浅谈通用发酵罐的搅拌和空气分布器的进展.doc

第 7 页 德州市鸿泰环保设备有限公司搅拌装置在发酵及脱硫方面最新改进技术资料通用发酵罐的搅拌和空气分布器的进展2010-03-05 12:48:53来源：德州鸿泰环保设备有限公司评论：0 点击：75 发酵罐的搅拌装置与空气分布器在近些年来取得了很大的发展，本文综述了这方面的进展情况。重点对新型搅拌装置与空气分布器的进展以及其对溶氧和液面控制的影响进行了综述与评价，并就国内的研究现状进行了简单概述。关键词：发酵罐、搅拌器、圆盘、空气分布器、溶氧、气穴 对于好氧发酵来说，发酵罐（如图1）的搅拌装置和空气分布器占有一定的重要性，搅拌装置和空气分布器的先进程度关系到发酵装置的电力能源消耗、空气的消耗、发酵溶氧情况甚至会关系到发酵指标的好坏。1 发酵搅拌系统进展： 对于传统的发酵搅拌器（如图2）大家一直在使用直叶圆盘涡轮搅拌器（类似产品还有斜叶圆盘涡轮搅拌器）、弯叶圆盘涡轮搅拌器、箭叶圆盘涡轮搅拌器对于圆盘涡轮桨，叶片数量38个，常用的为6个。传统认为在相同的搅拌功率下打碎气泡的能力，直叶大于弯叶，弯叶大于箭叶，但其翻动流体的能力正好相反，传统通用式发酵罐最常用的是六直叶涡轮桨和六箭叶圆盘涡轮搅拌器。在上世纪90年代，我们的发酵罐搅拌通常为此种类型： （ 图 2 ） 随着科技的不断进步，改革开放的不断深入以及工业技术的发展，上世纪90末一些国际知名的混合设备公司开始进入中国的市场，其中比较著名的有美国的莱宁（Lightnin）公司、凯米尼尔（Cheminer）公司和英国APV公司。其推出的轴流式搅拌无论是在溶氧效果上，还是在动力消耗上都有长足的进步。国内的混合设备公司也开始推出类似的搅拌。（搅拌样式如图3）（ 图 3 ） 对与60立方以下的发酵罐单层搅拌浆也许能够满足要求，对于更大体积的发酵罐通常采用多层搅拌浆相组合的方式，通常采用24层搅拌将进行组合。目前新型搅拌组合一般最下层采用抛物线型搅拌器，上层采用轴流式搅拌浆，并且大部分轴流式搅拌采用4宽叶的旋浆，叶片向下压的方式。主要由于其覆盖面较大，有利于延长空气在发酵液中的滞留时间。在功率消耗方面，以某抗生素为例，用传统组合式搅拌，功率消耗在1.25KW/m3,而用抛物线型搅拌器与轴流式搅拌相组合的型式，搅拌功率消耗在0.75 KW/m3。（以上数据统计按照发酵罐的总体积进行的计算） 在提高传质系数方面： KLa=0.023(P/VL)0.49VG0.58 （1-1） KLa-传质系数 P-搅拌功率（W） VL-液体体积（m3） VG-表观气速(m/s) 根据式（1-1）及上述的功率消耗的经验值可以推算：若在发酵体积及表观气速相同的情况下，用抛物线型搅拌器与轴流式搅拌相组合的搅拌系统可提高传质系数28%。 笔者认为虽然先进的轴流式搅拌浆组合能源消耗、气-液分散效果上有了长足的进步，但其对发酵的液面控制不利。使用传统搅拌浆组合液面可以做到“风平浪静”；但使用轴流式搅拌浆组合（尤其是最上层的轴流式搅拌浆）通常会造成液面的“波澜壮阔”，从而影响放罐体积。以直径为3800mm的发酵罐为例，“波浪”每高出100mm,就会造成一吨多的发酵液的损失，严重降低发酵罐的有效体积。2 空气分布器的进展： 在上世纪大家一般采用空气直接通入发酵罐的底部，随着认识的不断提高，开始采用环管式空气分布器，环管上开出许多小孔。为保持空气的分布均匀，一般孔的面积之和为环管截面积的0.8。大部分公司采用空气向下的喷射方式（喷射方向为罐底方向）；部分公司采用空气向上的喷射方式（喷射方向为下层搅拌叶方向），以便于空气喷出后经搅拌浆打碎。总之，此段时间大家一直在研究如何使空气分布器中喷出的气泡更小，甚至有人开始用微孔曝气盘进行试验。 上世纪90年代末以上海理工大学的黄为民教授根据泰勒涡柱等原理研制出分布器，据黄教授称：可以使混合时间缩短一半，溶氧系数提高40%。其主要结构为：在球形的分布器上分布个空气喷嘴，在每个喷嘴后都沿其喷射方向安装有二级或多级射流混合器，在混合器内发酵液与空气进行混合，甚至达到乳化的效果。此种空气分布的产生促进了当时发酵工业的发展，国内部分发酵设备厂家开始仿造此类设备。 随着喷环式空气分布器在柠檬酸行业的应用成功，本世纪初期开始向有机酸、阿维菌素、抗生素等方向上发展。在节能方面，有经验证明在不改变原有搅拌系统的前提下，可降低搅拌功率10%以上。其主要是利用文丘里管的引射产生真空的原理(见图4)，利用压缩空气的原有动能，经喷咀（10mm18mm）高速射出所产生的负压和卷吸作用将罐中的液体吸入混合器（文丘里管）中，在混合器中与气体剧烈混合并达到乳化的效果。从而（图 4） 对于传质系数KLa： 由于KL只与体系的性质有关，几乎不随操作条件而变。一般KL可取4*10-4m/s。 a=6/dB (1-2) a-比界面积 -持气率 dB-气泡直径大小 通过式（1-2）看出要想提高容量传质系数，必须增大气、液二相的接触比表面积a，这又取决于气泡的粉碎程度，气泡直径dB越小，比表面积a越大，对于传质系数KLa越大。3 搅拌浆与空气分布器的相互配合情况： 在搅拌系统和空气分布系统不断发展的同时，各品种的发酵工艺更是有了革命性的提高。大家越来越清醒的认识到应当将搅拌浆（尤其是最下层搅拌浆）与空气分布器作为一整体进行研究。 对于气泡的打碎，早期研究认为是桨叶片的“剪切”将气泡打碎，从而形成细小的气泡。近期随着“气穴”理论的出现，大家越来越清晰的认为：气体并不是直接被搅拌器剪碎而得到分散的。气泡的分散首先是在桨叶的背面形成较为稳定的气穴，气穴在尾部破裂，形成富含小气泡的分散区，这些气泡在离心力的作用下被甩出。气穴的形态决定了气泡的分散效果。（见图5）（图 5） 由于抛物线式搅拌浆的“后角”阻止了气穴的形成，说明了抛物线式搅拌浆在气-液分散中的优势。因此笔者认为在只有空气分布器与搅拌浆（尤其是最下层搅拌浆）共同配合才能更好的完成气-液分散的任务。“气穴”的形状除与搅拌转速和搅拌浆的型式有关外，涡轮圆盘也担当者空气分度的作用。圆盘一方面阻碍了气体的在循环，另一方面也防止了气体的短路逸出，特别在使用空气向上的喷射的环管式空气分布器，此时更凸显圆盘的重要性。4 结语： 对于好氧发酵来说，我们不仅要考虑搅拌浆的混合效果与能源消耗；还要研究空气分布器的气-液分散效果；更要将搅拌浆与空气分布器共同研究，以便更好的控制“气穴”，提高溶氧效果；并且要控制好液面的平稳，最大限度的提高发酵体积。烟尘脱硫设备中的混和搅拌技术中国脱硫防腐网 脱硝_除汞_低碳 2010-08-24 作者: 史庆华来源:德州鸿泰环保设备有限公司 文字大小:大中小 在提高烟尘脱硫设备的经济性过程中，气体的混和搅拌技术有着重要的作用。新型气体搅拌混和技术可以大大地提高烟尘脱硫设备的经济效益。德州鸿泰环保搅拌设备技术公司研制开发的气体搅拌混和系统可以节省设备投资、生产运行和维护保养的费用。对于电站经营者来说，这是非常具有竞争力的。 在传统的火力发电站中，燃烧烟尘中的氧化硫在湿式过滤设备中经化学反应生成钙基物质而被从气体中清除出来；从而减少了酸雨，减少了环境污染。而在湿式烟尘过滤设备的底部，积累下来的钙基物质必须再次被转换成石膏类产品，必须转换成符合建筑业使用要求的石膏产品。为了达到这一目的，在湿式烟尘过滤设备的底部安装了一台气体搅拌混和装置；由它通过气体的混和、搅拌从空气中提供氧化反应所需的氧气；氧化反应后生成的固体石膏应保留在烟尘过滤器的最低层。德州鸿泰环保设备有限公司产品研发与应用技术部门的领导人Werner Himmelsbach先生说：“烟尘脱硫设备中，所使用的空气搅拌机功能如何，对脱硫的效果和经济性有着决定性的影响。” 从80年代起，随着人们环保意识的不断增强、有关烟尘排放的法律法规越来越严格，企业中使用的烟尘脱硫设备也越来越多。鸿泰环保公司在烟尘脱硫技术方面研发出了自己的独特产品：带有空气气体搅拌混和系统的搅拌装置Wingjet系统。它的问世在烟尘脱硫设备中带来了一场革命，到2000年时，世界上大约80%的大型热电厂的现代化热电设备中都改换了这种可以对气体进行搅拌混和的烟尘脱硫搅拌设备。气体搅拌混和系统安装在反应塔的一侧，由三个叶片的螺旋桨组成，它所喷出的气流不对沉降过程中的石膏物质发生干扰。 长寿命和高效率 烟尘中悬浮物的沉降在很大程度上取决于烟尘中固体物质的含量和烟尘含量。新型Wingjet气体搅拌混和系统研制开发时的一个目的就是延长设备的使用寿命；而延长烟尘脱硫设备使用寿命的前提条件是改善设备的机械磨损。对此，Himmelsbach先生说：“在经过了一系列详细的研究分析、经过了大量的数字化模拟试验后，最终借鉴了飞机制造业中的经验，找到了合适的解决办法：在先进的Wingjet气体搅拌混和系统中的螺旋桨叶片的顶端设计了一个压力补偿减震块，由它来平衡、补偿空气搅拌系统工作时压力不均衡而带来的震动。” 经过分析研究，Wingjet气体搅拌混和系统在螺旋桨叶片的顶端安装了减震块后大大的减少了螺旋桨工作时的震动，从根本上解决了磨损的问题。螺旋桨的各个叶片是单独浇铸生产的，它们与锻造的叶片轮毂焊接成整体的空气推进螺旋桨。与整体铸造的螺旋桨相比，这种分体铸造螺旋桨的优点在于：可以使用不同的金属材料来制造螺旋桨部件。螺旋桨叶片可利用非常耐磨的优质钢铸造而成，螺旋桨叶片的轮毂则可以采用耐腐蚀的高合金钢材料制造。按照这种方法制造的冷却喷射系统使用寿命长、维护保养费用低。 与钢板制造螺旋桨叶片的工艺技术相比，铸造的螺旋桨叶片有着非常高的形状一致性和扭转角度。从而可以将它的液体动力学效果，即：螺旋桨叶片的输入、输出功率之比提高到一个新的水平。另一个全新的效果是：在氧化反应中有着更好的气流分布。在提高经济性方面，所使用的气体搅拌混和技术发挥着重要的作用 这一申请了专利的Wingjet气体搅拌混和系统带有一个空心毂和三个安装在螺旋桨轴上的、位于螺旋桨叶片前的输气管。空气由空心毂进入，经三个输气管排出。在空心毂与输气管之间的过渡处，形成了无接触的、无磨损的、易于维修保养的空气分配器。空气输气管出口的横截面不垂直于输气管轴线，而是与输气管旋转方向相反的、带有一定角度的斜面，从而在旋转时可以形成负压。负压的数值大于输气管中气流损失的数值，从而可以防止密封处的空气泄漏。输气管的直径是按照螺旋桨叶片最大湍流数据而设计的，从而可以保证有最佳的弥散效果和空气利用率。 节约效果明显 经过这样优化的空气分配器在输入功率相同的情况下有着很高的气体传送效率和很高的空气利用率。在使用这种气体搅拌混和系统之后，减少了空气压缩机在生产和维修费用。尤其是对那些功率达几兆瓦的大型设备中，使用和维修费用的节约更加引人注目。利用这种旋转式空气分配器可以大大的减少气流输送时的损失，每个搅拌设备可以多输送50%的气体。空气分配、输送设备的工作效率可以在设备的生产过程中通过对配备供气系统的检测来确定。 “使用Wingjet技术后可以降低的生产成本、可以节约的费用不能一概而论。这一方面是由于Wingjet气体搅拌混和系统的使用寿命延长了；特别是在处理强力磨损介质的流程工业设备中，这些设备的设计使用寿命都很长，长期的生产费用投资与设备投资之间的比率没有统一的计算平衡方法。另一方面，长期的使用寿命不仅仅是省略了螺旋桨叶片的更换费用，而且也省略了设备停产检修的时间的费用。总之，通过采取这些措施，明显地提高了经济效益。”Himmelsbach先生解释到。 而最大的费用节省