CN1244136A - 搅拌叶片单元 - Google Patents
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Abstract
为了提高在气-液混合槽中气体的吸收特性,可以增加搅拌功率和通风量。但是在实际工业规模中,这样的措施将导致设备的扩大和所需能量的增加。所以,不是很容易就可提高气体吸收特性。还有,当以工业规模操作最近开发的搅拌叶片单元时,叶片单元的转速必须增加很多以便获得一定的搅拌效果。转速的增加也将造成其他问题,如设备结构变得复杂和扩大(搅拌叶片单元不能很容易地固定到搅拌槽中)。在这样的环境下,本发明的目的是解决这样先有技术的问题和提供一种可以有效地吸收气体的气-液混合叶片单元,以及它可以减小制造成本和安装空间两者。为了达到上述的目的,本发明的搅拌叶片单元的特征在于,在排出型内部搅拌叶片1的周围形成穿孔的圆筒2,以便与搅拌轴一起转动。穿孔的圆筒的开孔率是30到50%。内部搅拌叶片单元1使用排出型搅拌叶片单元,这种搅拌叶片单元一般用于发酵槽作气-液混合。这样,从叶片单元水平方向排出的气-液流肯定打中在叶片单元周围形成的穿孔的圆筒。由于这个气-液流打中穿孔圆筒,流动的压力显著地改变,从而使气泡细化。结果提高了气体吸收特性。本发明的搅拌叶片单元将适合用于发酵、通风,反应(加氢和氧化)罐等所需的气、液混合。
Description
本发明的领域
本发明涉及搅拌叶片单元,特别是用于气-液混合槽中,将刚好装设在所述叶片单元下面的喷嘴或喷射器供应的气体细化和分散到液体中,以便以低成本,在紧凑的空间内高效率的吸收所述气体的这种搅拌叶片单元。
本发明的背景
在各种工艺过程中采用气-液混合,例如在发酵、污水处理、氧化、加氢等过程中。在这些工艺过程中,这样的通风搅拌,由于通风和搅拌的作用可以满足在需氧的发酵培养过程中所需的氧气量,但是实际上,在许多这样气-液混合的情况中,生产率是由使用的发酵槽中氧气的供应能力所决定。气-液混合的主要目的将是分散和细化气泡,将气体组分吸收到液体中。对应用搅拌槽在气-液接触中形成气体吸收,下述的关系表达式是众所周知的。(工业工程化学(Ind.Eng.Ches.)45卷2554页(1944年))
KLa∝Pvα×Usβ
在上面式中:
KL:液体搅拌中的质量传递系数
a:每单位体积气-液接触面积
Pv:每单位体积搅拌功率
Us:表面气体速度
α、β:常数。
为了提高气体吸收的效率,必须解决怎样增加气-液接触面积的问题,也就是怎样使气泡的尺寸最小和分散它们的问题。因为,上述表达式中KL是由材料的固体状态特性和流体状态决定的。但是实际上是增加搅拌功率Pv和通风能力Us来解决这个问题的。
此外,为了达到上述目的,在搅拌功率和通风能力两者受到抑制,不可能尽量增大时必须采取措施有效地细化气泡,也必须开发更有效的搅拌叶片单元。在最近几年里,提出了一种叶片单元,它可以有效地混合气体和液体,而不会损坏微生物(未审查的公开的日本专利申请5-103956号),提出了一种发酵槽改进方法,它通过在目标发酵槽中固定一个金属丝网以便包围搅拌叶片单元,这样可以提高酵素移动能力系数(Kla)(已审查的公开的日本专利申请3-4196号),提出了一种混合和气-液接触的有效方法,它是在搅拌叶片单元的尖端提供气体入口(已审查的公开的日本专利申请57-60892号),提出了一种搅拌叶片单元,它可以使用能一起转动一对螺旋桨和穿孔的圆筒的搅拌叶片单元有效地提高搅拌的混合(未审查的公开的日本专利申请6-85862号),等等,而且已经确认了它们的效果。
但是实际上通过增加上述搅拌功率和通风能力将很难改进气体的吸收。因为这些因素的增加伴随着设备尺寸的扩大和能量消耗的增加。当要增加搅拌功率时,想到的措施是增加搅拌的转动速度和增加叶片的尺寸,但是这些措施将需要与搅拌有关的某些部件的改进和加强,例如搅拌器本身的改造、增加搅拌槽的强度等。特别是,在现有的设备上将很难应用上述的这样改进和加强措施,这是由于结构上的原因,在许多情况下是费用的问题。
还有,当以工业规模操作最近几年开发的那些装置中的任何一个时,将会产生各种问题,如必须更大地增加转速以便获得所希望的效果,设备在结构上将变得更加复杂,设备的尺寸将变得更大(从而使它不能固定到目标的搅拌槽中)等等。当叶片单元的功率特性与常规的叶片单元,如透平机叶片等的功率特性不同时,叶片的尺寸将变得更大。因此在这样的情况下,将很难把该叶片单元应用到任何现有搅拌设备中。
本发明的公开
在这样的环境下,本发明的目的是解决上述先有技术的各种问题,并提供紧凑的搅拌叶片单元,它应用在气-液混合槽中可以更有效地吸收气体。
为了达到上述目的,本发明提供排出型搅拌叶片单元,其中在搅拌叶片单元的四周形成穿孔的圆筒,以便与搅拌叶片单元的轴一起转动。在本发明中与轴一起转动的穿孔圆筒的开孔率应该在30%到50%。
附图的简要描述
图1是本发明的搅拌叶片单元的示意图(当使用圆筒形叶片单元作为内部搅拌叶片单元时);
图2是一个例子,它将图1中所示的搅拌叶片单元连接到本发明第一例子中的搅拌槽。
实现本发明的最佳模式
下面,将参考附图描述本发明的几个实例。
图1是本发明实例的搅拌叶片单元的示意图。本发明搅拌叶片单元基本结构的特征在于,在排出型内部搅拌叶片单元的圆周形成穿孔的圆筒2,搅拌叶片单元装设有防止气泡向上的盘。穿孔的圆筒2与搅拌单元1的轴一起转动。在图1中,内部搅拌单元1形成为圆筒叶片单元。内部搅拌叶片单元1一般是排出型搅拌叶片单元,其用于发酵槽中的气-液混合等。叶片单元的结构是这样,使得在水平方向由叶片单元排出的气-液流肯定打中在叶片单元周围形成的穿孔的圆筒。当应用排出型搅拌叶片单元作为内部搅拌叶片单元1时,从叶片单元排出的气-液流可以垂直地打中穿孔的圆筒2,从而显著地改变流动的压力。因此在本发明中使用排出型搅拌叶片单元。它不是轴向流动型。因为气-液流打中穿孔的圆筒时引起的压力变化,使气泡变细并更快地被吸收。此外,由于穿孔的圆筒与轴一起转动,穿孔的圆筒可以非常靠近叶片单元的尖端,在那里排出的气流将获得最大的压力变化。如果穿孔的圆筒是固定在搅拌槽中,在叶片单元和穿孔的圆筒之间必须要有间隙,以便防止它们之间发生碰撞。这样将不能获得最大的压力变化,气体吸收的效率也将降低。
本发明的内部搅拌叶片单元可以是平的透平叶片单元,斜的透平叶片单元、凹的叶片单元、圆筒形叶片单元等等,只要它们是排出型的。
用于本发明搅拌叶片单元的穿孔的圆筒应有35%到45%的穿孔率。结构应是穿孔的金属或有孔的圆筒体。穿孔的圆筒2的高度L和直径r应是内部搅拌叶片单元的叶片的宽度b的1.5到3倍和内部搅拌叶片单元的直径d的1.01到1.05倍。穿孔的圆筒2的材料可以是陶瓷、不锈钢、铁等,只要它有足够的使用强度。
内部搅拌叶片单元1和穿孔的圆筒2可按如下方法连接起来:将穿孔的圆筒焊接或螺栓连接到内部搅拌叶片单元的尖端,或者将穿孔的圆筒的突缘连接到内部叶片单元的盘上,以便固定穿孔的圆筒。此外,穿孔的圆筒2应这样定位,使内部搅拌叶片单元的叶片在穿孔的圆筒的中心。
还有,在这个发明中,如空气这样的气体可以用刚好装设在本发明的搅拌叶片单元之下的单孔喷嘴、多孔喷嘴、喷射器等排气。通风的方法没有特别的限制。
这样,本发明的搅拌叶片单元可以更好地细化气泡,从而比先有技术的搅拌叶片单元提高气-液混合槽中的气体吸收效率(对加氢等)。
实例
下面,本发明将参考实例进行更详细的解释。
实例1
本发明的第一实例将参考图2解释。
图2是测量用的整个搅拌叶片单元的横剖面图。搅拌槽是圆筒形的搅拌槽,其装有70升的透明丙稀酸的盖。槽的底经过镜面处理(10%端部形状)。此外,8个30毫米宽挡板对称地连接到槽的壁上。液体的深度HL按对槽的直径HL/D=1(D=400mm(毫米))确定。然后用亚硫酸盐氧化法,通过测量在上述搅拌槽中搅拌叶片单元的氧气传递速率OTR(氧气传递速率的属名:OTR ∝ Kla)来检查本发明的效果。在上述测量时本发明的搅拌叶片单元刚好放在靠近槽的底部装设的喷射器喷嘴的上面,从喷嘴供应的气体速率为0.85VVM(气体体积/装入液体体积每分钟)。在这种情况下,使用8个透平叶片和圆筒形叶片(每个叶片都是直径d=110mm,宽度b=21mm)作为本发明的内部叶片单元。使用穿孔的金属(直径r=115mm,高度h=50mm,穿孔率=38%,孔直径=2mm)作为穿孔的圆筒。如表1所示,当使用本发明的叶片单元时,与先有技术一般用于气-液混合的8个透平叶片单元或“EGSTAR”(EBLE(公司)的产品名称)相比,在相同的搅拌功率(Pv=1kw/m3)下氧气传递率OTR最大提高达26%。在这个试验中所用的8个透平叶片单元是通过将平板状叶片与盘连接得到的搅拌叶片单元(叶片直径d=110mm,宽度b=21mm)。该“EGSTAR”叶片单元是包括一对螺旋桨叶片和一起转动的穿孔的圆筒,以便提高搅拌混合效率的搅拌叶片单元(叶片直径d=200mm,圆筒高度L=200mm)(描述在审查的已公开日本专利申请6-85862号中)。
表1
搅拌叶片单元之间氧气传递速率的比较
搅拌叶片单元 | 氧气传递速率OTR〔摩尔/立方米.小时〕 | OTR差〔-〕 |
8-透平-叶片单元 | 116.4 | 1 |
“EGSTAR” | 87.5 | 0.75 |
本发明内部叶片单元:8-透平-叶片单元 | 130.9 | 1.13 |
本发明内部叶片单元:圆筒形叶片单元 | 146.9 | 1.26 |
*OTR差指的是以8-透平-叶片单元OTR假设为1时每个搅拌叶片单元的值。
然后,通过改变上面解释的本发明搅拌叶片单元中所用的穿孔的圆筒的穿孔率,在上述的相同的条件下测量氧气传递速率OTR的变化。表2表示当穿孔的圆筒的穿孔率分别为0、30、35、44、50和55%时所得到的测量结果。表2中OTR值是在搅拌功率为1kw/m3时的值。当表2中穿孔率在30到50%时发现,氧气传递速率高于8-透平叶片单元的值。当穿孔率更大时,排出的流量通过穿孔的圆筒更加容易。所以在穿孔的圆筒内和外两边产生的压力变化变得更小。此外,当穿孔率更小时由于穿孔的圆筒的作用,对流动的阻力变得非常大。这样,排出的流量不能通过穿孔的圆筒。
表2穿孔率变化引起的氧气传递速率的差别
搅拌叶片单元 | 穿孔率〔%〕 | 氧气传递速率OTR〔摩尔/立方米.小时〕 | OTR差 |
8-透平叶片单元 | - | 116.4 | 1 |
本发明内部搅拌叶片单元:圆筒形叶片单元 | 0 | 97.5 | 0.84 |
30 | 117.2 | 1.01 | |
35 | 146.9 | 1.26 | |
44 | 132.5 | 1.14 | |
50 | 122.4 | 1.05 | |
55 | 115.3 | 0.99 |
*OTR差指的是以8-透平叶片单元OTR假设为1时每个搅拌叶片单元的值。
实例2
本发明的搅拌叶片单元连接到2.5m3(立方米)的发酵槽中,用亚硫酸盐氧化法测量氧气传送速率OTR。搅拌的条件如下:液体体积是1.5m3,通风体积是1/3VVM,温度是30℃。使用刚好装设在搅拌叶片单元下面的喷射器喷嘴进行通风就象第一实施方案中一样。在这种情况下,使用圆筒形叶片单元(叶片直径d=500mm,宽度b=80mm)作为内部搅拌叶片单元,使用穿孔的金属(直径r=510mm,高度h=190mm,穿孔率=40%,孔直径=5mm)作为穿孔的圆筒。在比较试验中,使用8-透平叶片单元(叶片直径d=500mm,宽b=80mm)代替本发明的一个搅拌叶片单元。试验条件与上述试验条件相同。
在上述条件下测量得到的结果,其OTR提高约25%到107.7摩尔/立方米.小时,而在搅拌功率1kw/m3时8-透平叶片单元的氧气传递速率为86.4摩尔/立方米.小时。
应用实例1
将本发明的搅拌叶片单元连接到2.5M3的发酵槽中,用描述在审查的公开的日本专利申请52-024593号中的短杆菌flavumQBS-4 FERM P-2308如下发酵L-谷氨酸。
首先,调配包括表3中表示的各组分的培养基,以20亳升(ml)为单位输送到500ml烧瓶中,在115℃下加热10分钟进行杀菌。然后接种培养。
表3
种子培养基
组分 | 浓度 |
葡萄糖尿素KH2PO4MgSO4·7H2OFeSO4·7H2OMnSO4·4H2O维生素B1维生素H大豆蛋白质水解物质(作为整个发酵体积) | 50g/l(克/升)4g/l1g/l0.4g/l10g/l10g/l200g/l30g/l0.9g/l(pH7.0) |
接着调配表4中表示的主培养基,并在115℃下杀菌10分钟,在此之后,在31.5℃温度下2.5M3的发酵槽中接种和主培养种子培养基液体。在这种情况下,搅拌条件如下:转速为175转/分(rpm),通风体积为1/2VVM。为了通风,与实例1一样使用刚巧装设在搅拌叶片单元下面的喷射器喷嘴。作为用于培养的搅拌叶片单元,分别使用用于培养的8-透平叶片单元(叶片直径d=500mm,宽度b=80mm)和本发明的搅拌叶片单元。使用圆筒形叶片单元(叶片直径d=500mm,宽b=80mm)作为本发明的内部搅拌叶片单元。使用穿孔金属(直径r=510mm,高度h=190mm,穿孔率=40%,孔直径=5mm)作为穿孔的圆筒。在培养中用氨气把培养基pH值调整到7.8。当培养液中的Succharum消耗尽时结束发酵,并测量在培养液中累积的L-谷氨酸。表5表示培养的结果。
结果是,当使用本发明的搅拌叶片单元时,氧气传递速率提高了,从而使L-谷酸氨生产率从2.51克/升/小时提高约25%到3.14克/升/小时(g/l/hr),如表5中表示的那样。
表4主培养基
组分 | 浓度 |
废糖浆(作为葡萄糖)KH2PO4MgSO4·7H2O维生素B1消泡制(pH 7.0) | 150g/l(克/升)1g/l1g/l100g/l20ul/l(微升/升) |
表5培养结果
搅拌叶片单元 | L-谷氨酸累积体积(g/l) | L-谷氨酸生产速度(g/l/hr) |
8-透平叶片单元 | 75.2 | 2.51 |
本发明叶片单元 | 76.1 | 3.14 |
工业的可应用性
本发明的排出型搅拌叶片单元的特征在于,穿孔的圆筒在叶片单元周围与搅拌轴一起转动,并有穿孔率30-50%。这样叶片单元使从叶片单元排出的气-液流能打中穿孔的圆筒,显著地改变气-液流的压力。结果气泡能有效地细化从而提高在气-液混合槽中气体吸收的效率,以及获得节约能源的效果。
还有,当改进使用排出型叶片单元如透平叶片单元的现有搅拌槽时,仅需要用本发明的叶片单元代替搅拌叶片单元来提高性能。不需要其他重要的修改,如替换马达和减速机,加强搅拌槽,因为在现有的叶片单元和本发明的叶片单元之间功率特征并没有多大差别。
本发明的搅拌叶片单元对发酵槽,通气池,反应罐(加氢和氧化)等将都是有用的。
Claims (5)
1.一种排出型搅拌叶片单元,其中,在所述搅拌叶片单元周围形成与搅拌轴一起转动的穿孔的圆筒。
2.按照权利要求1所述的搅拌叶片单元,其中,与所述搅拌轴一起转动的所述穿孔圆筒的开孔率是30到50%。
3.按照权利要求1所述的搅拌叶片单元,其中,所述搅拌叶片单元是平的透平叶片单元、斜的透平叶片单元、凹的叶片单元或圆筒形叶片单元。
4.按照权利要求1所述的搅拌叶片单元,其中,所述穿孔的圆筒的结构是穿孔的金属或有孔的圆筒体。
5.按照权利要求1所述的搅拌叶片单元,其中,所述穿孔的圆筒的高度是所述搅拌叶片单元的宽度的1.5到3倍,和所述穿孔的圆筒的直径是所述搅拌叶片单元的直径的1.01到1.05倍。
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