CN103146564A - 同轴异速组合桨反应器及其工业应用 - Google Patents

同轴异速组合桨反应器及其工业应用 Download PDF

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黄娟
鲍杰
戴干策
张家庭
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Abstract

本发明涉及一种同轴异速组合桨反应器及其工业应用，包含圆筒形立式容器及一个轴向安装在容器中的搅拌装置，其特征在于，搅拌装置为组合桨，一个自上而下盘旋在位于反应器中心的搅拌轴周边的螺带桨搅拌桨，一个位于反应器下部位置附近的下层搅拌桨，一个位于反应器底部的底部搅拌桨。本发明采用三种叶片组合，对物料提供了剪切与循环两种作用，在上述两种流动的共同作用下，使加入到反应器内的物料能够得到快速混合，使搅拌槽内能耗分布更加均匀，能量得到有效利用，并能够解决壁面附近物料粘壁问题，强化传热，促进颗粒均匀悬浮，结构简单，结构、操作参数便于调节，加工制造及安装便利。

Description

同轴异速组合桨反应器及其工业应用
【技术领域】
本发明涉及机械搅拌技术领域，具体地说，是一种同轴异速组合桨反应器及其工业应用。
【背景技术】
现代工业的迅速发展，对能源的需求急剧增加，当今世界各国消耗的能源大部分来自化石资源。化石能源不仅储量有限，而且会导致大量的NOx、SO2等有害气体以及CO2、甲烷等温室气体排放，所以对环境友好的可再生资源的开发显得日益重要。燃料乙醇作为一种最有前景的可再生能源越来越受到各国的关注。
现在燃料乙醇的生产主要以糖类作物(巴西)和玉米(美国)作为原料，其产量受到粮食资源的限制，且原料成本高达总成本的40％，难以长期满足能源需求，从长远考虑必须寻找丰富且廉价的原料来源，最近这方面的研究主要集中在木质纤维素上。据统计木质纤维素原料占地球总生物量的50％。主要包括：①农业废弃物，如麦草、玉米秸秆、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等；②工业废弃物，如制浆和造纸厂的纤维渣、锯末等；③林业废弃物；④城市废弃物，如废纸、包装纸等。木质纤维素的原料和废弃物，其成分为碳水化合物聚集体，包含纤维素、半纤维素、葡聚糖和木质素。这些物质起初通常用各种化学的，机械的和酶方法处理以主要释放己糖和戊糖，从而可随后发酵为有用的产品。这些处理在复杂性和效率方面有差异。
由纤维素生产燃料乙醇的工艺，基本上可以分为两类，第一类，为SHF工艺，即纤维素的水解和糖液的发酵在不同的反应器内进行；第二类，为SSF工艺，即纤维素的水解和发酵在同一个反应器内进行。SSF不但简化了生产装置，而且因发酵罐内的纤维素水解速度远低于葡萄糖发酵速度，使溶液中葡萄糖和纤维二糖的浓度很低，这就消除了他们作为水解产物对酶水解的抑制作用，相应可减少酶的用量。此外低的葡萄糖浓度也减少了杂菌感染的机会。目前SSF已成为很有前途的生物质制酒精工艺。
以玉米秸秆同步糖化发酵生产乙醇工艺为例，分析其反应工程特性，大致可概括为如下几点：
一、考察酶水解反应的动力学特性，其特点如下，首先酶必须被吸附到纤维素表面(吸附量符合Langmuir吸附等温线)，该吸附平衡过程所需时间大概为几分钟，被吸附的酶随后对纤维素作用，作用时起始速率是很快的，随着水解进行几分钟后，水解速率显著下降，在水解24h后，水解速率不到初始水解速率的2％。由此可见，对于整个水解过程而言，虽然其所需时间很长(有工艺过程甚至长达几天)，但最重要的过程是在最初的几分钟，这就要求水解酶、菌种能在秸秆物料中快速混合并吸附到纤维素表面。
二、考察酶(菌种)的用量与秸秆物料的用量之比，易发现，两者的量是相差很大的，除此之外，水解酶(菌种)的粘度远低于秸秆物料的粘度，对于相比相差很大的异粘物系的混合，其混合技术就要困难许多，这就对物料(玉米秸秆物料、水解酶、菌种)的加料方式(尤其对于大量的秸秆物料，是一次性加入还是分批加入，若分批加入，加料时间为多长，每次加入的量又为多少？)、加料位置、搅拌桨混合性能提出了更高的要求。类似地，反应器内pH值的控制具有相同的问题。
三、考察玉米秸秆物料在整个糖化发酵过程中的相态变化，其过程如下：在最初液化的几个小时内，生物质结构被降解，反应器内物料由固态逐渐转变为浓稠的浆糊状；随着液化过程的深入进行，玉米秸秆的结构完全消失，物料由固态转变为液态；在后续的糖化及发酵过程中，物料的粘度继续降低，在反应结束后，反应器内物料呈淤浆或悬浮液体状。此外，发酵过程中，体系会有CO2气体产生，此时体系为气液固三相复杂体系。由此可见，对于SSF工艺，同一反应器内，体系的粘度经历了由高粘到低粘的动态转变过程，这就要求所设计的糖化水解反应器在不同粘度阶段都能具有较好的混合性能。反应后期，固相的悬浮、产生的气体的排出也是必须考虑的问题。
四、前已述及，纤维素酶首先必须吸附到纤维素表面才能进行水解反应，从传质角度，秸秆物料的粒度越小，其与纤维素酶的接触面积越大，则水解效果越好。这就对加入到反应器内秸秆物料粒度提出一定要求。
五、对于糖化及发酵反应，需要维持在一定温度下进行的，对于糖化反应的最佳温度在45～55℃，发酵反应的最佳温度在28～33℃。这就要合理设计反应器夹套及反应器的加热操作方式，使反应器传热性能能够满足反应需要。
为了执行上述工艺，各种各样的设备已经使用于不同类型的生物质，进行不同的处理，包括小规模的工艺开发和一些大规模生产设备。一些设备的品种已经使用，包括间歇搅拌反应器(Gusakov and Sinitsyn，1985Enz.Microb.Technol.7：346-352，CN101090962A，CN101160388A)、连续流搅拌反应器(US4257818)、研磨反应器(Ryu和Lee(1983)Biotechnol.Bioeng.25：53-65)挤压反应器(US6176176)、NREL收缩床(shrinking bed)反应器(Lee等人，2001，Appl.Biochem.Biotech.91-93：331-340)和电磁场感应加强搅动的反应器(Gusakov等人，(1996)Appl.Biochem.Biotech.56：141-153)。
上述反应器，除中国专利CN101090962A外，其他较早期的反应器适用于分别水解和发酵工艺，反应器型式多为水解工艺装置，其结构多着重于对纤维素物料的研磨，以增加水解酶与纤维素的接触面积，增强水解效果，因而造成了反应器内构件过于复杂，不利于工业化。中国专利CNl01160388A公布了一种可处理生物质的设备，该设备具有连接至容器内侧的可旋转的挡板、研磨介质(包含自由飘浮在该反应容器内部的丸粒)及用于输送加工反应剂的装置的注射喷枪。该设备同样只适用于水解工艺，且设备结构过于复杂，不利于工业化。中国专利CN101090962A结合了酶水解与依赖于确保机械力(主要是剪切力和撕裂力)施用于生物质的重力原理的混合类型，选用诸如鼓式混合机、翻转式混合机或类似的混合装置的自由降落混合机，其混合原理主要是径向重力扩散混合，轴向对流较小。同时，由于生物质体系具有粘附性，该反应器在一定的装料量下，相对较多的物料会粘附在反应器壁面及桨叶上，不能有效地进行混合。由于该设备搅拌桨并不具有刮壁功能，粘附在反应器壁面上的物料不能被及时移走，造成反应器传热性能下降。此外为增强混合效果而在筒内加入的钢球或类似装置显然增加了设备的复杂性及设备加工的难度，不利于工业放大，且滚动混合机运转时噪声大，混合时间长，能耗高。因此，为了使通过可再生的生物资源生产发酵糖成为一种经济的、有竞争力、可商业化的方法，要求设计一种有效的反应器。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种同轴异速组合桨及其工业应用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种同轴异速组合桨反应器，包含圆筒形立式容器及一个轴向安装在容器中的搅拌装置，其特征在于：搅拌装置为组合桨，一个自上而下盘旋在位于反应器中心的搅拌轴周边的螺带桨搅拌桨，一个位于反应器下部位置附近的下层搅拌桨，一个位于反应器底部的底部搅拌桨。
所述的螺带式搅拌桨通过支撑杆固定在搅拌轴上，并自上而下盘旋在搅拌轴周边，构成框体；
所述的螺带式搅拌桨为单螺带式搅拌桨，为条带状的板片构成的螺旋带。
所述的单螺带式搅拌桨的直径D1与反应器直径T的比例为：D1∶T＝0.9-0.98∶1。
所述的单螺带式搅拌桨的螺距P与螺带式搅拌桨的直径D1的比例为：P∶D1＝0.5～2.5∶1。
所述的螺带式搅拌桨的高度H与直径D1的比例为：H∶D1＝0.5～1.5∶1。
所述的下层搅拌桨为涡轮/翼型搅拌桨；
所述的涡轮/翼型搅拌桨置于螺带式搅拌桨形成的框体内，固定在所述螺带式搅拌桨的上下两个端部之间的搅拌轴上；
所述的涡轮/翼型搅拌桨为直叶涡轮桨、斜叶桨或翼型桨。
所述的涡轮/翼型搅拌桨的直径d为螺带式搅拌桨直径D1的0.3～0.7倍。
所述的翼型桨盘面比为0.3～0.9∶1。
所述的涡轮/翼型搅拌桨之间的间距S与螺带式搅拌桨直径D1的比例S∶D1＝0.3～0.5∶1。
所述的底部搅拌桨固定在搅拌轴的底端。
所述的底部搅拌桨的直径D2与反应器直径T的比例为：D2∶T＝0.9-0.98∶1。
所述的螺带式搅拌桨，涡轮/翼型搅拌桨可以以不同速度旋转；
一种同轴异速组合桨反应器在生物质生产乙醇的同步糖化发酵中的应用；在具有较高干物质含量的生物质在水解酶及酵母菌的作用下，将生物质糖化发酵制乙醇的方法和所采用的反应器。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明选择三种不同的桨型，构成组合桨，所述组合装置包括：一个自上而下盘旋在搅拌轴周边的螺带桨，该桨依靠壁面附近强剪切及轴向主体对流循环，可高效的对物料进行混合，尤其对于高粘性物料，促进液固传质；此外，由于该桨叶的直径较大，桨叶可起到刮壁作用，可有效的防止壁面物料的粘结，防止反应器传热性能恶化及物料损失；一个或多个位于反应器下部位置附近的下层涡轮/翼型搅拌桨，该桨使流体产生轴向流动，适用于低粘度物系，一方面加强了流体的轴向流动，另一方面可有效的防止固相沉积；一个位于反应器底部位置的底部搅拌桨，该桨起到对反应器底部刮底的作用，防止固相沉积及底部物料的粘结。三种不同类型桨叶的组合，充分发挥各自的独特性能，使反应器中的物料混合，固体悬浮，体系达到较好的混合性能。
本发明的同轴异速组合搅拌桨，包括搅拌轴、螺带式搅拌桨、斜叶/涡轮/翼型搅拌桨和底桨；
所述的螺带式搅拌桨通过支撑杆固定在直径较大的空心搅拌轴或从搅拌槽顶部置入的实心搅拌轴上，并自上而下盘旋在搅拌轴周边，构成框体；
所述涡轮/翼型搅拌桨置于所述的螺带式搅拌桨形成的框体内，固定在所述螺带式搅拌桨的上下两个端部之间的空心搅拌轴内部一根实心搅拌轴上或从搅拌槽底部置入的实心搅拌轴上；
术语：螺带式搅拌桨和涡轮/翼型搅拌桨在《Handbook ofIndustrial Mixing》上均有详细的定义。
本发明采用三种叶片组合，对物料提供了剪切与循环(包括轴向与径向)两种作用，在上述两种流动的共同作用下，保证反应器内温度均匀，满足反应器内传热与液固两相之间的传质需求及气体分散所必需的适度剪切，使加入到反应器内的物料能够得到快速混合，使搅拌槽内能耗分布更加均匀，能量得到有效利用，并能够解决壁面附近物料粘壁问题，强化传热，并可防止固体沉积，促进颗粒均匀悬浮，可广泛应用于具有高固含量、粘稠液体以及包含通入和反应产生适量气体的多相物系的反应需要。本发明结构简单，结构、操作参数便于调节，加工制造及安装便利。
【附图说明】
图1为本发明的反应器的总体结构示意图；
图2为螺带桨结构示意图；
图2a为单螺带桨结构示意图；
图2b为双螺带桨结构示意图；
图3为涡轮/翼型桨结构示意图；
图3a为斜叶/翼型桨结构侧视图；
图3b为斜叶/翼型桨结构俯视图；
图3c为涡轮桨结构测视图；
图3d为涡轮桨结构俯视图；
图4为底桨结构示意图。
附图中的编号分别为：1反应器，2搅拌装置，201搅拌轴，202螺带式搅拌桨，203下层搅拌桨，204底部搅拌桨，205支撑杆，206实心搅拌轴，3泡沫检测器，4pH计，5热电偶，6溶氧电极，7加料口，8蒸汽夹套装置，9耦合器，10电机，11第二电机，12第二耦合器。
【具体实施方式】
以下提供本发明一种同轴异速组合桨反应器及其工业应用的具体实施方式。
实施例1
请参见附图1到4，一种同轴异速组合桨反应器，包含圆筒形立式容器及一个轴向安装在容器中的搅拌装置，其特征在于：搅拌装置为组合桨，一个自上而下盘旋在位于反应器中心的搅拌轴周边的螺带桨搅拌桨，一个位于反应器下部位置附近的下层搅拌桨，一个位于反应器底部的底部搅拌桨。
一个轴向安装在所述的反应器1中的搅拌装置2，搅拌装置包括一个自上而下盘旋在搅拌轴201周围的螺带式搅拌桨202，一个位于反应器底部位置附近安装在实心搅拌轴206上的下层搅拌桨203。
所述的螺带式搅拌桨通过支撑杆205固定在搅拌轴上，并自上而下盘旋在搅拌轴周边，构成框体；
所述涡轮/翼型搅拌桨置于所述的螺带式搅拌桨形成的框体内，固定在所述螺带式搅拌桨的上下两个端部之间的空心搅拌轴内一根实心搅拌轴或从搅拌槽底部置入的实心搅拌轴上，优选的，涡轮/翼型搅拌桨的层数为1～3层；优选的，螺带式搅拌桨与涡轮/翼型搅拌桨可以以不同速度旋转；
所述的底部搅拌桨204固定在所述搅拌轴底端；
优选的，所述底部搅拌桨为桨式或锚式桨，所述桨式或锚式桨的结构在《Handbook of Industrial Mixing》上均有详细的描述。
优选的，所述的螺带式搅拌桨为单螺带式搅拌桨，为条带状的板片构成的螺旋带，如图2a；
优选的，所述的螺带式搅拌桨为双螺带式搅拌桨，为条带状的板片构成的螺旋带，如图2b；
进一步，所述涡轮/翼型搅拌桨为直叶涡轮桨、斜叶桨或翼型桨；
术语“直叶涡轮桨、斜叶桨或翼型桨”的定义在《Handbook of IndustrialMixing》手册上均有详细的描述；
进一步，所述的单螺带式搅拌桨的直径D1与反应器直径T的比例为：D1∶T＝0.9-0.98；
进一步，所述的底桨的直径D2与反应器直径T的比例为：D2∶T＝0.9-0.98；
进一步，所述的单螺带式搅拌桨或者双螺带搅拌桨的螺距P与螺带式搅拌桨2的直径D1的比例为：P∶D1＝0.5～2.5；
进一步，所述涡轮/翼型搅拌桨203的直径d为螺带式搅拌桨202直径D的0.3～0.7倍；
进一步，所述的翼型桨盘面比为0.3～0.9；
进一步，所述涡轮/翼型搅拌桨之间的间距S与螺带式搅拌桨直径D1的比例S∶D1＝0.3～0.5；
进一步，所述螺带式搅拌桨的高度H与直径D1的比例为：H∶D1＝0.5～1.5。
进一步，所述螺带式搅拌桨的宽度W与直径D1的比例为：W∶D1＝0.05～0.18。
所述盘面比指的是叶轮叶片投影面积与叶轮水平横截面面积之比。
优选的，搅拌轴为空心搅拌轴，实心搅拌轴位于空心搅拌轴内部；
优选的，搅拌轴为实心搅拌轴，从顶部安装；搅拌轴为实心搅拌轴，从搅拌槽底部安装；
一个安装在反应器外壁处的蒸汽夹套装置8，该装置满足了维持反应器在一定温度下操作的要求。
一个由反应器顶部安装的泡沫检测器3，检测由于CO2气体产生导致体系发泡的泡沫高度。
三个分别安装在反应器器壁不同位置处的传感器：pH计4、热电偶5及溶氧电极6，分别用来监测反应器内pH值、温度及溶氧浓度。
两个用于向螺带型搅拌桨及涡轮/翼型搅拌桨输送能量的电机，电机选用额定功率为2.2KW的三相变频电机，转速及转向可由变频器调节。优选的，电机10竖直安装在搅拌槽上方，搅拌电机11竖直安装在与搅拌槽平行的支架上；优选的，电机10竖直安装在搅拌槽上方，第二电机11竖直安装在搅拌槽下方。
两个用来测量搅拌***功率消耗的非接触式扭矩耦合器。传感器测量范围为：0～50Nm，优选的，耦合器9采用竖直方式安装在搅拌槽上方，上端与电机采用法兰连接，下端与搅拌轴采用轴连接，第二耦合器竖直安装在于搅拌槽平行的支架上，下端与电机采用法兰连接，上端与搅拌轴采用轴连接；优选的，耦合器采用竖直方式安装在搅拌槽上方，上端与电机采用法兰连接，下端与搅拌轴采用轴连接，第二耦合器竖直安装在搅拌槽下方，下端与电机通过法兰连接，上端与搅拌轴采用轴连接。扭矩信号计算机进行采集，由耦合器输出的4～20mA的电流信号，经数据采集***转化为数值信号输入到计算机中。
两个用来测量搅拌轴转速的转速测量仪表。实验过程中，大直径空心搅拌轴的转速维持在5～120rpm，小直径实心搅拌轴转速维持在100～300rpm；不同反应阶段，大小直径桨叶采用不同速比操作。
生物质同步糖化工艺，如玉米秸秆制燃料乙醇即可在上述反应器中，由加料口7分批向反应器内加入具有一定干物质含量(2～30％)的预处理秸秆物料，秸秆物料的粒度要求在0.07～0.3mm范围内，具有不同组分浓度的营养盐(磷酸氢钾、硫酸镁、硫酸氨、酵母萃取粉或玉米浆)及具有一定酶活的纤维素酶，预先酶解0～24小时，酶解温度控制在45～55℃，用酸或碱调节pH控制在4.5～5.0，此时反应物系的表观粘度位于10～50Pa·s(平均剪切速率1s-1条件下)；预酶解后，向反应器内接入一定量的发酵菌种，发酵温度控制在30～40℃，发酵周期为48～84小时，实现同步糖化发酵生产乙醇。
采用上述的方法生物质原料生产乙醇，由于搅拌叶轮的合理选择与配置，可有效的处理具有高干物质含量的生物质物料，顺利实现该物料的同步糖化与发酵，且结构简单，有利于工业放大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种同轴异速组合桨反应器，包含圆筒形立式容器及一个轴向安装在容器中的搅拌装置，其特征在于，搅拌装置为组合桨，一个自上而下盘旋在位于反应器中心的搅拌轴周边的螺带桨搅拌桨，一个位于反应器下部位置附近的下层搅拌桨，一个位于反应器底部的底部搅拌桨。
2.如权利要求1所述的一种同轴异速组合桨反应器，其特征在于，所述的螺带式搅拌桨通过支撑杆固定在搅拌轴上，并自上而下盘旋在搅拌轴周边，构成框体。
3.如权利要求1所述的一种同轴异速组合桨反应器，其特征在于，所述的螺带式搅拌桨为单螺带式搅拌桨，为条带状的板片构成的螺旋带。
4.如权利要求1所述的一种同轴异速组合桨反应器，其特征在于，所述的单螺带式搅拌桨的直径D1与反应器直径T的比例为：D1∶T＝0.9-0.98∶1；
所述的单螺带式搅拌桨的螺距P与螺带式搅拌桨的直径D1的比例为：P∶D1＝0.5～2.5∶1；
所述的螺带式搅拌桨的高度H与直径D1的比例为：H∶D1＝0.5～1.5∶1。
5.如权利要求1所述的一种同轴异速组合桨反应器，其特征在于，所述的下层搅拌桨为涡轮/翼型搅拌桨。
6.如权利要求5所述的一种同轴异速组合桨反应器，其特征在于，所述的涡轮/翼型搅拌桨置于螺带式搅拌桨形成的框体内，固定在所述螺带式搅拌桨的上下两个端部之间的搅拌轴上。
7.如权利要求1所述的一种同轴异速组合桨反应器，其特征在于，所述的涡轮/翼型搅拌桨为直叶涡轮桨、斜叶桨或翼型桨。
8.如权利要求1所述的一种同轴异速组合桨反应器，其特征在于，所述的涡轮/翼型搅拌桨的直径d为螺带式搅拌桨直径D1的0.3～0.7倍；
所述的翼型桨盘面比为0.3～0.9∶1；
所述的涡轮/翼型搅拌桨之间的间距S与螺带式搅拌桨直径D1的比例S∶D1＝0.3～0.5∶1。
9.如权利要求1所述的一种同轴异速组合桨反应器，其特征在于，所述的底部搅拌桨固定在搅拌轴的底端；
所述的底部搅拌桨的直径D2与反应器直径T的比例为：D2∶T＝0.9-0.98∶1。
10.一种同轴异速组合桨反应器在生物质生产乙醇的同步糖化发酵中的应用。
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