機(jī)械攪拌釜式反應(yīng)器

1、機(jī)械攪拌釜式反應(yīng)器機(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)器模型第1頁/共30頁簡(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)。32021-12-7第2頁/共30頁結(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)，便于清洗 通氣裝置 氣體

2、分布器 混合裝置 原生流 次生流42021-12-7第3頁/共30頁 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52021-12-7第4頁/共30頁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62021-12-7第5頁/共30頁流體流動(dòng)機(jī)理原生流

3、：以平葉渦輪為例，攪拌器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)開始在液體內(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。72021-12-7第6頁/共30頁流體流動(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)傳遞完全無影響，但是不可能排除原生流，因?yàn)榇紊饕揽吭魈峁┠茉础?2021-12-7第7頁/共30頁 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)剪應(yīng)力

4、，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，很多生物過程對(duì)剪應(yīng)力非常敏感。92021-12-7第8頁/共30頁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)無法用理論方法直接算出，其與其他無因次數(shù)群的關(guān)聯(lián)式只能由實(shí)驗(yàn)確定。102021-12-7第9頁/共30頁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112021-12-7第10頁/共30頁對(duì)不同的槳葉，過渡區(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)流動(dòng)特征

5、，能量傳遞曲線可分為3個(gè)區(qū)域： 層流區(qū)： 0Re10 NeRe-1 過渡區(qū)： 10Re100 NeRe-1 NeRe-0.28 湍流區(qū)： 100Re NeRe-0.28122021-12-7第11頁/共30頁上圖中曲線收集了11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)定的過渡從攪拌周圍液體表面形成強(qiáng)烈的渦流開始。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)驗(yàn)結(jié)果， Re0 Re1 /3,此值與

6、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)定操作條件的過渡與Galilei數(shù)Ga有關(guān)。132021-12-7第12頁/共30頁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=Di32g/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： 1/3Re1ReRe1 142021-12-7第13頁/共30頁帶擋板和不帶擋板反應(yīng)器中渦輪槳的能量傳遞曲線圖152021-12-7第14頁/共30頁 當(dāng)Re 10000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

7、倍，可見，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，而無擋板反應(yīng)器內(nèi)的渦流固定發(fā)生在攪拌軸周圍。162021-12-7第15頁/共30頁牛頓型流體的氣液傳質(zhì) 氧的傳遞是許多好氧生物過程的限制性步驟，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)過程，氧的傳遞與氧的消耗是串聯(lián)過程，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 172021-12-7第16頁/共30頁q0=Om =Yx/oK La(co*-co) Yx

8、/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第17頁/共30頁熱傳遞 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)器中溫度在任何條件下都不為常數(shù)，不僅隨空間而變

9、化，而且隨時(shí)間變化，熱傳遞為非定態(tài)過程。 研究中將過程簡(jiǎn)化為動(dòng)態(tài)過程，以使結(jié)果是實(shí)際盡可能接近。 熱傳遞主要依靠次生流。192021-12-7第18頁/共30頁經(jīng)驗(yàn)方程202021-12-7第19頁/共30頁由于攪拌器和換熱類型對(duì)計(jì)算影響很大， Nu=0.464Re2/3 Pr1/3(/W)0.14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)212021-12-7第20頁/共30頁通氣機(jī)械攪拌式生物反應(yīng)器模型液相： 間歇培養(yǎng)時(shí)，若

10、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：dCs1=K a(co*-co) dtYx/oLdCx= max dts+CsCsCxK222021-12-7第21頁/共30頁 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232021-12-7第22頁/共30頁The End2021-12-724第23頁/共30頁流體流動(dòng)機(jī)理次生流： 在攪拌器的水平面上，離

11、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)傳遞完全無影響，但是不可能排除原生流，因?yàn)榇紊饕揽吭魈峁┠茉础?52021-12-7第24頁/共30頁 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，很多生物過程對(duì)剪應(yīng)力非常敏感。262021-12-7第25頁/共30頁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272021-12-7第26頁/共30頁帶擋板和不帶擋板反應(yīng)器中渦輪槳的能量傳遞曲線圖282021-12-7第27頁/共