專利名稱：復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種氣-液-液多相反應(yīng)設(shè)備，特別涉及用于輕重兩相介質(zhì)反應(yīng)過程的傳質(zhì)、傳熱復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器及其操作方法。
隨著石油及石化工業(yè)的發(fā)展，含油廢水及燃料燃燒過程中廢氣的排放已日益增加，這些廢物中主要含氯、硫、酚、氰及各種有機化合物，它們以各種方式排入周圍環(huán)境，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。含油廢水的排放嚴(yán)重污染水源，氮氧化物和硫氧化物的排出與酸雨的形成有關(guān)，威脅著森林、農(nóng)田、河流的生態(tài)平衡，對于它們的治理已引起高度重視。利用自然形成的生物群體中篩選、構(gòu)建的微生物體系來降解這些有毒、有害有機物的方法因具有成本低、費用省、反應(yīng)條件溫和、對環(huán)境影響小、無二次污染等優(yōu)點已成為治理環(huán)境污染的有效途徑之一。由于技術(shù)和設(shè)備的缺乏，我國對含油廢水及含硫、氮的石油及石油產(chǎn)品的生化治理研究較少，且不夠系統(tǒng)。
要使生物脫硫及生物廢水降解技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用得以擴大，必須設(shè)計適用于生物過程的反應(yīng)器。目前研究較多的主要有攪拌釜反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、固定床反應(yīng)器和膜反應(yīng)器，這些反應(yīng)器各有優(yōu)缺點。攪拌釜反應(yīng)器在高溫、高壓條件下進行操作時，軸的密封是一大問題，同時設(shè)備內(nèi)部的檢修和維護都很不方便，更主要的問題是機械攪拌反應(yīng)器內(nèi)較大的剪切力不利于微生物生長且會引起油水反應(yīng)系統(tǒng)的乳化現(xiàn)象；氣升式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，沒有運動部件，動力消耗少，應(yīng)用一直較為廣泛，然而這種反應(yīng)器應(yīng)用于輕、重兩個互不相溶的液相反應(yīng)時，由于輕相與原體系中的液體相比，數(shù)量少，密度差較大，在吹氣過程中一部分輕相只能漂浮在重相上面，無法實現(xiàn)兩相均勻混合，反應(yīng)器內(nèi)傳質(zhì)效果較差；固定床反應(yīng)器中由于存在無氧死角，影響流體的流動、傳質(zhì)及微生物的生長；流化床反應(yīng)器及用于生物脫硫過程的電噴射反應(yīng)器如文獻1ERICN.KAUFMAN，JAMES B.HARKINS and ABHUEET P.BOROLE，Comparison of batch-stirred andElectro-Spray reactors for biodesulfurization of dibenzothiophene in CrudeOil and Hydrocarbon Feedstocks，Applied Biochem.and Biotecheno.，1998，73.127-144所述的由于反應(yīng)過程中強烈的乳化現(xiàn)象及較高的操作費用也給工業(yè)應(yīng)用帶來一定困難；多通道多相生物反應(yīng)器的設(shè)計雖然能夠在非乳化的條件下為油相及重相中的微生物提供較大的接觸面積，但由于輕相分布管少，造成輕相通量小因而與微生物接觸表面積小的缺陷。因此設(shè)計具有良好混合特性的生化反應(yīng)器已成為實現(xiàn)化工技術(shù)工業(yè)化的迫切要求。
本發(fā)明的目的在于克服已有的反應(yīng)器的缺點，為了使輕、重兩相介質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)完全均勻混合，增大輕相介質(zhì)與微生物接觸面積，從而提供一種結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備制造及能耗費用低的低剪切力的，并能使輕、重兩相在短時間內(nèi)達到良好混合、為含油廢水生物治理及生物脫硫工藝的工業(yè)應(yīng)用的復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器及其操作方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供的一種復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器包括反應(yīng)器外殼為圓形外筒，反應(yīng)器上口蓋有一上端蓋，上端蓋上開有進樣孔，進氣孔，測溫孔；進氣管通過進氣孔插入反應(yīng)器底部；溫度計由測溫孔插入反應(yīng)器中部；反應(yīng)器上端蓋與反應(yīng)器上口邊緣接的法藍之間有一墊圈，通過螺母和螺桿把反應(yīng)器外殼的外接法蘭與上端蓋密封連接；其特征在于反應(yīng)器外殼上部開有輕相取樣孔，下部開有重相取樣孔，反應(yīng)器內(nèi)裝有一圓形環(huán)，圓形環(huán)上固定均勻排列的2-10束輕相分布管束，每一束輕相分布管又由5-10根細(xì)管組成的，輕相分布管束下端彎曲向上。
本發(fā)明可根據(jù)處理量和體系的特點，選擇反應(yīng)器的體積及操作方法。即可用間歇操作，也可進行連續(xù)操作。處理量小時，選用小體積反應(yīng)器，高徑比在1.5-2.0之間，反應(yīng)器置于搖床培養(yǎng)箱中搖動；處理樣品量大時，選用大體積反應(yīng)器，置于搖包架上使用。其中所述的反應(yīng)器中的圓形環(huán)的安裝位置是在反應(yīng)器內(nèi)的高度小于反應(yīng)器2/3高度處。其中所述的反應(yīng)器還包括采用外置式加熱保溫方式，即在反應(yīng)器殼上安置一外換熱式的通冷熱水的夾套，與搖床控溫器電連接?；蛟诜磻?yīng)器內(nèi)安裝通常的加熱和控溫裝置，加熱管與在反應(yīng)器外的通常的控溫裝置電連接，使反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在適應(yīng)生物生長及反應(yīng)的范圍內(nèi)。還包括在反應(yīng)器內(nèi)裝有一攪拌器。
當(dāng)把本復(fù)式多通道多相反應(yīng)器置于利用偏心軸原理運動的搖床上，通過搖床做無自轉(zhuǎn)偏心搖動獲得動能，隨著轉(zhuǎn)速的增加，反應(yīng)器內(nèi)液體的運動狀態(tài)逐漸發(fā)生變化轉(zhuǎn)速較低時，液體表面幾乎是平靜的，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到某一定值時，液面開始產(chǎn)生平擺運動，這是第一臨界運動狀態(tài)，此時液面波動對轉(zhuǎn)速變化很敏感，轉(zhuǎn)速稍高或稍低于相應(yīng)轉(zhuǎn)速時，擺動現(xiàn)象立即消失，這時反應(yīng)器內(nèi)輕重相無相對運動，僅能通過兩相的接觸面反應(yīng)。隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，液體表面由于共振，開始產(chǎn)生單一的波浪，象海浪一樣起伏，并繞反應(yīng)器內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)，這時反應(yīng)器內(nèi)輕重相產(chǎn)生相對運動，輕相中心隨反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)較快，而四周旋轉(zhuǎn)較慢，旋轉(zhuǎn)中心下部輕相向上旋轉(zhuǎn)升起，然后向四周散開，落入低于峰高的輕相分布管的各個小管，這種條件下雖然反應(yīng)器內(nèi)攪拌效果有所增加，但單峰海浪波運動狀態(tài)的臨界點對轉(zhuǎn)速變化仍較敏感，當(dāng)轉(zhuǎn)速稍有變化時，波峰即開始下降，很快消失。當(dāng)轉(zhuǎn)速再繼續(xù)增加到某一定值時，反應(yīng)器內(nèi)液面開始產(chǎn)生多個海浪波并繞容器內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)，波峰并不跌落，但液體內(nèi)部質(zhì)點上下激烈跳動。轉(zhuǎn)速繼續(xù)加大，反應(yīng)器內(nèi)液體出現(xiàn)第二單峰海浪波運動狀態(tài)，這種運動情況下，反應(yīng)器內(nèi)輕重相相對運動更激烈，波峰也較第一單峰海浪波運動時稍高，對實際反應(yīng)體系更為有用。當(dāng)繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速到某一定值時，反應(yīng)器內(nèi)液體將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)拋物面運動狀態(tài)，這時液體內(nèi)部質(zhì)點運動最為劇烈，整個液體繞反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)更快，但液體內(nèi)部質(zhì)點相對運動并不大，輕重相容易發(fā)生乳化。
本發(fā)明提供的復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器的操作方法包括以下步驟(1).首先使油品氧張力增加，將要處理的液體油品經(jīng)過濾滅菌，通滅菌空氣或氧氣；(2).將上述處理好的含氧液體油品從反應(yīng)器進樣孔(3)引入反應(yīng)器內(nèi)，同時加入滅菌水相(培養(yǎng)基)和脫硫生物催化劑；生物催化劑包括生長期細(xì)菌液、非生長期細(xì)胞或從細(xì)胞中萃取得到的酶液；(3).將進樣孔(3)密封，反應(yīng)器置于搖床培養(yǎng)箱中，空氣經(jīng)過濾滅菌后由上部通氣管(2)引入，調(diào)節(jié)通氣量和溫度為所需的氣體流量和適宜培養(yǎng)、反應(yīng)的溫度，并調(diào)節(jié)搖床轉(zhuǎn)速使反應(yīng)器內(nèi)上層輕油相處于第二單峰海浪波運動狀態(tài)，輕油相波峰達到一定高度后跌落進入輕相分布管(16)，通過輕相分布管到達反應(yīng)器底部，反應(yīng)進行了一定時間后，將反應(yīng)器靜置，從輕相取樣孔(6)吸取上層輕相(18)，從重相取樣孔(8)吸取下部重相(19)進行分析；(4).液體油品經(jīng)生物脫硫催化劑作用后，生成脫硫后的液體油品和大量剩余的生物催化劑及培養(yǎng)液。從反應(yīng)器外管上部輕相取樣孔8吸取脫硫后的液體油品，從下部重相取樣孔(8)放出液體產(chǎn)物；(5).反應(yīng)后剩余的含有生物催化劑的重相經(jīng)離心分離、洗滌，在適宜的條件下再生；(6).再生生物催化劑水溶液循環(huán)利用。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、輕相分布管束為本發(fā)明反應(yīng)器的重要部分。當(dāng)反應(yīng)器被搖動或攪動時，上層輕油相高于輕相分布管束各小管的上端口，由于重力作用落入輕相分布管束的各個輕相分布管)，通過輕相分布管到達反應(yīng)器底部，形成油珠冒出，由于比重小，又由反應(yīng)器底部浮至反應(yīng)器上方，從而完成輕油相與重相中微生物發(fā)生反應(yīng)的過程；輕相分布管同時起了擋板的作用，既抑制了油水相的乳化，又能為反應(yīng)介質(zhì)提供良好的傳質(zhì)，傳熱、反應(yīng)界面，同時為生物系統(tǒng)提供溫和、低剪切力的環(huán)境。
2、本發(fā)明的反應(yīng)器上口邊緣的法蘭、墊圈、螺母和螺桿的設(shè)置作用是將反應(yīng)系統(tǒng)密封，從而實現(xiàn)整個過程的無菌操作。該連接方式的優(yōu)點還在于使得反應(yīng)器拆裝方便，易于物料的更換和反應(yīng)器的洗滌。
3、在反應(yīng)器外殼上開有輕、重相取樣孔，便于反應(yīng)過程中取樣分析，有利于油水相的分離；取樣孔由螺帽擰緊，取樣時擰開，同時借以放掉積累空氣，減小反應(yīng)器內(nèi)壓力。
4、反應(yīng)器還可同搖床或搖包架一起使用，給反應(yīng)系統(tǒng)提供外加動力及熱源；電加熱管通過觸點溫度計在采用內(nèi)熱式時為反應(yīng)介質(zhì)提供適宜的溫度，從上端蓋插入反應(yīng)器的溫度計用以觀察過程溫度。
5、該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、材料便宜，占用空間小，細(xì)菌處理含油廢水及微生物脫硫的研究過程證實了該實用新型反應(yīng)器的高效性及適用于化工、生物化工、石油化工、油脂工業(yè)、制藥業(yè)、環(huán)保工業(yè)等領(lǐng)域。下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述

圖1 本發(fā)明復(fù)式多通道多相反應(yīng)器的縱向剖面2 本發(fā)明復(fù)式多通道多相反應(yīng)器中輕相分布管束的縱向剖面3 本發(fā)明復(fù)式多通道多相反應(yīng)器中輕相分布管束的俯視4 本發(fā)明復(fù)式多通道多相反應(yīng)器中輕重相在不同轉(zhuǎn)速下運動狀態(tài)圖a 轉(zhuǎn)速較低時平擺運動狀態(tài)圖b 轉(zhuǎn)速較高時第一單峰海浪波運動狀態(tài)圖c 轉(zhuǎn)速更高時第二單峰海浪波運動狀態(tài)圖d 轉(zhuǎn)速進一步增大時旋轉(zhuǎn)拋物面運動狀態(tài)5 普通反應(yīng)器與復(fù)式多通道多相反應(yīng)器中二苯并噻吩-十二烷體系脫硫結(jié)果圖6 普通反應(yīng)器與復(fù)式多通道多相反應(yīng)器中二苯并噻吩-航空煤油體系脫硫結(jié)果圖7 普通反應(yīng)器與復(fù)式多通道多相反應(yīng)器中二苯并噻吩-乙醇體系脫硫結(jié)果本實施例提供的復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器其內(nèi)徑為75mm，高120mm，體積529.9ml，有效容積小于300ml。輕相分布管高60mm，圓形環(huán)(15)外徑73mm，輕相分布管束(16)中的每一束管的管徑為3mm，一束輕相分布管束(16)焊接在(15)上，一束共有10根3mm的細(xì)管(20)。反應(yīng)器的外殼為圓形外筒，反應(yīng)器上口蓋有一上端蓋(1)，反應(yīng)器上端蓋(1)上開有進樣孔(3)，進氣孔(2)，測溫孔(13)；進氣管(7)通過進氣孔(2)插入反應(yīng)器底部；溫度計(14)由測溫孔(13)插入反應(yīng)器中部；反應(yīng)器上端蓋(1)通過墊圈(9)，螺母(11)和螺桿(10)與反應(yīng)器外筒(5)的外接法蘭(12)密封連接；反應(yīng)器外殼(5)上部開有輕相取樣孔(6)，下部開有重相取樣孔(8)，反應(yīng)器內(nèi)裝有由8束連接在一圓形環(huán)(15)上的輕相分布管(16)，輕相分布管束下端彎曲向上，每一束都向反應(yīng)器的中心方向彎曲向上，每一束輕相分布管束共有10根細(xì)管(20)組成。
步驟2.將60ml含氧液體油品從反應(yīng)器進樣孔(3)引入如圖1所示復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器及用同體積含氧液體油品在未安裝多通道輕相分布器的普通反應(yīng)器反應(yīng)器進行同樣的反應(yīng)(作為比較例)，同時加入170ml滅菌水相(無機鹽培養(yǎng)基)和10ml脫硫生物催化劑。生物催化劑可以是生長期細(xì)菌液，也可以是非生長期細(xì)胞或從細(xì)胞中萃取得到的酶液。
步驟3.將進樣孔(3)密封，反應(yīng)器置于搖床培養(yǎng)箱中，空氣經(jīng)過濾滅菌后由上部通氣管(2)引入，調(diào)節(jié)通氣量為0.15m3/h，搖床溫度控制為30℃，調(diào)節(jié)搖床轉(zhuǎn)速使反應(yīng)器內(nèi)上層輕油相處于第二單峰海浪波運動狀態(tài)，輕油相波峰達到一定高度后跌落進入輕相分布管(16)，通過輕相分布管到達反應(yīng)器底部，由于比重小，輕相呈油珠由反應(yīng)器底部浮至反應(yīng)器上方，從而完成輕油相與重相中微生物發(fā)生反應(yīng)的過程。反應(yīng)進行了一定時間后，將反應(yīng)器靜置，從輕相取樣孔(6)吸取上層輕相(18)，從重相取樣孔(8)吸取下部重相(19)進行分析。反應(yīng)完成后，輕、重相分別取出后進行后處理。以未安裝多通道輕重相分布管的普通反應(yīng)器內(nèi)輕、重相分布作對比。在未安裝多通道輕重相分布管的普通反應(yīng)器內(nèi)，輕相浮在重相上方，兩相只能通過接觸界面進行傳質(zhì)和反應(yīng)。
步驟4.液體油品經(jīng)生物脫硫催化劑作用后，生成脫硫后的液體油品和大量剩余的生物催化劑及培養(yǎng)液。從反應(yīng)器外管上部輕相取樣孔(6)吸取脫硫后的液體油品，從下部重相取樣孔(8)放出液體產(chǎn)物步驟5.反應(yīng)后剩余的含有生物催化劑的重相經(jīng)離心分離、洗滌，在適宜的條件下再生。
步驟6.再生生物催化劑水溶液循環(huán)利用。
步驟1 將要處理的液體油品換為乙醇加二苯并噻吩，其他各步驟同實施例1，分別在未安裝多通道輕重相分布管的普通反應(yīng)器及本發(fā)明反應(yīng)器中進行脫硫反應(yīng)。
脫硫結(jié)果見圖7。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器，包括反應(yīng)器外殼(5)，反應(yīng)器外殼(5)上端口上蓋有一上端蓋(1)，上端蓋(1)開有進氣孔(2)、進樣孔(3)、測溫孔(13)，進氣管(7)從進氣孔(2)插入到反應(yīng)器內(nèi)底部，溫度計通過測溫孔(13)插入反應(yīng)器中部，上端口的邊緣接有法蘭(12)，法蘭(12)與反應(yīng)器上端蓋(1)之間裝有密封墊圈(9)，法蘭(12)與密封墊圈(9)通過螺母(11)、螺桿(10)密封固定住，其特征在于在反應(yīng)器內(nèi)裝有一圓形環(huán)(15)，圓形環(huán)(15)上均勻排列固定N束輕相分布管束(16)，在反應(yīng)器外殼(5)上部開有一輕相取樣口(6)，在反應(yīng)器外殼(5)下部開有一重相取樣口(8)。
2.按權(quán)利要求1所述的一種復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器，其特征在于所述的在反應(yīng)器內(nèi)裝有一圓形環(huán)(15)，該圓形環(huán)(15)安裝在反應(yīng)器內(nèi)的高度為低于反應(yīng)器2/3的高度處。
3.按權(quán)利要求1所述的一種復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器，其特征在于所述的輕相分布管束(16)的下端是向上彎曲的。
4.按權(quán)利要求1所述的一種復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器，其特征在于所述的圓形環(huán)(15)上均勻排列固定N束輕相分布管束(16)的N＝2-10。
5.按權(quán)利要求3所述的一種復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器，其特征在于所述的固定在圓形環(huán)上的束輕相分布管束(16)的每一束有5-10根細(xì)管(20)。
6.按權(quán)利要求1所述的一種復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器，其特征在于在反應(yīng)器內(nèi)裝加熱管(4)，加熱管(4)與外部的控溫器電連接，或在反應(yīng)器外殼上安置一外換熱式的通冷熱水的夾套，與搖床控溫電連接。
7.按權(quán)利要求1所述的一種復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器，其特征在于在反應(yīng)器內(nèi)裝有一攪拌器。
8.一種在權(quán)利要求1所述的復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器中進行多相輕重相介質(zhì)反應(yīng)的操作方法，其特征在于按如下步驟進行(1).首先使油品氧張力增加，將要處理的液體油品經(jīng)過濾滅菌，通滅菌空氣或氧氣；(2).將上述處理好的含氧液體油品從反應(yīng)器進樣孔(3)引入反應(yīng)器內(nèi)，同時加入滅菌水相(培養(yǎng)基)和脫硫生物催化劑；生物催化劑包括生長期細(xì)菌液、非生長期細(xì)胞或從細(xì)胞中萃取得到的酶液；(3).將進樣孔(3)密封，反應(yīng)器置于搖床培養(yǎng)箱中，空氣經(jīng)過濾滅菌后由上部通氣管(2)引入，調(diào)節(jié)通氣量和溫度為所需的氣體流量和適宜培養(yǎng)、反應(yīng)的溫度，并調(diào)節(jié)搖床轉(zhuǎn)速使反應(yīng)器內(nèi)上層輕油相處于第二單峰海浪波運動狀態(tài)，輕油相波峰達到一定高度后跌落進入輕相分布管(16)，通過輕相分布管到達反應(yīng)器底部，反應(yīng)進行了一定時間后，將反應(yīng)器靜置，從輕相取樣孔(6)吸取上層輕相(18)，從重相取樣孔(8)吸取下部重相(19)進行分析；(4).液體油品經(jīng)生物脫硫催化劑作用后，生成脫硫后的液體油品和大量剩余的生物催化劑及培養(yǎng)液。從反應(yīng)器外管上部輕相取樣孔8吸取脫硫后的液體油品，從下部重相取樣孔(8)放出液體產(chǎn)物；(5).反應(yīng)后剩余的含有生物催化劑的重相經(jīng)離心分離、洗滌，在適宜的條件下再生；(6).再生生物催化劑水溶液循環(huán)利用。
全文摘要
本發(fā)明涉及復(fù)式多通道輕重相反應(yīng)器及操作方法,包括反應(yīng)器外殼,其上端口上蓋一帶進氣、進樣、測溫孔的上蓋,進氣管從進氣孔插到反應(yīng)器底部,溫度計通過測溫孔插入反應(yīng)器中部,上端口的邊緣接有法蘭,它與墊圈通過螺母、螺桿固定,在反應(yīng)器內(nèi)裝一圓形環(huán),其上均勻排列固定多束細(xì)管組成的輕相分布管,反應(yīng)器外殼上、下部有一輕、重相取樣口。該反應(yīng)器具有低剪切力,為反應(yīng)介質(zhì)提供良好的傳質(zhì),傳熱反應(yīng)界面。該方法簡單、效率高。
文檔編號B01J8/22GK1349850SQ00130018
公開日2002年5月22日 申請日期2000年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月23日
發(fā)明者姜成英, 朱星華, 劉會洲, 安震濤, 陳家鏞 申請人:中國科學(xué)院化工冶金研究所