《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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)法用理論方法直接算出，其與其他無(wú)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(guò)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(guò)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(guò)渡從攪拌周圍液體表面形成強(qiáng)烈的渦流開(kāi)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(guò)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(jiàn)，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(wú)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(guò)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(guò)程，氧的傳遞與氧的消耗是串聯(lián)過(guò)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(guò)程。研究中將過(guò)程簡(jiǎn)化為動(dòng)態(tài)過(guò)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
機(jī)械攪拌釜式反應(yīng)器
