螺旋筛板式气升式反应器的传质特性及其初步应用

发布时间：2020-03-27 05:22

【摘要】：气升式反应器(Airlift Reactor,ALR)在生物工程、化学工程和环境工程等领域具有广泛应用。不同于机械搅拌罐,通风是气升式反应器唯一的能量消耗源。作为一种节能型的生物反应器,气升式反应器在好氧微生物发酵、合成气生物发酵、氢化反应、氯化反应及Fischer-Tropsch合成过程中有重要应用。近年来,对新型气升式反应器的开发、传质混合及其应用的研究越来越引起研究者和工程师的兴趣和重视。本文主要设计了一种带有螺旋筛板的气升式反应器(ALR-HSP),研究了不同筛板结构,下降段和上升段截面积比(A_d/A_r)和气体分布器的传质及混合特性,并将其初步应用于毕赤酵母的好氧发酵过程中。以气含率、体积传质系数、气泡速度和混合时间为评估参数,分析比较了不同筛板结构(开孔率、螺旋角)气升式反应器的传质特征。装配优化结构的螺旋筛板后气含率(ε)和体积传氧系数(k _La)分别提高了38~53%和76~144%,提出了符合实验条件下的新型气升式反应器中气含率和体积传质系数k_La的经验方程。发现螺旋筛板的开孔率主要影响气液传质特性,螺旋角主要影响混合特性。增加螺旋板中的开孔率可以使更多的气泡破裂成小气泡,从而增加气液比表面积来提高气液间传质效率。较大的螺旋角会导致一些气泡做螺旋流动,因此,流体的切向混合得到增强。研究了气升式反应器内下降段和上升段截面积比(A_d/A_r)对传质(k_La和ε)和混合性能(t_m)的影响。实验表明A_d/A_r的增大会减小ε。当A_d/A_r小于0.69时,在同一表观气速下,k_La没有明显差异,因为筛板的存在使k _La增加;A_d/A_r大于0.69增时,k_La随A_d/A_r的增大而减小。混合时间随着A_d/A_r的增加而增加。选择了向上通气和向下通气的环形气体分布器和八喷嘴旋切分布器,考察其对传质和混合性能的影响。实验表明,在通气量一定的情况下,向下通气的环形分布器比八喷嘴旋切分布器k _La提高了9~47%,向上通气的环形分布器提高了51~117%,通气孔径小的分布器能产生更小的气泡有利于传质和混合,通气角度向上比其他角度的效果要好。为了验证这种带螺旋筛板的气升式反应器的性能,对经典的比欧SSTC-50 L气升式发酵罐进行了改造,结合上述实验设计了新的导流筒和螺旋筛板,选择毕赤酵母作为实验菌种来进行通风发酵。在同一通气条件下,在带螺旋筛板的反应器中发酵时间缩短了4 h,生物量提高了20%,最大生长速率和比生长速率提高了一倍。同时用尾气分析仪测量了O_2消耗速率(OUR)和CO_2释放速率(CER)。在有螺旋筛板时,OUR和CER在菌体生长期都有明显的增加。初步显示出螺旋筛板式在强化传质效率和反应效率方面的优越性能和实用性。
【图文】：

气升式,气升式反应器,外循环,隔板式

图 1-1 不同结构的气升式反应器 (a)隔板式；(b)中心气升式；(c)环隙气升式；(d)外循环式Fig.1-1 Airlift reactor with different structures (a)split-cylinder; (b)gas from center internal; (c)gas fromring internal; (d)external1.2 气升式反应器的国内外发展

环形分布器,气体分布器,气孔,旋切

10图 2-2 气体分布器 (a) 八喷嘴旋切分布器；(b) 环形分布器Fig.2-2 Gas distributors (a) rotary-cut 8-orifice nozzle；(b) ring distributor本实验中有三种气体分布器，分别是环形分布器-气孔向上，，环形分布器-气孔
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ052

【参考文献】