專利名稱：外環(huán)流氣升式膜反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種新型的膜反應(yīng)器，特別是按照流程集成和過程強(qiáng)化的思路開發(fā)的，集成十字流膜曝氣系統(tǒng)、軸向曝氣強(qiáng)化膜分離系統(tǒng)的外環(huán)流氣升式膜反應(yīng)器，用于涉及氣液、氣液固等含氣液兩相的多相反應(yīng)和生物發(fā)酵中的反應(yīng)和分離，屬化工和生物化工設(shè)備。
背景技術(shù)：
氣升式反應(yīng)器是用于氣液兩相或氣液固三相過程的接觸反應(yīng)裝置。一般由兩個(gè)不同部分組成，僅在一個(gè)部分通入氣體，通氣部分稱為升氣部件，另一部分不注入氣體，稱為降液部件。氣升式反應(yīng)器氣體以氣泡的形式進(jìn)入連續(xù)相中，此連續(xù)相可為液體或含固體的懸浮液。由于通氣與不通氣兩部分的不同氣含率產(chǎn)生了不同流體密度差，這就使反應(yīng)器內(nèi)流體產(chǎn)生循環(huán)流動。隨著流體的循環(huán)流動，大部分氣體升至液相表面溢出，少部分氣泡被液體卷入降液管，重新向下循環(huán)。循環(huán)可使所有各相得到良好混合，使固體在液體中有效地懸浮，在整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)分布良好，得到較好的氣液或氣液固傳質(zhì)效果，氣升式反應(yīng)器屬于氣力攪拌型反應(yīng)器。
氣升式反應(yīng)器的種類很多，通常按流動循環(huán)情況可分為內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器兩大類，但其變化也較多。內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器通常為一簡單的鼓泡塔，內(nèi)置一分隔板，將塔分成升氣管與降液管兩部分，其它還有多段中心圓管的氣升式反應(yīng)器，多中心管氣升式反應(yīng)器，多管氣升式環(huán)流反應(yīng)器等。外循環(huán)氣升式反應(yīng)器的升氣管與降液管完全分開，而由靠塔頂塔底兩處水平部分分別連接，進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的氣體噴射至氣升管后，由于氣體的噴射動能和升氣管內(nèi)流體密度降低，迫使升氣管流體向上，降液管向下作有規(guī)則的循環(huán)流動。從而形成良好的混合和條件。內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器有較好的氣液傳質(zhì)，升氣管氣含率大大高于降液管的氣含率。與內(nèi)環(huán)流氣升式反應(yīng)器相比，外循環(huán)氣升式反應(yīng)器流動規(guī)則，阻力小，幾乎不存在死角，同時(shí)，表觀液體速度較大，湍流及氣液傳質(zhì)也增加，傳熱性能也優(yōu)于內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器，有較高的循環(huán)速率，另外，外循環(huán)氣升式反應(yīng)器也較易脫氣。
與其他反應(yīng)器相比，氣升式反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單、剪切力低、供氣效率高、有效界面接觸面積較大、流化效果極佳、各相都有明確的停留時(shí)間以及熱質(zhì)傳遞速率高等優(yōu)點(diǎn)。
然而，現(xiàn)有的氣升式反應(yīng)器的混合時(shí)間一般大于鼓泡塔的混合時(shí)間，特別是用于高粘性液體效果不夠理想，主要是相同混合接觸較差；相比之下，通氣攪拌反應(yīng)器依靠機(jī)械攪拌作用幫助分散氣體，能適應(yīng)高粘度液體操作。近年來，通過將機(jī)械攪拌引入氣升反應(yīng)器可有效解決這一問題，但機(jī)械攪拌的引入又將喪失很多氣升式的固有優(yōu)點(diǎn)，如機(jī)械攪拌的引入提高了氣升式反應(yīng)器的能耗、增加了內(nèi)部運(yùn)動部件，使許多生物化學(xué)反應(yīng)體系無法進(jìn)行；能量耗散不均勻等。
在化工和生物發(fā)酵領(lǐng)域存在許多高耗氣反應(yīng)，在傳統(tǒng)的反應(yīng)器中即使通過增壓和提高曝氣量可部分解決這一問題，但增壓導(dǎo)致其他氣體溶解度增加，如在發(fā)酵過程中酸性氣體CO2溶解量的增加，將導(dǎo)致體系環(huán)境的劇烈變化。而單純依靠提高曝氣量則會導(dǎo)致氣升式反應(yīng)器內(nèi)液流速度的增加和運(yùn)行成本的提高。
另外，在許多化學(xué)反應(yīng)或生物發(fā)酵過程中存在著不同的反應(yīng)階段，各個(gè)階段對混合和通氣量的要求不同。但現(xiàn)有的氣升式反應(yīng)器混合與通氣是耦合問題，通氣的條件不變則混合狀況不變，同樣的混合狀況不變則通氣狀況也必然不變。因此，無法在一套裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)過程各個(gè)階段的強(qiáng)化。
同時(shí)，連續(xù)發(fā)酵和連續(xù)反應(yīng)將極大地降低設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行成本，但對涉及液固兩相的反應(yīng)，現(xiàn)有的氣升式反應(yīng)器無法實(shí)現(xiàn)液固分離，因此也無法實(shí)現(xiàn)過程的連續(xù)進(jìn)行?，F(xiàn)有的膜生物反應(yīng)器多為帶攪拌的漿式反應(yīng)器和膜分離系統(tǒng)集成，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)反應(yīng)。ZL 01 1 08189.9中提出了一種陶瓷膜反應(yīng)分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)含有連成循環(huán)系統(tǒng)的生化反應(yīng)器和膜管分離器，系統(tǒng)在負(fù)壓下操作，通過反沖曝氣和氣升曝氣可有效地解決膜污染問題。然而該系統(tǒng)僅僅是一種氣升曝氣系統(tǒng)，其反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)并不是氣升式反應(yīng)器，其氣升循環(huán)僅僅在管路，而在反應(yīng)器主體內(nèi)的混合效率和傳質(zhì)效率均較低，且無法滿足連續(xù)膜曝氣和連續(xù)分離和對混合效率和傳質(zhì)效率的分別控制的要求。
綜上所述，開發(fā)出一種新型的氣升式膜反應(yīng)器對化工和發(fā)酵工業(yè)都有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為了解決氣升式反應(yīng)器中存在的上述問題，而提供一種高混合效率、高傳質(zhì)效率、可針對不同的反應(yīng)階段對反應(yīng)過程各個(gè)階段的混合效率和傳質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化并能實(shí)現(xiàn)連續(xù)反應(yīng)，用于氣液兩相或氣液固三相過程的外環(huán)流氣升式膜反應(yīng)器。該反應(yīng)器在高粘度、高耗氧的條件下仍能保持較高的混合和傳質(zhì)效率，并可針對反應(yīng)各個(gè)階段對混合效率和傳質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到強(qiáng)化反應(yīng)得效果，特別是該反應(yīng)器可用于涉及液固兩相的連續(xù)反應(yīng)。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是開發(fā)思路是按照化學(xué)工程領(lǐng)域中的流程集成和反應(yīng)強(qiáng)化的思路進(jìn)行的。主要技術(shù)方案如下一種外環(huán)流氣升式膜反應(yīng)器，包括反應(yīng)器釜體2、氣升管5組成，其特征在于無機(jī)膜元件7被封裝在氣升管5內(nèi)，無機(jī)膜起到氣體的徑向分布器或分離器的作用，氣升管的上部開有閥門8，氣升管的下部開有閥門6。
在上述方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型的特征還在于氣升管數(shù)量為2根或2根以上，組成多管外環(huán)流氣升式膜反應(yīng)器，多管外循環(huán)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)曝氣和連續(xù)分離的功能，氣升管的具體數(shù)量根據(jù)反應(yīng)曝氣效率和分離效率以及混合要求決定；優(yōu)選2根氣升管的多管外環(huán)流氣升式膜反應(yīng)器，反應(yīng)器釜體2連通氣升管5、13，無機(jī)膜元件7、12被分別封裝在氣升管5、13內(nèi)，無機(jī)膜可作為氣體的徑向分布器或分離器。選擇氣升管數(shù)為2根，其中1根作為曝氣管，提供反應(yīng)所需的氣體、另1根作為反應(yīng)產(chǎn)物的分離，可實(shí)現(xiàn)曝氣和分離的連續(xù)進(jìn)行。
其中上述的無機(jī)膜元件可以是金屬膜也可以是陶瓷膜；孔徑為20nm～100μm；無機(jī)膜元件7和12可以為相同的膜元件，也可以為不同性能和結(jié)構(gòu)的膜元件。
其中氣升管5、13中封裝的膜元件為單根或多根陶瓷膜，由具體的曝氣或分離要求決定；無機(jī)膜元件是單通道或是多通道；通道形狀是圓形、扇形、方形、星形或六角形。
本實(shí)用新型的特征還在于反應(yīng)器釜體2開有視窗9，反應(yīng)釜體底端有卸料口1，上端開有排氣口10；反應(yīng)釜主體2包括擴(kuò)大段和收縮段兩部分，其內(nèi)徑比為1.5～5。
本實(shí)用新型的特征還在于氣升管5、13與壓縮氣源A和真空管路系統(tǒng)B相連，與壓縮氣體A連接并通過閥門6、14控制開啟，與真空系統(tǒng)B連接通過閥門8、11控制開啟，氣升管5、13下接漏斗形倒流管4和軸向曝氣噴嘴3。
有益效果1、在升液管底部采用噴嘴沿升液管軸向方向噴射具有一定初速度的氣泡，同時(shí)，氣泡的尺寸較大，故可有效提高混合效率，由于無需運(yùn)動部件，因而具有適合很多對運(yùn)動部件敏感的體系和能耗低的特點(diǎn)。本實(shí)用新型采用管式膜曝氣系統(tǒng)，沿液體流動的方向進(jìn)行錯(cuò)流(即十字流)曝氣，由于膜孔徑小于100μm，因而在微泡或無泡的條件下，使該反應(yīng)器獲得較高的氣液傳質(zhì)效率，通過這兩種曝氣形式的耦合的十字流曝氣系統(tǒng)即有較高的混合效率也能滿足高氣液傳質(zhì)效率的要求。同時(shí)，在同一反應(yīng)的不同階段可通過對軸向曝氣和徑向曝氣量的調(diào)節(jié)，改變混合效率和傳質(zhì)效率，可實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)過程的強(qiáng)化。
2、本實(shí)用新型通過將膜分離部件耦合在該反應(yīng)器中，可實(shí)現(xiàn)涉及液固兩相反應(yīng)的連續(xù)化操作，反應(yīng)器的反應(yīng)效率提高5～80倍。
3、本實(shí)用新型通過將膜分離、膜曝氣系統(tǒng)耦合在同一反應(yīng)器中，可實(shí)現(xiàn)涉及氣液固三相反應(yīng)的連續(xù)曝氣和連續(xù)分離，提高了反應(yīng)環(huán)境和操作的穩(wěn)定性。另外，通過選擇不同性能的膜元件，能實(shí)現(xiàn)分離效率和曝氣效率的優(yōu)化。
4、本實(shí)用新型中所用膜元件為無機(jī)膜，因而可在高溫等條件下操作，適合化工領(lǐng)域一些苛性環(huán)境以及生化體系中的原位消毒。本反應(yīng)器也具有外環(huán)流式氣升式反應(yīng)器的流動規(guī)則，阻力小，幾乎不存在死角，傳熱性能好，較易脫氣故有的特點(diǎn)。同時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)表明由于軸向噴嘴產(chǎn)生的氣泡，特別是在液體中形成彈狀流時(shí)，能有效減少分離膜組件的污染情況，提高膜通量。另外，由于通過增加升液管數(shù)即可增加曝氣面積或提高分離效率，因此本反應(yīng)器適用范圍非常寬。


圖1是外環(huán)流氣升式膜反應(yīng)器示意圖。
圖2為圖1封裝膜元件為單通道的氣升管I-I方向剖面圖。
圖3為圖1封裝膜元件為多通道時(shí)的氣升管I-I方向剖面圖。
圖4為圖1封裝多根陶瓷膜時(shí)的氣升管I-I方向結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖5是多管外環(huán)流氣升式膜反應(yīng)器示意圖。
圖6是氣升管內(nèi)十字流曝氣系統(tǒng)示意圖。
圖7是氣升管內(nèi)軸向曝氣膜分離強(qiáng)化系統(tǒng)示意圖。
圖中A壓縮氣源，B為真空系統(tǒng)，D為液流主體，E為微小氣泡，F(xiàn)為大氣泡，G為產(chǎn)物，H為催化劑或菌體；1為卸料口，2為反應(yīng)器釜體，3為軸向曝氣噴嘴，4為漏斗形倒流管，5和13為外環(huán)流氣升管，6、8、11、14為閥門，7和12為無機(jī)膜元件，9為視窗，10為排氣口。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖說明本實(shí)用新型的實(shí)施方式。
實(shí)施方式1本實(shí)用新型所提供的外環(huán)流氣升式膜主要由反應(yīng)器釜體2，與反應(yīng)器相連接的外環(huán)流氣升管5，漏斗形倒流管4，軸向曝氣噴嘴3，封裝在氣升管內(nèi)的無機(jī)膜元件7，如圖1所示。反應(yīng)器釜體2包括擴(kuò)大段和收縮段兩部分，通常其內(nèi)徑比為1.5～5，具體比值根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整，同時(shí)反應(yīng)器釜體開有視窗9用以觀察反應(yīng)器內(nèi)。外環(huán)流氣升管5通過法蘭和管路與反應(yīng)釜體卸料口1相連，與壓縮氣體連接并通過閥門6控制開啟，與真空系統(tǒng)連接通過閥門8控制開啟。軸向曝氣頭連接壓縮氣體提供裝置。
本實(shí)用新型所提供的外環(huán)流氣升管內(nèi)5封裝有無機(jī)膜元件7，無機(jī)膜的材質(zhì)可以是金屬也可是陶瓷，因而可實(shí)現(xiàn)原位消毒，孔徑可在20nm～100um范圍內(nèi)選擇。封裝的膜管可以是單通道的，如圖2所示，也可以是多通道的如圖3所示。封裝的膜管可以是一根如圖2、3所示，也可以是多根，如圖4所示。對于不銹鋼循環(huán)管和金屬膜可采用焊接法，直接焊接在法蘭上，而對陶瓷膜則采用陶瓷膜的標(biāo)準(zhǔn)封裝組件進(jìn)行封裝。
本實(shí)用新型所提供的外環(huán)流氣升式膜的操作方式如下壓縮氣體通過軸向曝氣頭3被壓入氣升管，產(chǎn)生帶有一定初速度的較大氣泡F，提供軸向推動力和較大的密度差，使液流主體D沿氣升管向上運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)曝氣功能時(shí)，關(guān)閉閥門8，開啟閥門6，壓縮氣體C沿徑向經(jīng)過膜孔，以微泡E的形式被壓入無機(jī)膜管7、12內(nèi)，形成十字流曝氣系統(tǒng)，如圖6所示。混和了氣體的液流主體進(jìn)入反應(yīng)器釜體2的擴(kuò)大段實(shí)現(xiàn)氣液的部分分離，造成密度差并形成向下的流體，分離出的尾氣由排氣口10排出。實(shí)現(xiàn)分離功能時(shí)，開啟8，關(guān)閉閥門6，通過真空抽吸和反應(yīng)器內(nèi)壓將液體壓過膜孔，催化劑或菌體H被截留，產(chǎn)物G經(jīng)過膜分離系統(tǒng)移出，壓縮氣體通過曝氣頭3被壓入氣升管，產(chǎn)生較大氣泡對膜分離過程進(jìn)行強(qiáng)化，如圖7所示。
實(shí)施方式2本實(shí)用新型所提供的多管外環(huán)流氣升式膜主要由反應(yīng)器釜體2，與反應(yīng)器相連接的外環(huán)流氣升管5和13，漏斗形倒流管4，軸向曝氣噴嘴3，封裝在氣升管內(nèi)的無機(jī)膜元件7，12，如圖5所示。外環(huán)流氣升管5，13通過法蘭和管路與反應(yīng)釜體卸料口1相連，與壓縮氣體連接并通過閥門6、14控制開啟，與真空系統(tǒng)連接通過閥門8、11控制開啟。軸向曝氣頭連接壓縮氣體提供裝置。
本實(shí)用新型所提供的外環(huán)流氣升管內(nèi)5、13封裝有無機(jī)膜元件7，12，無機(jī)膜元件7，12可為同種膜元件，也可根據(jù)其具體功能的實(shí)現(xiàn)選擇不同性能的膜元件。
本實(shí)用新型所提供的多管外環(huán)流氣升式膜的操作方式如下壓縮氣體通過軸向曝氣頭3被壓入氣升管，產(chǎn)生帶有一定初速度的較大氣泡F，提供軸向推動力和較大的密度差，使液流主體D沿氣升管向上運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)曝氣功能時(shí)，關(guān)閉閥門8、11，開啟閥門6、14，壓縮氣體C沿徑向經(jīng)過膜孔，以微泡E的形式被壓入無機(jī)膜管7、12內(nèi)，形成十字流曝氣系統(tǒng)，如圖6所示?；旌土藲怏w的液流主體進(jìn)入反應(yīng)器釜體2的擴(kuò)大段實(shí)現(xiàn)氣液的部分分離，造成密度差并形成向下的流體，分離出的尾氣由排氣口10排出。實(shí)現(xiàn)分離功能時(shí)，開啟8、11，關(guān)閉閥門6、14，通過真空抽吸和反應(yīng)器內(nèi)壓將液體壓過膜孔，催化劑或菌體H被截留，產(chǎn)物G經(jīng)過膜分離系統(tǒng)移出，壓縮氣體通過曝氣頭3被壓入氣升管，產(chǎn)生較大氣泡對膜分離過程進(jìn)行強(qiáng)化，如圖7所示。與圖1中反應(yīng)器不同，開啟閥門6、11，關(guān)閉閥門8、14即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的曝氣和分離連續(xù)穩(wěn)定操作。
本實(shí)用新型所涉及的新型氣升式反應(yīng)器，可用于涉及氣液和氣液固的化學(xué)和生化過程，如廢水處理、發(fā)酵法制備有機(jī)酸、發(fā)酵法制乙醇、蛋白培養(yǎng)、甲醇合成等領(lǐng)域。
權(quán)利要求1.一種外環(huán)流氣升式膜反應(yīng)器，由反應(yīng)器釜體(2)、氣升管(5)組成，其特征在于無機(jī)膜元件(7)被封裝在氣升管(5)內(nèi)，無機(jī)膜起到氣體的徑向分布器或分離器的作用，氣升管的上部開有閥門(8)，氣升管的下部開有閥門(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的氣升管是2根或2根以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反應(yīng)器，其特征在于所述的氣升管為2根，反應(yīng)器釜體(2)連通氣升管(5)、(13)，即構(gòu)成多管外環(huán)流氣升式膜反應(yīng)器，無機(jī)膜元件(7)、(12)被分別封裝在氣升管(5)、(13)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于無機(jī)膜元件是金屬膜或陶瓷膜；孔徑為20nm～100μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其特征在于無機(jī)膜元件(7)和(12)為相同的膜元件或?yàn)椴煌阅芎徒Y(jié)構(gòu)的膜元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于每根氣升管內(nèi)可封裝單根或多根陶瓷膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于無機(jī)膜元件是單通道或是多通道；通道形狀是圓形、扇形、方形、星形或六角形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于反應(yīng)器釜體(2)開有視窗(9)，反應(yīng)釜體底端有卸料口(1)，上端開有排氣口(10)。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的反應(yīng)器，其特征在于氣升管(5)、(13)與壓縮氣源(A)和真空管路系統(tǒng)(B)相連，與壓縮氣源A連接通過閥門(6)、(14)控制開啟，與真空系統(tǒng)B連接通過閥門(8)、(11)控制開啟；氣升管(5)、(13)下接漏斗形倒流管(4)和軸向曝氣噴嘴(3)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征是反應(yīng)釜主體(2)包括擴(kuò)大段和收縮段兩部分，其內(nèi)徑比為1.5～5。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種新型的膜反應(yīng)器，尤其涉及一種外環(huán)流氣升式膜反應(yīng)器。該反應(yīng)器包括反應(yīng)器釜體、氣升管、無機(jī)膜元件、軸向曝氣頭等部件。無機(jī)膜作為徑向氣體分布器和分離器被封裝在外循環(huán)氣升管中，并與壓縮氣源和真空系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化徑向曝氣和連續(xù)反應(yīng)分離的耦合。該反應(yīng)通過軸向曝氣噴嘴和徑向曝氣膜組成的十字流曝氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氣升式反應(yīng)器曝氣效率和攪拌效率的分別調(diào)節(jié)，因而可根據(jù)反應(yīng)不同階段的具體需要對兩參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇。本反應(yīng)器具有裝置簡單、操作方便、適用范圍廣、傳質(zhì)效率高、能耗低、放大容易等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C02F3/02GK2841645SQ200520075139
公開日2006年11月29日 申請日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月2日
發(fā)明者徐南平, 景文珩, 邢衛(wèi)紅 申請人:南京工業(yè)大學(xué)