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1、機械攪拌式反應器姓名：李四輝學校：林化所 專業(yè)： 廢水處理 機械攪拌式反應器 綜述 結構 攪拌器 流體流動機理 能量傳遞 牛頓型流體的氣液傳質 熱傳遞 反應器模型 簡述 醫(yī)藥工業(yè)中第一個大規(guī)模的微生物發(fā)酵過程青霉素生產是在機械攪拌釜式反應器中進行的。 迄今為止，對新的生物過程，首選的生物反應器仍然是機械攪拌釜式反應器。特點： 對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才會考慮用其他類型反應器。 大多用于間歇反應。 32 0 2 1 -4 -2 3 結構傳熱裝置 小反應器： 夾套 大反應器： 蛇管 將半圓形管子焊接在反應器外壁，既可以很好傳熱，又簡化內部結構
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動中損失的機械能相平衡 用最少的能量消耗達到和維持流體運動的性能使氣體在液體中分散 達到預定的氣液界面積和截面積在器內分布使氣液分離 達到氣液易于分離的氣泡直徑和氣泡運動性能使所有組分充分混合 不傷害微生物的前提下，用最小的能量達到適合微生物生長的混合狀況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 流體流動機
3、理原生流：以平葉渦輪為例，攪拌器的旋轉運動開始在液體內部造成切向運動，使液體按攪拌器速度旋轉，產生原生流。 72 0 2 1 -4 -2 3 流體流動機理次生流： 在攪拌器的水平面上，離心力驅動流體從中心向外運動，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。 熱質傳遞主要靠次生流，原生流對熱質傳遞完全無影響，但是不可能排除原生流，因為次生流依靠原生流提供能源。 82 0 2 1 -4 -2 3 牛頓黏性定律 在攪拌反應器中使微元體混合的唯一依靠是剪切速率，即速度梯度。因為只有流體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，每一個剪切速率對應一個剪
4、應力，使液滴、團塊、氣泡破碎，也會損傷細胞或使酶活力下降，尤其是絲狀菌和動物細胞，很多生物過程對剪應力非常敏感。 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)群的關聯(lián)式只能由實驗確定。 1 02 0 2 1 -4 -2 3 在最常用條件下獲取大量實驗數(shù)據(jù)得到牛頓數(shù)與雷諾數(shù)的關系 1 12 0 2 1 -4 -2 3 對不同的槳葉，過渡區(qū)略有遷移，NeRe關系中雷諾數(shù)的指數(shù)也稍有變化。 實驗表明，根據(jù)
5、流動特征，能量傳遞曲線可分為3個區(qū)域：層流區(qū)： 0 Re1 0 Ne Re-1過渡區(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，由不帶擋板反應器的Re給定。當ReRe1時，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烈的渦流開始。當渦流到達槳葉時，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：ReRe1 Re也有下限Re0。根據(jù)實
6、驗結果， Re0 Re1 /3 ,此值與測定攪拌器旋轉軸扭矩儀器靈敏度有關。 用不同粘度流體進行相同實驗表明，不穩(wěn)定操作條件的過渡與Galilei數(shù)Ga有關。 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器中渦輪槳的能量傳遞曲線圖1 52 0 2 1 -4 -2 3 當Re 1 0 0
7、0 0時，帶擋板反應器的牛頓數(shù)幾乎是不帶擋板反應器的3倍，可見，此時盡量使用帶擋板攪拌反應器。通常認為擋板可以防止渦流的形成，但實驗證明這是錯誤的：有擋板的反應器仍然存在渦流，只是渦流發(fā)生的位置不確定，持續(xù)時間得到了限制，而無擋板反應器內的渦流固定發(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 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氧所生成的細胞量氧傳遞為限制步驟時，增加K La可以提高菌生成速率。K La與輸入功率有關，對通氣式機械攪拌反應器： 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)（對應攪拌器類型查表可知）流體的黏度對流動性和氣液傳質有很大影響，隨黏度上升傳質系數(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 在間歇反應中，攪拌的目的是在整個反應器中得到均一的反應條件，使反應器內所有成分的濃度和流體溫度不隨位置而變化。由于流動條件限制，反應器中溫度在
9、任何條件下都不為常數(shù)，不僅隨空間而變化，而且隨時間變化，熱傳遞為非定態(tài)過程。研究中將過程簡化為動態(tài)過程，以使結果是實際盡可能接近。熱傳遞主要依靠次生流。 1 92 0 2 1 -4 -2 3 經驗方程 2 02 0 2 1 -4 -2 3 由于攪拌器和換熱類型對計算影響很大， 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、 通氣機械攪拌式生物反應器模型液相： 間歇培養(yǎng)時，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，組裝幾個徑向攪拌器時，可視為定態(tài)操作的活塞流；裝液高度較低時，若攪拌器為軸向流，可看作定態(tài)操作的全混流反應器CSTR.若氧不累積，衡算則： 且滿足：Qom= K La(co*-co) 傳質速率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
機械攪拌釜式反應器
