻式的，也可以是下压式的，也可以自下而上设置下压式和上翻式搅拌器的组合式，两者之间的圆筒状传热元件组间距(Cu)宜宽一些，其间距在0.2?0.8dM之间，以利于近壁区的气液多相流进入搅拌区35并产生循环流动，加强气液传质和传热过程。
[0080]搅拌轴14可以是整体轴，也可以是多段搅拌轴连接而成;可以是实心轴，也可以是空心轴;搅拌轴的安装方式可以是单跨式，也可以是多点支承安装。
[0081]档板11设置符合全档板条件，反应器装置中档板在不同垂直区域的数量可以是相同的，也可以是不同的。档板数量是4?10块之间，档板安装在圆筒状传热元件内侧。
[0082]实施例2:反应器装置
[0083]以200m3通风发酵罐为例，有效装液体积约为150m3，采用本发明所述方案，如图1所示，反应容器的筒体25内径(T)为4000mm，筒体高为14600mm;上封头和下封头均为椭圆封头;外夹套为Φ76Χ3.5半圆管螺旋焊接在容器外表面，半圆管螺距为110mm，从筒体下端面至液面高度处布置外夹套，外夹套传热面积约为90m2;反应容器内部的圆筒状传热元件兼作导流元件，为紧密缠绕的大螺旋盘管，采用Φ 76 X 3无缝钢管，外表面抛光，螺旋直径(D)为3500mm，螺距为76mm，大螺旋盘管同轴排列安装，传热面积约为358m2，因此反应器装置的总换热面积为448m2;反应容器底部附近的自下而上第一组大螺旋盘管下端面与筒体下端面平齐，反应容器中部径向流搅拌器9对应的大螺旋盘管组间的间距(Cm)为800mm，反应容器上半部分中顶部上翻式搅拌器12与下压式搅拌器10组合的横向对应的大螺旋盘管组间的间距(Cu)为400mm，其它大螺旋盘管组间的间距(Cb)为51mm;底层搅拌器3为BT-6型径向流搅拌器，其直径(dB)为1300mm，中部径向流搅拌器9为BT-6型，其直径(dM)与为I 10mm，轴向流搅拌器共有4层，其直径(d)均为1100mm，底层搅拌器3距反应容器底部间距(B)为2000mm，所有搅拌器之间的间距(M)为1750mm，下压式和上翻式搅拌器均为四宽叶旋桨式搅拌器，流体方向相反。
[0084]圆锥台侧面筛孔板8的下端面直径与反应容器直径(T)相等，安装位置在反应器中部，其附近两组大螺旋盘管的间距(Cm)为800mm，可满足圆锥台侧面筛孔板8和第一中间轴承支架7的安装空间需求，圆锥台的底角为30°，筛孔29的直径为5mm，孔隙率为20%，筛孔排布方式为等边三角形，圆锥台上端面直径为3000mm，因此圆锥台高度为288.7mm。导液孔30尺寸为50X15，数量为120个，在圆锥台侧面底部均布。档板安装于大螺旋盘管的内侧，宽度为280mm，数量为6块，均布，高度为11000mm。反应器的总通风量约为100m3/min，第一通风管
1、第二通风管2、第三通风管7的通风量比例为0.7:0.2:0.1，三者的公称直径分别为DNl50，DNlOO和DN80，第一通风管I的中心线直径为600mm，第二通风管2和第三通风管7的中心线直径均为3750mm，通风管的进气压力为4atm。反应容器壁厚、驱动系统16、搅拌轴14、联轴器、机械密封、轴承支架、大螺旋盘管支架、圆锥台侧面筛孔板支架、人孔18、人梯和各种接管等按普通通风发酵罐的要求进行设计和确定。
[0085]采用本发明方案，其传热面积可达448m2，单位体积传热面积为2.99m2/m3发酵液，发酵罐内无滞流区，传质和传热的均匀性显著优于常规通风发酵罐。
[0086]同样以总体积为200m3的通风发酵罐为例，有效装液体积约为150m3，按常规设计的通风发酵罐内安装竖式盘管，总传热面积约为250m2，单位体积传热面积为1.67m2/m3发酵液，此时内置的盘管间距仅为30mm，对流体的阻滞作用明显，滞流区(或低流速区)的体积约为18m3，占总装液体积的12%，因此在竖式盘管区的传质和传热效率受到严重影响，导致反应器内流场分布不均一。
[0087]实施例3:圆筒状传热元件
[0088]与实施例2所述的反应器装置类似，将实施例2中的反应容器外部的传热元件换成为蜂窝式夹套，反应容器内部的圆筒状传热元件亦换成为蜂窝式夹套。如图4所示，内置的圆筒状传热元件呈圆筒状，上、下两端均无任何覆盖，兼做为传热元件和导流元件。其中圆筒状底板33的内径为3500mm，圆筒状底板33的高度根据反应器搅拌装置的安装位置而调整，也可以参照实施例2中大螺旋盘管的高度；圆筒状底板33的厚度为4?6_，鼓胀板34的名义厚度不小于1mm，在本实施例中，以1.2mm为佳，激光焊接点的直径为16_，间距为75_，鼓胀高度为6mm。冷却水进出管32安装于蜂窝式夹套内侧，圆筒状底板33在内侧先与冷却水支管焊接，再连接至冷却水进出管32，最后通至反应容器之外，以焊接方式为佳。
[0089]本实施例中的反应容器的罐外蜂窝式夹套的传热面积可达130m2，罐内的蜂窝式夹套同轴排列，传热面积为228m2，装液体积约为150m3，单位体积传热面积为2.39m2/m3发酵液，虽然本例的单位体积传热面积略低于实施例2，但仍远高于常规设计的发酵罐(1.67m2/m3发酵液)。其次，由于蜂窝式夹套的传热系数是大螺旋盘管的1.3?1.6倍，因此采用蜂窝式夹套的方案仍优于大螺旋盘管。其三，采用蜂窝式夹套时，反应器内的圆筒状传热元件表面平整，易于清洗，并可大大减少染菌风险。
[0090]上述装置形式为本发明优选实例，但本发明的形式并不仅限于此，允许在一定范围内做出修改。
[0091]虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
【主权项】
1.一种反应器装置，其特征在于，所述反应器装置主要包括反应容器、搅拌系统、传热装置、导流装置、空气分布器;所述搅拌系统的主体由多组径向流搅拌器和多组轴向流搅拌器组合构成，其中所述径向流搅拌器包括底层搅拌器、I?3个中部径向流搅拌器;安装于反应容器内部的传热装置由多组圆筒状传热元件同轴排列组成;所述空气分布器包括在反应容器内不同空间位置布置的多组通气管和圆锥台侧面多孔筛板;所述圆锥台侧面多孔筛板设置于反应容器的筒体中部，有I?3个;所述圆锥台侧面多孔筛板的下端面直径与反应容器直径相等，上端面直径在0.5?1.0D之间；其中D为反应容器内部圆筒状传热元件的直径。2.根据权利要求1所述的反应器装置，其特征在于，所述搅拌系统中的中部径向流搅拌器与圆锥台侧面多孔筛板一一匹配，设置I?3对，中部径向流搅拌器在对应圆锥台侧面多孔筛板的正上方。3.根据权利要求1所述的反应器装置，其特征在于，所述反应器装置的反应容器筒体中部，设置I?3个圆锥台侧面多孔筛板，圆锥台的底角在20?60°之间，孔隙率在15?40%之间，孔径在5?30mm之间。4.根据权利要求1所述的反应器装置，其特征在于，所述圆锥台侧面多孔筛板的圆锥平台上端面与其上相邻圆筒状传热元件下端面之间的垂直距离在0.2?0.8dM之间；其中dM为中部径向流搅拌器的直径。5.根据权利要求1所述的反应器装置，其特征在于，所述多组通气管还包括第三通气管，所述第三通气管安装在圆锥台侧面多孔筛板的圆锥平台之上的圆筒状传热元件与器壁之间。6.根据权利要求1所述的反应器装置，其特征在于，所述圆筒状传热元件，设置于反应器下半部分时，圆筒状传热元件的组间的间距Cb在O?10mm之间；在靠近中部圆锥台侧面多孔筛板的圆锥台时，中部圆筒状传热元件组间的间距Cm为0.4?1.6dM;其中dM为中部径向流搅拌器的直径。7.根据权利要求1所述的反应器装置，其特征在于，中部径向流搅拌器的上方设置多层轴向流搅拌器，在两者之间的圆筒状传热元件组间距Cu在0.2?0.8dM之间；其中dM为中部径向流搅拌器的直径。8.权利要求1-7任一所述的反应器装置在气液反应或者气液固反应方面的应用。9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述多组通气管包括设置在底层搅拌器正下方的第一通气管；其中第一通气管内的通风量占总通风量的40?70%，其余百分比的通风量由其它多组通风管分配。10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述多组通气管包括第一通气管、第二通气管、第三通气管，其中第一通气管、第二通气管、第三通气管的通风量之比为(0.4?0.7):(0.2 ?0.4):(0.3 ?0.1)之间。
【文档编号】C12M1/08GK105944647SQ201610496423
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】郑志永, 王子凡, 詹晓北, 高敏杰
【申请人】江南大学