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双环流气升式反应器流动及混合特性研究

孙凤杰  
【摘要】:气升式反应器因其结构简单、良好的混合传热性能、便于操作等优点已广泛用于化工、生物化工等行业。国内外学者对其进行了广泛而深入的研究,其中包括从对物料的性质、反应器的操作条件、反应器的结构等方面考察气升式反应器的流体力学、传递性能等方面。 喷射环流反应器(JLR)因其高效的多相传递性能以及简单的设备结构、低能耗、易于操作等优点,已广泛应用于生物、环境化工过程中。对于喷射环流反应器的性能,多针对有氧过程,其研究对象多集中在细长型反应器上,其中对高径(H/D)比为7~12的反应器的研究约占70%以上,研究的重点侧重于气液传质效果,气体停留时间等。而对于适用于厌氧反应的低高径比反应器性能的研究报道则很少见。 气升式反应器在好氧发酵中已被大量采用,在厌氧反应领域的应用则很少见。目前,厌氧发酵中,以酒精发酵生产为例,应用较多的还是传统的无搅拌大型罐。这类反应器的总体特点是:结构简单,具有较低的高径比(一般H/D=1.1:1左右)。随着生产规模的大型化,其应用中存在的问题也日益暴露。 大型罐在酒精生产使用过程中,存在易积物、易染菌,浓度梯度差大等问题,同时在后发酵期又会因积料占去一定的罐容,使发酵时间被迫缩短从而引发原料的浪费与酒精产率的降低。 将喷射环流反应器应用于厌氧发酵,主要通过气液内循环使醪液搅动,减少滞留和染菌现象。其中由于在喷射过程中,气液混合强度很大,剪切力也很大,这对于消除细胞周围的代谢物抑制膜将十分有利。同时考虑到生产大型化发展趋势的要求,宜在内循环的基础上加入外循环以实现外冷,减少内部复杂冷却清洗装置,增加有效罐容。同时由于喷射自吸式环流反应器循环量与通气量的调节方便,结构形式简单易于实现连续化操作,对于厌氧发酵过程,所需的气量不大故而又可节约附加设备投资。 本文重点针对厌氧反应的特点,将喷射式双环流反应器用于厌氧发酵过程。对一种具有低高径比(H/D=1.67)的双环流气升式反应器的流动及混合性能进行了研究。主要考察导流简直径、外循环流量,通气量的变化对气含率、混合时间、循环液速及单位体积料液功耗的影响。由于喷射自吸式反应器在喷射过程中能耗损失较 大.因此我们采用通气和吸气两种不同的气体引入方式,将两种情况下反应器的流 动、混合及功耗情况进行研究。将二者进行经济性对比。为工业实际应用提供一定 参考。 本实验包括内、外两个循环通路。实验介质为:空气一水体系,气液比范围为 0.01一o.lm3(G)/mi可耐(L);外循环流范围为:通气情况2一6m3/h,吸气情况3一sm,瓜; 导流筒直径变化范围D‘/D。=0.733,0.76,0.787。 实验主要采用的测量方法:气含率的测量采用体积膨胀法:下降区循环液速、 混合时间的测量采用电导示踪迹法。泵有效功率的计算运用柏努力方程式求得。压 缩空气功率按绝热过程计算。 通过对实验结果进行分析和讨论,在实验范围内回归到得相应关联式。 实验范围内,不论是通气还是吸气情况,气含率与循环液速均随表观气速的增 大而增大。气含率受表观气速影响,其变化规律可用:一Ku霎或近似以直线 :=A十Bug关系描述。外循环流量对气含率影响不大。外循环流量较小时,气含率 随外循环流量增大而减小。循环液速随外循环流量的增大而增大。 混合时间随表观气速及外循环流量的增大而减小。吸气时的混合情况要好于通 气情况。功耗随表观气速及外循环流量的增大而增大。其主要取决于外循环流量的 大小。达到相同的混合效果时,吸气时所消耗的功率要远大于通气情况。导流筒尺 寸变化对气含率、混合时间及功耗的影响可通过一定的无因次关系反映。


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