專利名稱：混合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混合系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，涉及用于在一個(gè)槽內(nèi)使液體循環(huán)并進(jìn)行氣-液接觸的系統(tǒng)(方法和設(shè)備)，特別是當(dāng)這種液體是非牛頓液體并具有剪切變稀粘度特性時(shí)。良好的液體循環(huán)和混合以及緊密的氣-液接觸有利于氣體成分向液體內(nèi)的物質(zhì)傳遞。
本發(fā)明特別適用于生物反應(yīng)過(guò)程，例如通過(guò)循環(huán)含有微生物和生長(zhǎng)培養(yǎng)基的漿料進(jìn)行發(fā)酵，特別是當(dāng)發(fā)酵過(guò)程使?jié){料的粘度增加時(shí)。本發(fā)明可改善這類液體的充氧條件和混合效果，促進(jìn)發(fā)酵過(guò)程。本發(fā)明特別適用的一種發(fā)酵過(guò)程是用于生產(chǎn)多糖例如黃原膠的過(guò)程，并通過(guò)改善溶液的循環(huán)和混合以及充氧，從而改善高濃度黃原膠的發(fā)酵過(guò)程，其中在這種高濃度黃原膠的情況下，會(huì)產(chǎn)生極高的粘度，以致于利用傳統(tǒng)的方式無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效的循環(huán)和混合。因此，采用本發(fā)明能夠增加作為黃原膠濃度的函數(shù)的發(fā)酵物的產(chǎn)量或者在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出發(fā)酵產(chǎn)品。
采用實(shí)施本發(fā)明的混合系統(tǒng)可有效地對(duì)非牛頓液體進(jìn)行混合和充氧，該非牛頓液體具有剪切變稀的特性，即在有剪切作用存在的情況下，這種液體的粘度顯著降低。為了降低液體的粘度以便使之能夠被循環(huán)，在傳統(tǒng)的系統(tǒng)中把產(chǎn)生剪切力的區(qū)域限制在用于循環(huán)液體的葉輪附近。這種區(qū)域有時(shí)被稱之為圍繞葉輪的剪切變稀洞穴。其余的液體，例如葉輪所處槽內(nèi)的液體仍然保持高的粘度，因此不能循環(huán)或混合到有效地進(jìn)行氣體交換，特別是達(dá)到槽內(nèi)全部液體的充氧所需程度。槽中的液體未混合或未循環(huán)部分常常被稱之為“死區(qū)”，它會(huì)大大降低發(fā)酵過(guò)程的總效率。
根據(jù)本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，槽內(nèi)的一定體積的液體循環(huán)可使得槽內(nèi)的液體能夠整體循環(huán)。在剪切變稀(非牛頓)液體的情況下，當(dāng)攪拌的剪切力場(chǎng)或剪切力分布圖達(dá)到槽內(nèi)液體的一部分體積時(shí)，將引起液體的循環(huán)。根據(jù)本發(fā)明，產(chǎn)生不同于循環(huán)方向的液體流動(dòng)(例如產(chǎn)生渦流)的剪切力場(chǎng)或剪切力分布被抑制。通過(guò)液體的一部分體積的流動(dòng)造成整個(gè)槽內(nèi)的所有部位的流動(dòng)，從而使全部液體循環(huán)以便獲得槽內(nèi)液體從上到下的翻轉(zhuǎn)。因此，可以實(shí)現(xiàn)例如在發(fā)酵過(guò)程等中所需的將氣體引入循環(huán)液流并進(jìn)行充氣的目的。
已經(jīng)提出過(guò)采用各種手段提高槽內(nèi)的混合和循環(huán)效果的方案。但是，在很多非牛頓剪切變稀液體中，特別是在發(fā)酵過(guò)程中所存在的苛刻的循環(huán)和混合條件下，這些技術(shù)不能夠保證以促進(jìn)這些反應(yīng)過(guò)程所必需的足夠速度進(jìn)行適當(dāng)?shù)难h(huán)和混合。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種混合系統(tǒng)，在苛刻的混合條件下，特別是在非牛頓(剪切變稀)液體所表現(xiàn)出來(lái)的那種嚴(yán)格混合條件下，該系統(tǒng)可對(duì)液體進(jìn)行有效的循環(huán)和混合。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的涉及液體的循環(huán)和充氣的系統(tǒng)，它可以有效地用于高粘度、剪切變稀的液體。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于對(duì)槽內(nèi)的液體進(jìn)行循環(huán)的改進(jìn)的葉輪系統(tǒng)，它可以節(jié)約在槽內(nèi)產(chǎn)生所需流動(dòng)的能量。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的葉輪，該葉輪通過(guò)在槽中液體表面的上方產(chǎn)生液體噴射流從而有利于表面充氣，這種表面充氣在這里也稱之為表面摻氣，這種表面摻氣不受槽中液體表面處的氣體(不管是空氣，氧氣或其它氣體)的性質(zhì)的限制。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種混合環(huán)境，它可降低溶液的表觀粘度，從而提高液相物質(zhì)傳遞，并提高整個(gè)氣-液物質(zhì)傳遞。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的測(cè)定充氣效率的方法，所述充氣在這里稱之為氣體向液體內(nèi)的物質(zhì)傳遞，并用總液相物質(zhì)傳遞系數(shù)KLa表示，特別是提供一種借助非穩(wěn)態(tài)再充氣方式測(cè)定液體充氧的方法，在由于高粘度以及大量液體相混合時(shí)效率較低以及充氣液體介質(zhì)的不透明性而無(wú)法采用標(biāo)準(zhǔn)的溶氧探針及標(biāo)準(zhǔn)的Winkler溶氧滴定工藝的情況下，該方法可精確地進(jìn)行這種測(cè)量。
簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明可用一個(gè)設(shè)置在槽中液體表面(當(dāng)液體不循環(huán)而靜止時(shí)測(cè)得的表面)下方的混合器系統(tǒng)并利用多個(gè)沿一靜止導(dǎo)管的軸線相互分隔開的葉輪來(lái)實(shí)施，其中葉輪圍繞靜止導(dǎo)管的軸線旋轉(zhuǎn)。該導(dǎo)管提供一些處于該管內(nèi)部和外部的同軸區(qū)，其中，導(dǎo)管的直徑和長(zhǎng)度使得導(dǎo)管占據(jù)槽內(nèi)液體的一部分體積。葉輪包括多個(gè)，同時(shí)葉輪產(chǎn)生一個(gè)剪切力場(chǎng)或攪拌力分布圖以及一個(gè)壓力梯度，以便產(chǎn)生通過(guò)內(nèi)部區(qū)域向上然后通過(guò)外部區(qū)域向下的良好循環(huán)。葉輪產(chǎn)生多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的攪拌力場(chǎng)，特別是它們相互交疊。例如，借助從導(dǎo)管壁向內(nèi)徑向伸出并軸向位于葉輪之間(優(yōu)選地在絕大多數(shù)葉輪的上方和下方配置)的隔板來(lái)抑制導(dǎo)管內(nèi)的渦流。
可將氣體噴灑(噴射)到進(jìn)入導(dǎo)管內(nèi)和/或液體表面的液流中。在這種情況下，通過(guò)采用一個(gè)表面充氣葉輪，夾帶著液體表面上方的槽內(nèi)的空氣的充氣過(guò)程可被加強(qiáng)。同時(shí)，借助一個(gè)將內(nèi)部和外部區(qū)域連通的套管可增強(qiáng)導(dǎo)管上部的循環(huán)。
表面充氣葉輪可利用多個(gè)沿周向互相分離并與沿葉輪的旋轉(zhuǎn)軸線徑向延伸的直線成銳角設(shè)置的多個(gè)葉片形成?？裳由斓奖砻嫦路降娜~片的下部部分可向外折疊。葉片使液體形成向離開表面向上和向外方向的噴射傘。
通過(guò)下面結(jié)合附圖所進(jìn)行的說(shuō)明，本發(fā)明的前述目的和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)以及其優(yōu)選實(shí)施例、實(shí)施本發(fā)明的最佳形式將會(huì)變得更加清楚，其中

圖1是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的含有一個(gè)混合葉輪系統(tǒng)的槽的示意性前視剖面圖；圖2是沿圖1的2-2線截取的沿箭頭方向觀察到的剖視圖；圖3是類似于圖1的根據(jù)本發(fā)明的葉輪系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的視圖；圖4是沿圖3的4-4線截取的剖視圖；圖5是類似于圖1所示的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的視圖；圖6是一個(gè)類似于圖1的本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例的視圖；圖7是一個(gè)沿圖6的7-7線截取的從箭頭方向觀察的剖視圖；圖8是一個(gè)類似于圖1的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的視圖；圖9是一個(gè)類似于圖1的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的視圖；圖10是沿圖9的10-10線截取的從箭頭方向觀察到的剖視圖；圖11是沿圖9的11-11線截取的剖視圖；以及圖12是一個(gè)曲線圖，它示出了在液體內(nèi)作為時(shí)間函數(shù)的氧濃度的變化，所述液體己在一個(gè)如圖1所示的系統(tǒng)內(nèi)充氧，同時(shí)該曲線圖對(duì)于推導(dǎo)出因液體充氧所造成的物質(zhì)傳遞系數(shù)KLa是十分有用的。
首先參見圖1和2，它示出了一個(gè)已經(jīng)證明可十分有效地用于混合和循環(huán)非牛頓液體及液體漿料并對(duì)其充氣的混合系統(tǒng)。圖1所示的系統(tǒng)被證實(shí)特別適合于改善包括發(fā)酵在內(nèi)的生物反應(yīng)過(guò)程(并特別適合于生產(chǎn)黃原膠的過(guò)程)的混合和物質(zhì)傳遞。下面所介紹的是說(shuō)明混合和充氧過(guò)程的例子，在這些過(guò)程中，利用空氣作為對(duì)模擬高濃度(重量百分比為百分之三到百分之四)黃原膠溶液的氣體充氧介質(zhì)。對(duì)這種溶液進(jìn)行有效地混合和充氧的能力以及能夠生產(chǎn)在具有提高的商業(yè)價(jià)值的濃度的發(fā)酵產(chǎn)品是本發(fā)明的一個(gè)重要特征。
非牛頓流體的特征是，它具有一個(gè)可變的作為外加剪切力的函數(shù)的粘度。諸如水和礦物油等牛頓流體具有恒定的粘度。在處于剪切力場(chǎng)中時(shí)，非牛頓流體的粘度發(fā)生變化，在該剪切力場(chǎng)中，液體受到一個(gè)變化的剪切率(1/sec)。重量百分比在百分之三范圍內(nèi)的黃原膠溶液是一種商業(yè)用非牛頓溶液，在靜止時(shí)其粘度在10,000cp(厘泊)(例如10,000到30,000cp)的數(shù)量級(jí)，而在高剪切率的情況下為則100cp。這里所采用的所有粘度值全部是用布氏(Brookfield)粘度計(jì)測(cè)定的。
在充氣過(guò)程中，例如在發(fā)酵過(guò)程中的液體培養(yǎng)基的充氧過(guò)程中，要求連續(xù)地充氣直到不能再以足夠的速度輸入氧氣為止，以便供養(yǎng)發(fā)酵培養(yǎng)基中的微生物。當(dāng)在多糖發(fā)酵中接近這一條件時(shí)，粘度增加到供充氧速度和培養(yǎng)基的循環(huán)不能再供應(yīng)微生物所需的氧的程度。當(dāng)達(dá)到這一條件時(shí)，發(fā)酵作用不能再繼續(xù)進(jìn)行。本發(fā)明所提供的混合系統(tǒng)即使在這些條件下(黃原膠濃度高達(dá)百分之三或更高)，通過(guò)將溶液的大部分保持在高剪切率狀態(tài)，也可將諸如黃原膠溶液等非牛頓流體保持在低粘度下，從而能夠持續(xù)有效地進(jìn)行輸氧和混合。因此，這種過(guò)程從一開始就可一直持續(xù)保持低粘度的初始條件(在黃原膠中為100到200cp)，因?yàn)樵诒换旌虾脱h(huán)的液體的絕大部分中都具有高的剪切率。從而在具有高濃度黃原膠的液體中可以進(jìn)行充氣，所述液體的很大部分保持足夠的粘度，從而能夠在發(fā)酵器中對(duì)全部體積的液體都能進(jìn)行良好的循環(huán)和供氧。
如圖1和2所示，液體位于槽10內(nèi)，并具有一個(gè)液面12，當(dāng)槽內(nèi)的液體靜止時(shí)(即不被循環(huán)或翻轉(zhuǎn)時(shí))，該液面位于槽的上部或上緣14之下，位于槽的表面12和底部16之間。槽10通?？梢允菆A柱形的，槽壁豎直向上設(shè)置。一個(gè)圓柱形的導(dǎo)管20優(yōu)選地安裝在槽的中央。當(dāng)槽為圓柱形時(shí)，導(dǎo)管20的軸線與槽10的軸線重合。導(dǎo)管的直徑及其長(zhǎng)度為，由導(dǎo)管20所限定出的內(nèi)部體積基本上占槽10中液體體積的至少25％，優(yōu)選地占50％。在槽的底部16和導(dǎo)管的下端22之間具有一個(gè)間隙。導(dǎo)管上端24位于液體表面12附近。多個(gè)混合葉輪26,28,30和32安裝到一個(gè)公用軸34上，并由該軸驅(qū)動(dòng)。軸的上端可經(jīng)由齒輪箱(未示出)連接到一個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)上，軸34的下端可被支承在一個(gè)固定的軸承36上。葉輪全部采用同樣的類型，即所謂的傾斜葉片渦輪(PBT)，其具有多組繞旋轉(zhuǎn)軸線周向間隔開的四個(gè)葉片，所述軸線為軸34的軸線，所述葉片相對(duì)于軸線成45°角設(shè)置。這種PBT可從美國(guó)的Lightnin Unit of General Signal Corporation購(gòu)得，其型號(hào)為A200?；蛘撸部刹捎昧硗庖环N軸流式葉輪，例如翼型葉片(有時(shí)稱之為水翼葉片)。這種軸流式葉輪例如為可從Lightnin Unit購(gòu)得的A-35型葉輪，它在Weetman的美國(guó)專利4,896,971中進(jìn)行過(guò)描述。其它適宜的翼型葉輪在Weetman的美國(guó)專利4,468,130中也進(jìn)行過(guò)描述。
導(dǎo)管內(nèi)的混合系統(tǒng)還包括四個(gè)由豎直隔板構(gòu)成的隔板組38,40,42和44，這些隔板圍繞軸34的軸線的外周成90°設(shè)置在葉輪之間，如后面所討論的其它附圖所示。另外的隔板組可位于最上部和最下部葉輪32和26的上部，如果需要的話也可設(shè)置于其下部。換句話說(shuō)，在每一組內(nèi)包含兩對(duì)相互之間成180°的隔板對(duì)(見圖2)。葉輪26-32借助于隔板組38-44形成一個(gè)攪拌力場(chǎng)或攪拌力分布圖，它在導(dǎo)管內(nèi)的液體中提供一個(gè)很強(qiáng)的剪切力。從而，在非牛頓(剪切變稀)液體的情況下，導(dǎo)管內(nèi)的液體粘度保持在足夠低的水平，從而提高物質(zhì)傳遞效率并改善在槽內(nèi)的循環(huán)條件。造成最有效混合的循環(huán)區(qū)域?yàn)檠刂鴮?dǎo)管內(nèi)向上的方向到導(dǎo)管端部32和24的區(qū)域，在該區(qū)域處，液流改變方向，從而液流在導(dǎo)管20和槽10的側(cè)壁之間的環(huán)形區(qū)向下流動(dòng)。
在導(dǎo)管壁20和槽10的側(cè)壁之間的環(huán)形區(qū)是一個(gè)低剪切力區(qū)，因此對(duì)于剪切變稀的液體是一個(gè)高的有效粘度區(qū)。盡管如此，借助通過(guò)低粘度的導(dǎo)管區(qū)所產(chǎn)生的高速液流，會(huì)保持不會(huì)滯留地向下穿過(guò)該高粘度環(huán)形區(qū)向下的良好的均勻液流。因此，在導(dǎo)管壁20和槽10的側(cè)壁之間的環(huán)形區(qū)具有較高的平均軸向流體速度，液體很快地循環(huán)到高剪切力、低粘度的導(dǎo)管區(qū)內(nèi)。
導(dǎo)管的直徑和葉輪的相對(duì)尺寸以及葉輪在導(dǎo)管內(nèi)的位置與液流速度有關(guān)，以獲得所需的循環(huán)和混合。因此，液流速度和包含在導(dǎo)管內(nèi)的體積以及導(dǎo)管的體積應(yīng)足以在導(dǎo)管和槽壁之間在一個(gè)很寬的粘度范圍例如直到高達(dá)104cp(布氏粘度)的粘度范圍內(nèi)建立軸向液流。
為了防止在由槽10的側(cè)壁和底部16構(gòu)成的拐角處形成滯留區(qū)，可以安裝環(huán)形板或者環(huán)46，從而形成倒角，以便使液流順滑地通過(guò)拐角?；蛘撸摪蹇梢允窍騼?nèi)凸出的曲面狀，以便為倒角46提供基本上為圓形的輪廓。為了向液體充氣，一個(gè)噴管50將氣體通入導(dǎo)管的下端，并優(yōu)選地靠近最下端葉輪26的葉片的末端(徑向最向外端或周緣端)。氣體導(dǎo)入通常稱為噴射。充氣一詞通常用于指導(dǎo)入包括空氣或富氧空氣在內(nèi)的任何氣體。也可采用基本上純的(90至95％)的氧氣。在液體表面12處，由于紊流也會(huì)向液體內(nèi)進(jìn)行氣體彌散或氣體混入，在該表面12處進(jìn)行氣-液接觸并將氣體輸送到液體內(nèi)，從而它通過(guò)外部環(huán)形區(qū)向下循環(huán)。由于在導(dǎo)管內(nèi)具有高剪切率，液體處于低粘度狀態(tài)，使得氣體能夠從噴管50被打碎成細(xì)的氣泡，從而形成總量很大的氣-液交界面積以促進(jìn)物質(zhì)傳遞。氧氣的物質(zhì)傳遞率可借助總液相物質(zhì)傳遞系數(shù)(KLa)來(lái)度量。
為了提供高的剪切條件(高的剪切率，以充分降低槽內(nèi)液體的粘度使之容易且均勻地循環(huán))，葉輪26,28,30和32相距足夠近，以使得它們的液流場(chǎng)或流動(dòng)圖相互交疊。當(dāng)生成交疊的液流場(chǎng)時(shí)，不僅產(chǎn)生軸向攪拌，同時(shí)產(chǎn)生對(duì)液體足夠大的徑向力。隔板組38,40,42和44抑制這些產(chǎn)生渦流的徑向分量，從而使得通過(guò)導(dǎo)管向上的液流基本上是軸向的。優(yōu)選地，隔板向內(nèi)徑向地凸出一定的距離，以足以抑制液體的徑向流動(dòng)。優(yōu)選地，隔板的高度為，使得隔板的上、下邊緣與相鄰的葉輪之間的間隔達(dá)到為對(duì)葉輪26-32提供一個(gè)實(shí)際運(yùn)行間隙所需的最小值。
我們發(fā)現(xiàn)，下面的參數(shù)對(duì)于有效地進(jìn)行液體循環(huán)和混合以及充氧提供了合適的條件。應(yīng)當(dāng)理解，這里所選擇的數(shù)值與將被循環(huán)和充氣的材料(液體，液體漿料或其它介質(zhì))有關(guān)。下面的一些特征按照它們的重要性排列。本發(fā)明的一個(gè)特征是，提供一種混合系統(tǒng)，其中，采用所有這些參數(shù)通?？纱_保有效地進(jìn)行液體混合和循環(huán)以及有效地進(jìn)行氣-液接觸(物質(zhì)傳遞)，特別是在生物反應(yīng)過(guò)程中。所述參數(shù)為1、導(dǎo)管直徑與槽的直徑之比約在0.35到0.75之間，這里，優(yōu)選的比值約為2/3(0.667)。
2、葉輪直徑與導(dǎo)管直徑之比約為0.5至0.96。所有葉輪26-32通常在葉片端部之間具有相同的直徑。如果采用不同直徑的葉輪對(duì)，在選擇這一參數(shù)時(shí)，即選擇葉輪直徑與導(dǎo)管直徑之比時(shí)選用最大直徑的葉輪。
3、葉輪豎直間隔，即，從葉輪前端到尾端測(cè)量時(shí)葉輪的平均高度，其約在相鄰葉輪中最大一個(gè)的直徑的0.70到1.30倍之間。換句話說(shuō)，如果相鄰的葉輪具有相同的直徑，則其間隔在葉輪直徑的0.70到1.30倍之間；如果相鄰的葉輪具有不同的直徑，則利用最大的直徑來(lái)確定其間隔，使之處于兩個(gè)相鄰葉輪中直徑較大的一個(gè)的直徑的0.70至1.30倍之間的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，使葉輪相互間隔，以使得它們的中線相互分隔開大約1.0個(gè)葉輪直徑。
4、導(dǎo)管內(nèi)部的豎直隔板的徑向?qū)挾扰c導(dǎo)管直徑之比優(yōu)選地在0.1至0.4之間。優(yōu)選地，其徑向?qū)挾葘?duì)導(dǎo)管直徑之比為0.33左右。隔板在豎直方向的高度應(yīng)當(dāng)能夠接近葉輪，并優(yōu)選地與其貼近，使之僅留出足夠的間隙以不妨礙葉輪的旋轉(zhuǎn)。
5、在每組隔板中，優(yōu)選地有兩個(gè)或四個(gè)隔板。
6、導(dǎo)管的上端部可浸入液體中，其距離液面大約0.3個(gè)導(dǎo)管直徑。在采用表面充氣葉輪或采用換向套管的情況下，如后面將參照?qǐng)D8到圖11所描述的那樣，導(dǎo)管的沒入深度足以使得能夠?qū)⒊錃馄骱?或液流換向器插入到導(dǎo)管的頂部。但是，由導(dǎo)管所占據(jù)的槽內(nèi)的液體的體積應(yīng)當(dāng)保持基本上并至少為槽中液體體積(在槽的底部、液面之間并位于槽的側(cè)壁內(nèi))的0.25倍。最上部的葉輪距槽內(nèi)的液體的表面仍應(yīng)小于約一個(gè)葉輪的直徑。選擇最上部葉輪的位置使之能夠產(chǎn)生良好的表面紊流并進(jìn)而造成良好的氣-液接觸，以便提高氣體輸入速度以及系統(tǒng)的物質(zhì)傳遞系數(shù)。
7、導(dǎo)管底部距離槽的底部的間隙優(yōu)選地為導(dǎo)管直徑的0.3至0.70倍。導(dǎo)管底部或下端距離槽的底部的間隙的距離的優(yōu)選參數(shù)為0.5個(gè)導(dǎo)管直徑。
參見圖3和4，其中示出了一個(gè)具有四個(gè)葉輪60,62,64和66的葉輪系統(tǒng)。其中具有兩個(gè)軸流式葉輪60和64及兩個(gè)徑流式葉輪62和66，它們交替地沿旋轉(zhuǎn)軸線(該旋轉(zhuǎn)軸線是對(duì)所有葉輪公用的一個(gè)軸68的軸線)設(shè)置。軸流式葉輪可以是PBT型或翼型葉片葉輪，如結(jié)合圖1和2所討論的那樣。徑流式葉輪62和66可以是所謂的Rushton渦輪，例如R-100類型的徑流式葉輪，其目前可從Lightnin Unit ofGeneral Signal Corporation購(gòu)得。有關(guān)徑流式葉輪的信息可從Englebrecht和Weetman的美國(guó)專利4,454,078和Stanton的美國(guó)專利4,207,275中獲知。
圖3還表示出最下面的一組豎直隔板70，它可從導(dǎo)管的下端22向外延伸，或者該隔板的下邊緣與導(dǎo)管的下端重合。
氣體被噴射到導(dǎo)管的下端內(nèi)。徑向和軸流式葉輪是緊鄰著布置的，以使得它們的攪拌力分布圖與剪切力場(chǎng)相互交疊，從而能夠產(chǎn)生通過(guò)導(dǎo)管進(jìn)行沿軸向向上的良好液體循環(huán)以及通過(guò)導(dǎo)管和槽的側(cè)壁之間產(chǎn)生的環(huán)形空間的回流循環(huán)。
圖5所示的系統(tǒng)與圖3所示的系統(tǒng)類似，不同之處在于，導(dǎo)管占據(jù)槽內(nèi)液體的一個(gè)更大的體積部分，以及隔板相對(duì)于較大葉輪(軸流式葉輪60和64)的直徑向內(nèi)延伸的距離比圖3和圖4所示的系統(tǒng)中的小。
利用交替的軸流式和徑流式葉輪可提供充分的混合、循環(huán)和充氣，即使在圍繞導(dǎo)管的環(huán)形空間中也能夠提供充分的循環(huán)速率(例如每秒1/2英尺的流速)，從而產(chǎn)生良好的混合和從頂部到底部的翻轉(zhuǎn)以及大量的氣體向液體內(nèi)的物質(zhì)傳遞和氣體向液體中的彌散和溶解。圖3,4和5中類似于圖1和2中的部件采用類似的符號(hào)。
參見圖6和7，它表示一個(gè)槽10中的混合系統(tǒng)80，其具有三個(gè)位于導(dǎo)管20內(nèi)部的軸流式葉輪82,84和86以及一個(gè)位于對(duì)所有葉輪公用的軸34上的徑流式葉輪88。徑流式葉輪88位于導(dǎo)管下方液流向上流入導(dǎo)管內(nèi)的區(qū)域內(nèi)。在導(dǎo)管內(nèi)的葉輪的情況下，隔板，特別是位于導(dǎo)管最上端和最下端的隔板組(圖6中的隔板組90,92)可減少渦流，并促進(jìn)通過(guò)導(dǎo)管向上接著向下進(jìn)入槽的側(cè)壁和導(dǎo)管20之間的環(huán)形空間內(nèi)的循環(huán)。徑流式葉輪具有一個(gè)功率(驅(qū)動(dòng)該葉輪所需的功率匹數(shù)對(duì)葉輪速度的立方和葉輪直徑五次冪的乘積之比)，它遠(yuǎn)大于或優(yōu)選地大約等于導(dǎo)管內(nèi)的各葉輪的功率的總和從而徑流式葉輪88具有至少和導(dǎo)管內(nèi)所有三個(gè)葉輪82,84和86同樣大的功率。來(lái)自徑流式葉輪88的攪拌力場(chǎng)延伸到導(dǎo)管的下端，以利于在槽內(nèi)的一個(gè)足夠大的體積中產(chǎn)生一個(gè)攪拌力分布圖和剪切力場(chǎng)，從而促使槽10內(nèi)的液體完全翻轉(zhuǎn)或循環(huán)(從頂部到底部的混合)。同時(shí)，徑流式葉輪可促進(jìn)氣體從導(dǎo)管向混合系統(tǒng)的高效彌散。為了抑制徑流式葉輪88的混合分布圖中的渦流，沿槽10的側(cè)壁設(shè)置多個(gè)(至少兩對(duì))豎直隔板96和98，對(duì)于待混合、循環(huán)和充氣的液體介質(zhì)，這些隔板至少延伸到從槽的底部到導(dǎo)管的底部的一半的距離。
當(dāng)用除空氣以外的氣體進(jìn)行充氣時(shí)，特別是在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，要求上部的氣體空間(圖1中用100表示的從槽的上緣到液面12之間的距離)用蓋102密封。例如，當(dāng)利用氧氣作為充氣氣體時(shí)，其上部需要密封。氧氣可借助經(jīng)過(guò)槽的側(cè)壁進(jìn)入上部100的管道被導(dǎo)入。
參見圖8，其中表示采用混合系統(tǒng)200的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，它具有一個(gè)徑流式表面充氣葉輪202，其帶有沿周向間隔地圍繞葉輪202的四個(gè)軸流式45°PBT葉輪208,210,212和214的公用軸206的旋轉(zhuǎn)軸線204設(shè)置的葉片。一種Lightnin 335型的葉輪可適用作為表面充氣葉輪202，并通過(guò)生成一個(gè)噴射傘提供額外的氣-液交界面，從而把更多的空氣帶回到向下并在導(dǎo)管220和槽222側(cè)壁之間的環(huán)形空間內(nèi)再循環(huán)的表面液體內(nèi)。表面充氣葉輪202還提供附加的通過(guò)導(dǎo)管220將液體向上泵取的作用。在利用表面充氣葉輪的情況下，導(dǎo)管的上端224可與液面226(槽內(nèi)靜止液面)相重合。
在圖8所示的系統(tǒng)中，設(shè)置沿槽的側(cè)壁向最低的隔板組230向下延伸的分離噴管228。該噴管向上彎入導(dǎo)管內(nèi)，以便于將氣體直接引入導(dǎo)管中。本發(fā)明的特征是，噴射氣體進(jìn)入導(dǎo)管內(nèi)或者進(jìn)入上部氣體空間內(nèi)或者兩者兼?zhèn)?。在采用基本上純氧氣的情況下，將氧氣導(dǎo)入到上部空間內(nèi)，或者導(dǎo)入到諸如一組管道228內(nèi)，或同時(shí)導(dǎo)入上部和所述管道內(nèi)。
參見圖9,10和11，其中表示出一個(gè)葉輪系統(tǒng)300，除在導(dǎo)管302內(nèi)葉輪和隔板的設(shè)置與葉輪208,210,212和214及與它們相關(guān)的隔板的設(shè)置相似之外，它具有一個(gè)套管304，以用于促使流出導(dǎo)管向上的液流轉(zhuǎn)向流入到導(dǎo)管302和槽306的側(cè)壁之間的環(huán)形區(qū)內(nèi)。該套管可以是一個(gè)半環(huán)形外殼，并具有至少一對(duì)(但優(yōu)選地為兩對(duì))成180°分開的隔板310，用于抑制徑向流返回到導(dǎo)管內(nèi)。這些隔板從導(dǎo)管附近徑向地向內(nèi)延伸到套管304的內(nèi)周。套管304可由一個(gè)桿或角鐵312加強(qiáng)，并可通過(guò)沿隔板310的下邊緣和導(dǎo)管的上邊緣進(jìn)行焊接連接到導(dǎo)管上。
一個(gè)改進(jìn)的表面充氣葉輪延伸通過(guò)槽306內(nèi)的液體的靜止液面316。該葉輪具有多個(gè)豎直延伸的葉片320。每個(gè)葉片以一個(gè)相對(duì)于繞葉輪軸線(公用軸322的軸線)依次沿周向間隔開的徑向線成約30°的角(α)設(shè)置。這些葉片在其上端具有豎直部分324。葉片320還具有優(yōu)選地在液面316下方延伸的部分326，這些部分向外彎折相對(duì)于其豎直部分構(gòu)成大約為120至135度的鈍角。這些葉片起著戽斗的作用，用于從表面充氣器將足夠的液流提供給噴射傘。噴射液體落回到套管304上并進(jìn)入槽306的側(cè)壁和導(dǎo)管302之間的環(huán)形區(qū)內(nèi)，從而進(jìn)一步促進(jìn)從液體上部的空間夾帶氣體并提供一個(gè)更大的物質(zhì)傳遞系數(shù)KLa。圖9-11所示的實(shí)施例優(yōu)選地用于在槽306內(nèi)用純氧作為充氣氣體所進(jìn)行的過(guò)程中。
參見圖12，它表示溶氧(D.O.)濃度隨時(shí)間變化的測(cè)量曲線，可用于確定總的液相物質(zhì)傳遞系數(shù)KLa。該物質(zhì)傳遞系數(shù)可通過(guò)非穩(wěn)態(tài)再充氣測(cè)試方法來(lái)確定，它利用溶液中的溶氧探針或直接的液體樣品的滴定來(lái)測(cè)量溶氧濃度隨時(shí)間的變化。但是，對(duì)于高粘度的不透明介質(zhì)，例如，黃原膠溶液，精確地測(cè)量D.O．(溶氧)濃度隨時(shí)間的變化曲線是極其困難的。精確地運(yùn)用非穩(wěn)態(tài)充氣測(cè)試方法還要求整個(gè)液相區(qū)進(jìn)行良好的液體混合，且其中沒有死區(qū)。同時(shí)要想利用D.O探針并進(jìn)行精確地標(biāo)定還要求具有液體高速流動(dòng)區(qū)。本發(fā)明提供一種有效的液體混合和循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可滿足對(duì)精確使用非穩(wěn)態(tài)充氣測(cè)試方法所提出的全部要求。對(duì)于高粘度、剪切變稀的液體，傳統(tǒng)的液體混合系統(tǒng)無(wú)法利用非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)，因?yàn)樵诓蹆?nèi)整個(gè)液體的混合和翻轉(zhuǎn)水平非常差。
非穩(wěn)態(tài)充氣測(cè)試通過(guò)首先在待測(cè)試的實(shí)際混合和充氣系統(tǒng)中進(jìn)行混合和充氣以生成一批黃原膠溶液的方式進(jìn)行。這將需要幾個(gè)小時(shí)，從而確保達(dá)到溶氧量的平衡狀態(tài)。然后從批料中提取測(cè)試樣品，利用特別適合于高粘度不透明溶液的經(jīng)改型的Winkler溶氧滴定法測(cè)量達(dá)到平衡的溶氧含量。然后利用飽和時(shí)的溶氧含量校準(zhǔn)溶液中的平衡-溶氧量(每升溶液氧毫克數(shù))的溶氧探針。
在完成上述D.O.探針的校準(zhǔn)程序后，通過(guò)在槽內(nèi)的批料中通以非反應(yīng)性氣體，如氮?dú)庖猿ゲ蹆?nèi)液體中的溶氧。這可以通過(guò)在混合系統(tǒng)中用氮?dú)庾鳛槌淙霘怏w代替空氣或氧氣來(lái)進(jìn)行。利用溶氧探針進(jìn)行測(cè)量以便表明溶氧已被從液體中除凈。這種清除可能需要10到15分鐘。然后用空氣或其它含氧的氣體進(jìn)行再充氣，直到整個(gè)液相達(dá)到氧飽和為止。在再充氣過(guò)程中在連續(xù)的時(shí)間區(qū)間內(nèi)測(cè)量D.O.(溶氧)濃度。然后繪制圖12所示的曲線，其中t0是充氣開始時(shí)刻，C0是初始D.O濃度。
任意時(shí)刻的氧傳遞率(OTR)是圖12中的曲線的斜率或dC/dt。也被定義為KLa(C*-C)，其中C*對(duì)應(yīng)于平衡時(shí)的D.O.含量，例如，從槽的中間取出的樣品。所得微分方程的解等于C=C*-(C*-C0)exp[-(KLa)]。D.O.濃度對(duì)時(shí)間的方程的統(tǒng)計(jì)解提供一個(gè)對(duì)于氧的物質(zhì)傳遞過(guò)程的總參數(shù)KLa。該物質(zhì)傳遞系數(shù)KLa是混合過(guò)程中充氣效率的度量，并用于在下面所述的例子中表明不同過(guò)程和參數(shù)條件下的效率。
在例子1至5中，采用了如圖1和圖2所示的系統(tǒng)，其中葉輪為17英寸的PBTS。采用如圖8所示的四管噴氣系統(tǒng)，而不是采用單個(gè)的氣體噴管50。在樣品中被測(cè)試的液體是模擬的黃原膠發(fā)酵培養(yǎng)基溶液，其包含重量百分比為百分之三到百分之四的黃原膠。
該模擬溶液為百分之二(重量百分比)的黃原膠和0.5M(摩爾)硫酸鈉的水溶液。在各例子中所給出的物質(zhì)傳遞系數(shù)是作為整個(gè)槽的體積的液相物質(zhì)傳遞系數(shù)，并利用非穩(wěn)態(tài)再充氣技術(shù)所測(cè)得的，所述技術(shù)是專門開發(fā)用于直接和精確地測(cè)定如上面所討論的黃原膠液相物質(zhì)傳遞系數(shù)的。
例1導(dǎo)管直徑 18″槽直徑 36″液面高度 72″槽高 84″輸入功率 23.6HP/kgal
噴氣速率0.5vvm通過(guò)導(dǎo)管向上和通過(guò)環(huán)形區(qū)向下的液流速度3/2升/秒整個(gè)槽的液體的翻轉(zhuǎn)時(shí)間 3.9秒整個(gè)槽體積的液相物質(zhì)傳遞系數(shù)(KLa) 18.9秒-1例2導(dǎo)管直徑24″槽直徑 36″液面高度72″槽高84″輸入功率23.6HP/kgal噴氣速率0.5vvm通過(guò)導(dǎo)管向上和通過(guò)環(huán)形區(qū)向下的液流速度5/6升/秒整個(gè)槽的液體的翻轉(zhuǎn)時(shí)間 2.3秒整個(gè)槽體積的液相物質(zhì)傳遞系數(shù)(KLa) 16.5hr-1例3導(dǎo)管直徑18″槽直徑 36″液面高度72″槽高84″輸入功率23.6HP/kgal噴氣速率0.1vvm
通過(guò)導(dǎo)管向上和通過(guò)環(huán)形區(qū)向下的液流速度444升/秒整個(gè)槽的液體的翻轉(zhuǎn)時(shí)間 2.7秒整個(gè)槽體積的液相物質(zhì)傳遞系數(shù)(KLa) 10.3hr-1例4導(dǎo)管直徑24″槽直徑 36″液面高度72″槽高84″輸入功率23.6HP/kgal噴氣速率0.1vvm通過(guò)導(dǎo)管向上和通過(guò)環(huán)形區(qū)向下的液流速度456升/秒整個(gè)槽的液體的翻轉(zhuǎn)時(shí)間 2.3秒整個(gè)槽體積的液相物質(zhì)傳遞系數(shù)(KLa) 9.2hr-1例5導(dǎo)管直徑18″槽直徑 36″液面高度72″槽高84″輸入功率15.75HP/kgal噴氣速率0.5vvm通過(guò)導(dǎo)管向上和通過(guò)環(huán)形區(qū)向下的液流速度240升/秒整個(gè)槽的液體的翻轉(zhuǎn)時(shí)間 5.1秒整個(gè)槽體積的液相物質(zhì)傳遞系數(shù)(KLa) 16.5hr-1例6導(dǎo)管直徑24″槽直徑 36″液面高度72″輸入功率15.75HP/kgal噴氣速率0.5vvm通過(guò)導(dǎo)管向上和通過(guò)環(huán)形區(qū)向下的液流速度276升/秒整個(gè)槽的液體的翻轉(zhuǎn)時(shí)間 4.4秒整個(gè)槽體積的液相物質(zhì)傳遞系數(shù)(KLa) 12.5hr-1除上面各例中所給出的性能數(shù)據(jù)之外，這種新的混合系統(tǒng)在整個(gè)槽系統(tǒng)的液相中沒有死區(qū)，同時(shí)在整個(gè)槽中也可達(dá)到非常有效的氣體彌散。從液體表面逸出的平均氣泡尺寸的直徑范圍為1/4″至1/2″，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中則為8″至12″。同時(shí)，整個(gè)混合器和槽系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性獲得極大的改善，特別是，混合器和槽系統(tǒng)沒有故障和不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。
從上面的描述中可以理解，這里提供了一種改進(jìn)的混合系統(tǒng)，所述系統(tǒng)特別適合于進(jìn)行高效的液體混合以及氣一液接觸并改善了對(duì)于非牛頓剪切變稀液體的物質(zhì)傳遞。對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員來(lái)說(shuō)，會(huì)很自然地想到在本發(fā)明的范圍內(nèi)對(duì)這里所描述的系統(tǒng)的各種改進(jìn)和變型。因此，上面的描述應(yīng)理解為只是為了說(shuō)明的目的，而非對(duì)本發(fā)明的范圍的限定。
權(quán)利要求
1.一種用于在一槽內(nèi)循環(huán)液體介質(zhì)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可促進(jìn)氣體成分向所述液體介質(zhì)中的傳遞，所述系統(tǒng)包括多個(gè)葉輪，這些葉輪在所述槽內(nèi)產(chǎn)生反向液流的區(qū)域之間產(chǎn)生沿相反方向的液流；一個(gè)管，該管具有一個(gè)軸線和相對(duì)的兩端，所述相對(duì)兩端中的每一個(gè)靠近所述區(qū)域中的一個(gè)，所述葉輪設(shè)置在所述管內(nèi)并可圍繞所述軸線旋轉(zhuǎn)，所述葉輪中的每一個(gè)產(chǎn)生一個(gè)攪拌場(chǎng)或攪拌分布圖，它剪切所述液體介質(zhì)，所述葉輪以充分靠近的間隔沿所述軸線設(shè)置并沿所述軸線的徑向延伸橫貫所述管，以使得基本上在所述管的整個(gè)體積內(nèi)產(chǎn)生所述攪拌；用于抑制由所述攪拌引起的圍繞所述軸線的渦流的裝置；以及所述沿相反方向中的一個(gè)方向流動(dòng)的液流位于所述管的內(nèi)部，而沿所述相反方向中的另一個(gè)方向流動(dòng)的液體位于所述管的外部。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述槽是豎直設(shè)置的，并且所述位于管內(nèi)部的液流沿向上的方向流動(dòng)。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述管是一個(gè)導(dǎo)管，它具有一個(gè)壁，同時(shí)所述槽也具有一個(gè)壁，所述管壁和所述槽壁限定出一個(gè)沿所述軸線延伸的環(huán)形空間，所述液流在所述環(huán)形空間中向下方流動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，它進(jìn)一步包括用于向所述徑流式葉輪噴氣的裝置。
5.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，位于所述管內(nèi)的所有葉輪是位于一個(gè)公用軸上的軸流式葉輪。
6.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述區(qū)域中的一個(gè)位于所述槽內(nèi)的液體介質(zhì)的表面與所述管的所述相對(duì)端中的上端部之間，所述區(qū)域中的另一個(gè)位于所述管的底部和所述槽的底部之間，所述上部區(qū)域和下部區(qū)域分別具有一個(gè)軸向長(zhǎng)度，其分別為所述管的直徑的0.3倍以及所述管直徑的0.3至1.0倍。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述攪拌力分布至少借助于所述管內(nèi)的葉輪被促進(jìn)，所述葉輪在管內(nèi)沿軸向產(chǎn)生液流，并與所述管的直徑之比在0.4至0.98的范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述用于抑制在所述管內(nèi)產(chǎn)生圍繞軸線的渦流的裝置由在管內(nèi)沿所述軸線徑向延伸的多個(gè)隔板構(gòu)成，這些隔板設(shè)置在所述葉輪之間，其中，所述隔板具有一個(gè)從所述導(dǎo)管向所述軸線延伸的徑向?qū)挾龋搹较驅(qū)挾扰c所述導(dǎo)管直徑之比在0.1至0.4的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，在所述管內(nèi)，相鄰的葉輪沿所述軸線相互隔開，其間距約為具有最大直徑的葉輪的直徑的0.60到1.40倍，從而使得它們相互足夠靠近，以便產(chǎn)生所述攪拌場(chǎng)。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，在所述導(dǎo)管內(nèi)的葉輪包括軸流式葉輪，它們具有相同的直徑，同時(shí)其直徑與所述導(dǎo)管的直徑之比約在0.4到0.98之間。
全文摘要
一種用于改善液體混合和高效地進(jìn)行氣－液接觸的系統(tǒng),用于在一個(gè)槽內(nèi)將氣體向液體特別是非牛頓液體內(nèi)進(jìn)行物質(zhì)傳遞,所述非牛頓液體在剪切力的條件下可降低粘度。在該槽內(nèi)可以進(jìn)行諸如黃原膠等多糖的商業(yè)化生產(chǎn)。在槽內(nèi)設(shè)置一個(gè)豎直向上的導(dǎo)管,該導(dǎo)管具有一個(gè)與槽的底部隔離的下端部,以及一個(gè)在槽內(nèi)液體表面以下的上端部。在導(dǎo)管內(nèi)設(shè)置相互足夠靠近的混合葉輪,以便建立一個(gè)攪拌場(chǎng)或攪拌分布圖,用于引起剪切變稀和通過(guò)導(dǎo)管向上的液流,并可在液體表面產(chǎn)生紊流。多個(gè)徑向向內(nèi)凸出的沿周向間隔開的隔板從導(dǎo)管上延伸出來(lái),并靠近混合葉輪設(shè)置,用于防止在導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生渦流?？稍趯?dǎo)管的下端部或靠近下端部處將氣體噴射到槽內(nèi)。產(chǎn)生一個(gè)通過(guò)導(dǎo)管向上并從導(dǎo)管的上端流出的氣體和液體的混合流,從而提供一個(gè)從氣體向液體內(nèi)的高速物質(zhì)傳遞。夾帶有氣體的液流轉(zhuǎn)而向下通過(guò)槽壁和導(dǎo)管之間的區(qū)域,用于對(duì)液體表面上方的液體和氣體進(jìn)行再循環(huán)。溶氣濃度和系統(tǒng)的液相物質(zhì)傳遞效率借助一個(gè)測(cè)試液體樣品的再充氣方法進(jìn)行測(cè)定。
文檔編號(hào)C12M1/08GK1323352SQ99812008
公開日2001年11月21日 申請(qǐng)日期1999年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月28日
發(fā)明者約翰·麥克沃特, 布拉德利·多米尼克, 普拉卡什·巴蘭 申請(qǐng)人:賓州研究基金會(huì)