《第九章反应设备1.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第九章反应设备1.ppt（71页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第九章 反应与结晶设备,反应设备,反应设备是用来进行化学反应的装置，通常称为反应器,反应器的分类,按物料相态分类 根据反应器内反应混合物的相态，把反应器分为均相和非均相反应器两大类。均相反应器是反应物料均匀地混合或溶解成为单一的气相或液相，又分为气相反应器和液相反应器。而非均相反应器则分为气液相、气固相、液液相、液固相和气-液-固相等反应器.按反应器的结构分类按反应器结构心事形式的特征，可以分为釜式、管式、塔式、固定床和流化床等反应器。按操作方法分类反应器按操作方法分类，可分为间歇式、半连续式和连续式三种。根据温度条件和传热方式分类反应器根据温度条件可分为等温和非等温两种。根据传热方式又可分为
2、绝热式、外热式和自然式。,机械搅拌反应器,立式反应器由搅拌装置，轴封和搅拌罐组成。搅拌装置包括传动装置、搅拌轴和搅拌器轴封是指搅拌轴和搅拌罐之间的动密封，使罐内介质不致泄露罐体、传热装置、工艺接管、仪表和防暴装置,搅拌容器,圆筒体，封头（椭圆形、锥形和平盖，椭圆形封头应用最广）。各种接管，满足进料、出料、排气等要求加热、冷却装置：设置外夹套或内盘管。上封头焊有凸缘法兰，用于搅拌容器与机架的连接。传感器，测量反应物的温度、压力、成分及其它参数。支座，小型用悬挂式支座，大型用裙式支座或支承式支座。装料系数（对容积而言），通常取0.60.85。有泡沫或呈沸腾状态取0.60.7；平稳时取0.80.85
3、。,搅拌容器,几种搅拌设备筒体的高径比,夹套结构,在容器外侧，用焊接或法兰连接方式装设各种形状的钢结构，使其与容器外壁形成密闭的空间。此空间内通入加热或冷却介质，可加热或冷却容器内的物料。,各种碳钢夹套的适用温度和压力范围,整体夹套,(a)圆筒型,(b)U型,型钢夹套结构,(a)螺旋形角钢互搭式,(b)角钢螺旋形缠绕,(a)螺旋形缠绕,图17-7 半圆管夹套的安装,图17-8 折边式蜂窝夹套,内盘管,当反应器的热量仅靠外夹套传热，换热面积不够时浸没在物料中，热量损失小，传热效果好，检修较困难,螺旋形盘管,对称布置的几组竖式蛇管：传热 挡板作用,图17-11竖式蛇管,搅拌器,搅拌器又称搅拌桨或搅
4、拌叶轮，是搅拌反应器的关键部件。提供过程所需要的能量和适宜的流动状态搅拌器旋转时把机械能传递给流体，在搅拌器附近形成高湍动的充分混合区，并产生一股高速射流推动液体在搅拌容器内循环流动。流体循环流动的途径,搅拌器,流型与搅拌效果、搅拌功率的关系十分密切。搅拌器的改进和新型搅拌器的开发往往从流型着手。搅拌机顶插式中心安装立式圆筒的三种基本流型，径向型、轴向型、切向型,搅拌器,搅拌器在搅拌罐内的安装方式,搅拌器,搅拌器流型分类图,几种常用搅拌器,桨式搅拌器结构最简单叶片用扁钢制成，焊接或用螺栓固定在轮毂上，叶片数是2、3或4 片，叶片形式可分为平直叶式和折叶式两种。,桨式搅拌器常用参数,注：n转速；
5、v叶端线速度；Bn叶片数；d搅拌器直径；D容器内径：折叶角。,推进式搅拌器（又称船用推进器）常用于低粘流体中。标准推进式搅拌器有三瓣叶片，其螺距与桨直径d相等。它直径较小d/D=1/41/3，叶端速度一般为 710 m/s，最高达15 m/s。,几种常用搅拌器,推进式搅拌器常用参数,涡轮式搅拌器（又称透平式叶轮），是应用较广的一种搅拌器，能有效地完成几乎所有的搅拌操作，并能处理粘度范围很广的流体。,几种常用搅拌器,涡轮式搅拌器常用参数,锚式搅拌器结构简单。适用于粘度在100Pas以下的流体搅拌，当流体粘度在10100Pas时，可在锚式桨中间加一横桨叶，即为框式搅拌器，以增加容器中部的混合。,几
6、种常用搅拌器,锚式搅拌器常用参数,搅拌器的选型,搅拌器附件,挡板 目的是消除打漩和提高混合效果物料粘度小，搅拌转速高，液体随桨叶旋转，在离心力作用下涌向内壁面并上升，中心部分液面下降，形成漩涡，称为打漩区。,挡板,一般在容器内壁面均匀安装4块挡板宽度为容器直径的1/121/10。搅拌容器中的传热蛇管可部分或全部代替挡板，装有垂直换热管时一般可不再安装挡板。,导流筒,作用上下开口圆筒，安装于容器内，在搅拌混合中起导流作用。,搅拌装置及搅拌轴,电机功率、转速、安装方式及防暴形式选用减速装置 摆线针齿行星减速机、两级齿轮减速机、三角皮带减速机、谐波减速机搅拌轴是整体的，也可是上下两段,发酵设备,发酵
7、的操作过程包括气-液接触、浓度的在线检测、混合、传热、泡沫控制及营养物或控制pH用的试剂的加入管路多、换热面积大（夹层或盘管），通气,发酵罐的条件,结构可靠，保证适当的蒸汽温度和压力有良好的气液接触和液固混合性能，以便能有效进行物质传递及空气溶入保证发酵，减少动力消耗有良好的传热性能，以适应发酵在最适宜温度和灭菌条件下进行减小泡沫的产生，设置有效的消泡装置，提高发酵的装料系数必要的检测和控制仪表,通用式发酵罐,这种发酵绕既具有机械搅拌装置，又具有压缩空气分布装置。发酵罐的搅拌轴既可置于发酵罐的顶部，也可置于其底部，其高径比为2:1-6:19,机械搅拌式发酵罐,机械搅拌发酵是目前使用最多的一种发
8、酵罐，使用性好、适应性好、放大容易，从小型直至大型的微生物培养过程都可以应用。缺点：罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。,外部液体循环式发酵罐,包括罐体喷头，其特征是在罐体外侧部设有至少一根外循环管道，外循环管道上方与罐体顶部接通，下方与罐体底部接通，使得在喷头喷射气流压力和罐内超压膨胀力的共同作用下，有相当部分发酵气液（菌液）从发酵罐顶部进入外循环管道，后又在自身重力和压力差的双重作用下，这些气液又顺着外循环管道的下方回流入罐体底部，从而形成周而复始不停循环流动的发酵过程。,空气喷射提升式发酵罐,气升式发酵罐有多种形式，较常见的有内循环管式，外循环管式、拉力筒式
9、和垂直隔板式。外循环式的循环管设计在罐体外部，内循环管是两根，设计罐体内部。,机械搅拌式发酵罐,吸气搅拌叶轮和导轮。它的搅拌器是一个空心叶轮，叶轮快速旋转时液体被甩出，叶轮中形成负压，从而将罐外的空气吸到罐内，并与高速流动的液体密切接触形成细小的气泡分散在液体之中，气液混合流体通过导轮流到发酵液主体。,机械搅拌式发酵罐,机械搅拌式发酵罐,罐体由圆形筒身和上下两个椭圆形封头组成发酵罐的公称体积V为桶身部分的体积Vc，和底封头容积Vb之和，即,搅拌器和挡板,搅拌器可以使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动，其作用为混合和传质，它使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气液界面，获得
10、所需的溶氧速率，并使细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气液固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。通常在搅拌轴上配置2到3个搅拌器，个别也有4个搅拌器,搅拌器和挡板,挡板：防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍流和溶氧传质。挡板的高度自罐底起至设计的液面高度止。全挡板条件在搅拌发酵罐中增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失。,通气装置,通气装置是指将无菌空气导入罐内的装置。简单的通气装置是一根单孔管，单孔管的出口位于搅拌器的正下方，开口向下，以免培养液中的固体物质在开口处堆积和罐 底固体物质堆积。单管式喷孔的总截面积等于空气分布管截面积。气、液流射混合搅拌装置由环形布
11、气管和多个切向布置的气、液射流器组成。,传热装置,发酵过程中发酵液产生的净热量称为发酵热，发酵热随发酵时间而改变。发酵最旺时，发酵热量最大。为维持一定的最适宜的培养温度，须用冷却水导出部分部分热量发酵罐的传热装置有夹套型和蛇管型两种,机械消泡装置,发酵过程中，由于发酵液中含有大量蛋白质等发泡物质，在强烈的通气条件下产生大量的气泡。严重时大量泡沫造成发酵液外溢和染菌。可采用加入消泡剂的方法进行消泡更主要的是采用机械消泡的方法，如耙式消泡浆、封闭式涡轮消泡器等,耙式消泡浆,消泡浆安装于搅拌轴上，并与轴同转，齿面略高于液面，消泡浆的直径约为罐直径的0.80.9.当少量泡沫上升时，机械强度小，耙齿可以
12、把泡沫打碎,封闭式涡轮消泡器,泡沫直接被涡轮抛出撞击到罐壁而破碎，涡轮消沫器直接装于搅拌轴上,旋转圆板式的机械消泡,设在发酵罐内的气相中，与发酵液的液面保持平行。圆板旋转的同时将槽内发酵液注入圆板的中央，通过离心力将破碎成微小泡沫散向槽壁，达到消泡的目的。,流体吹入式消泡,液体吹入式机械消泡把空气及空气与发酵液吹入发酵罐中形成的泡沫层来进行消泡,气体吹入管内吸引消泡,将发酵内形成气泡群吸引到气体吸入管，利用气体流速进行消泡。该装置中在靠近吸入口附近的气体吸入管内形成增速用的喷头，而吸入管用来连接液面上部与增速喷头的负压部位。,冲击反射板机械消泡,把气体吹入液面上部，通过在液面上部设置的冲击反射
13、，吹回到液面，而将液面上产生的泡沫击碎的方法。,超声波消泡,将空气在.5.0a下，以m/s的速度由喷嘴喷入共振室而起消泡的作用。该法目前仅适用于小型发酵过程的消泡，而不适合于大规模工业发酵的消泡。,碟片式消泡器,使用时将消泡器安装于发酵的罐顶，使碟片位于罐顶的空间内，用固定法与排气口相连接，当高速旋转时进入碟片间的空气中的气泡被打碎同时甩出液滴，返回发酵罐中，而被分离后的气体由空心轴径排气口排出。,罐外机械消泡,旋转叶片罐外机械消泡将泡沫引出罐外，利用装置中的旋转叶片所产生的冲击力和剪切力进行消泡。,喷雾消泡,利用冲击力、压缩力及剪断力来进行消泡的方法，它将水及发酵液等通过适当的喷雾器喷出来达
14、到消泡的目的。,离心力消泡,将泡沫注入用网眼及筛目较大的筛子做成的筐中，通过旋转产生的离心力将泡沫分散，从而达到消泡的目的。,旋风分离器消泡,发酵罐内产生的泡沫通过旋风分离器上部进入脱泡器下方引入的气体逆向接触使其破碎。,旋风分离器消泡,泡沫通过旋风分离器等破碎后，再将带微小泡沫的液体导入装有充填物的脱泡器中，以增大液体表面积，然后从脱泡器下方吹入气体，使其与流下的液体逆向接触进行彻底的脱泡。,转向板消泡,泡沫以m/s的速度由喷头喷向转向板使泡沫破碎，分离液用泵送回发酵内，而气体则排出消泡器外。,轴封,作用：防止泄漏和染菌。端面轴封的作用是靠弹性元件（弹簧、波纹管）的压力使垂直于轴线的动环和静
15、环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。端面轴封的优点：清洁，密封可靠，使用时间长；无死角；摩擦功率耗损小；轴或套不受磨损；对轴的震动敏感性小。,其它部件,联轴器及轴承搅拌轴较长时，常分为二至三段，用联轴器连接。变速装置试验罐采用无级变速装置。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动，圆柱或螺旋圆锥齿轮减速装置。测量系统：传感器系统，用以测量pH、溶氧等，传感器要求能承受灭菌温度及保持长时间稳定。附属系统：包括视镜、挡板等以观察发酵液的情况或强化发酵液体的混合。,自吸式发酵罐,不需空气压缩机提供压缩空气，而是利用特设的机械搅拌吸气装置或液体喷射吸气装置吸入无菌空气并同时实现混合搅拌与溶氧传
16、质的发酵罐。,自吸式发酵罐的特点,无需空气压缩机及其附属设备；溶氧速率高，能耗较低；进罐空气处于负压900mmHg，增加了染菌机会，且搅拌转速高30m/s，有可能使菌丝被切断，使正常的生长受到影响。,气升式发酵罐,在环流管底置有空气喷嘴，空气在喷嘴口以m/s的高速喷入环流管，由于喷射作用，气泡被分散于液体中，借助与环流管内气液混合物的密度与反应主体之间的密度差，使管内气液混合物连续循环流动。罐内培养液中的溶解氧由于菌体的代谢而逐渐减小，当其通过环流管时，由于气液接触而达到饱和。,气升式发酵罐,气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。气升内环流发酵罐、气液双喷射气升环流发酵罐、设有多层分布板的塔式气升
17、发酵罐已在工业上应用。,气升式反应器的特点,反应溶液分布均匀 气液固三相均匀混合较高的溶氧速率和溶氧效率，气升式反应器具有较高的气含率和比气液接触截面，因而有较高的传质速率和溶氧效率。剪切力小，对生物细胞损伤小。无机械搅拌叶轮传热良好。液体综合循环速率高，同时便于在外循环管路加装换热器。结构简单，易于加工制造。操作和维修方便。,气升式反应器,反应器高径比：59导流筒径与罐径比：0.6-0.8空气喷嘴直径与反应器直径比及导流筒上下端面到罐顶及罐底的距离均对发酵液的混合与流动、溶氧等有重要影响。环流管的高度在4m以上，罐内液面不高于环流罐出口1.5m，且不低于环流管出口,气升式反应器,平均循环时间
18、tm 气液比R:发酵液的环流量Vc与通风量Vg之比，即R=Vc/Vg通气量对气升式发酵罐的混合与溶氧起决定作用。气升式反应器的溶氧传质:取决于发酵液的湍流及气泡的剪切细碎状态。,塔式发酵罐,一种高径比较大 的非机械搅拌式生物反应器。它不设置机械搅拌装置，利用通入培养液的空气泡上升时带动流体运动，产生混合效果。,塔式发酵罐,适用于培养液粘度低，含固量少，需氧量较低的培养过程。/高达，流体深度大，空气进入培养液后有较大的停留时间，并可将气体重新分散，筛板上的降液口有助于液体的循环运动。结构简单，省去轴封，减少剪切作用对细胞的损害；造价较低，动力消耗少。反应器高，要在室外安装，而且压缩空气要有较高压力以克服反应器内液体的静压力。,
