反應(yīng)設(shè)備王樂第1頁/共51頁第九章反應(yīng)設(shè)備

反應(yīng)設(shè)備：用來進(jìn)行化學(xué)或生物反應(yīng)的裝置，是一個(gè)能為反應(yīng)提供適宜的反應(yīng)條件，以實(shí)現(xiàn)將原料轉(zhuǎn)化為特定產(chǎn)品的設(shè)備原料預(yù)處理化學(xué)或生物反應(yīng)后處理產(chǎn)品

反應(yīng)這一步是生產(chǎn)過程的核心，起著主導(dǎo)作用，它的要求和結(jié)果決定著預(yù)處理的程度和后處理的難度。第2頁/共51頁對(duì)反應(yīng)器的要求1反應(yīng)器要有足夠的體積2反應(yīng)器要有適宜的結(jié)構(gòu)4反應(yīng)器要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕能力3反應(yīng)器要有足夠的傳熱面積5反應(yīng)器要易操作、易制造、易安裝、

易維修第3頁/共51頁反應(yīng)器的分類（1）按操作方式

①間歇操作②半間歇操作③連續(xù)操作（2）按反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

①機(jī)械攪拌式②高速氣流發(fā)酵罐③塔式與管式發(fā)酵罐

第九章反應(yīng)設(shè)備第4頁/共51頁主要內(nèi)容

機(jī)械攪拌反應(yīng)器12發(fā)酵設(shè)備重點(diǎn)：機(jī)械攪拌反應(yīng)器的組成，常用的攪拌器和提高攪拌效果的方法，攪拌式發(fā)酵罐的組成。難點(diǎn)：常用攪拌器的結(jié)構(gòu)第5頁/共51頁第一節(jié)機(jī)械攪拌反應(yīng)器1、攪拌反應(yīng)器的組成2、常用的攪拌器3、密封裝置4、傳動(dòng)裝置5、提高攪拌效果的方法第6頁/共51頁1、攪拌反應(yīng)器的組成第一節(jié)機(jī)械攪拌反應(yīng)器攪拌反應(yīng)器由攪拌容器和攪拌裝置兩大部分組成。第7頁/共51頁第一節(jié)機(jī)械攪拌反應(yīng)器2、常用的攪拌器形狀有攪拌漿或攪拌葉輪，是攪拌反應(yīng)器的關(guān)鍵部件。功能：提供過程所需要的能量適宜的流動(dòng)狀態(tài)。流型流型是循環(huán)流動(dòng)的途徑。流型取決于攪拌器的形式、攪拌容積和內(nèi)構(gòu)件幾何特征，流體性質(zhì)、攪拌轉(zhuǎn)速等因素第8頁/共51頁有三種基本流型：1.徑向流流體的流動(dòng)方向垂直于攪拌軸，沿徑向流動(dòng)，碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動(dòng)，再回到葉端，不穿過槳葉面，形成上、下兩個(gè)循環(huán)流動(dòng)。見下圖第9頁/共51頁2.軸向流流體的流動(dòng)方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動(dòng)，使流體向下，遇到流體底面再翻上，穿過槳葉，形成上下循環(huán)流。見下圖第10頁/共51頁3、切向流無擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流體高速時(shí)液體表面形成漩渦，這種流型稱為切向流。見下圖第11頁/共51頁第12頁/共51頁三種基本流型：（1）徑向流——渦輪式葉輪、圓筒形罐體，帶擋板；（2）軸向流——推進(jìn)式葉輪、圓筒形罐體，帶擋板；（3）切向流——渦輪式葉輪、圓筒形罐體，無擋板；實(shí)際中這三種流型同時(shí)存在，但所占比例不同。切向流的混合效果很差，應(yīng)加以抑制。第13頁/共51頁第14頁/共51頁(1)攪拌器的旋轉(zhuǎn)(2)槳葉形狀的不同切向圓周運(yùn)動(dòng)軸向流動(dòng)徑向流動(dòng)

第15頁/共51頁流動(dòng)的影響(1)循環(huán)流動(dòng)(2)高度湍動(dòng)將流體輸送到攪拌釜內(nèi)各處大尺度宏觀混合產(chǎn)生旋渦，旋渦分裂使流體分散小尺度微觀混合第16頁/共51頁葉輪的類型按流型分類按結(jié)構(gòu)分類按流體粘度分類軸流式徑流式混流式平葉式折葉式螺葉式低粘式高粘式其中槳式、推進(jìn)式、渦輪式和錨式應(yīng)用廣泛，約占總數(shù)75%~80%第17頁/共51頁2、常用攪拌器(1)槳式攪拌器

旋轉(zhuǎn)直徑為釜徑的0.35~0.8倍，甚至達(dá)0.9倍以上。常用轉(zhuǎn)速為1~100rpm，葉端圓周速度為1~5ms-1。(b)斜槳式

(a)平槳式第18頁/共51頁

(a)平槳(b)斜槳槳葉可分成24°、45°或60°傾角軸向和徑向運(yùn)動(dòng)切向和徑向運(yùn)動(dòng)可用于簡單的固液懸浮特點(diǎn)和應(yīng)用:第19頁/共51頁槳式攪拌器的徑向攪拌范圍大，可用于較高粘度液體的攪拌。釜內(nèi)液位較高時(shí)(c)多斜漿式多斜槳式第20頁/共51頁(2)錨式和框式攪拌器

(a)錨式(b)框式根據(jù)釜底的形狀制造旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá)釜徑的0.9~0.98倍第21頁/共51頁缺點(diǎn)：主要使液體產(chǎn)生水平環(huán)向流動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：攪動(dòng)范圍大，在槳上增加橫梁和豎梁，防止死區(qū)的形成錨式和框式攪拌器常用于中、高粘度液體的攪拌難以保證軸向混合均勻第22頁/共51頁

框式攪拌器第23頁/共51頁(3)螺帶式攪拌器目的：提高軸向混合效果第24頁/共51頁液體將沿著螺旋面上升或下降形成軸向循環(huán)流動(dòng)，螺帶式攪拌器常用于高粘度液體的混合第25頁/共51頁3、軸封裝置攪拌罐與攪拌軸之間由填料構(gòu)成的密封。第26頁/共51頁機(jī)械密封第27頁/共51頁4、傳動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置包括：電動(dòng)機(jī)、減速器、聯(lián)軸器及機(jī)架。1—電動(dòng)機(jī)；2—減速機(jī)；3—聯(lián)軸器；4—支架；5—攪拌軸；6—軸封裝置；7—凸緣；8—上封頭第28頁/共51頁

1.打旋現(xiàn)象及其消除危害:各層液體之間幾乎不發(fā)生軸向混合當(dāng)物料為多相體系時(shí)，還會(huì)發(fā)生分層或分離現(xiàn)象。攪拌效率下降打旋現(xiàn)象5、提高攪拌效果的方法第29頁/共51頁

(1)裝設(shè)擋板

目的：破壞釜內(nèi)的圓周運(yùn)動(dòng)釜內(nèi)液面的下凹現(xiàn)象基本消失對(duì)軸向和徑向流動(dòng)無影響提高了混合效果作用：5、提高攪拌效果的方法第30頁/共51頁

(2)偏心安裝

目的：破壞循環(huán)回路的對(duì)稱性第31頁/共51頁2.導(dǎo)流筒

既提高了循環(huán)流量和混合效果，又有助于消除短路與流動(dòng)死區(qū)。第32頁/共51頁第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備1、攪拌式發(fā)酵罐2、高速氣流式發(fā)酵罐3、塔式與管式發(fā)酵器第33頁/共51頁第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備1、攪拌式發(fā)酵罐（1）發(fā)酵釜（2）換熱系統(tǒng)（3）攪拌器（4）導(dǎo)氣系統(tǒng)（5）密封裝置（6）消沫裝置第34頁/共51頁第35頁/共51頁第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備（1）發(fā)酵釜為整個(gè)發(fā)酵過程提供一個(gè)密封的環(huán)境，防止雜菌污染；同時(shí)為了能在一定壓力下進(jìn)行高溫滅菌，要求罐體承受的壓力至少在0。3MPa以上。由圓柱體+橢圓形或碟形封頭焊接而成第36頁/共51頁37內(nèi)筒不銹鋼，外夾套普通碳素鋼第37頁/共51頁第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備（2）換熱系統(tǒng)夾套式：一般5m3以下的用，套在內(nèi)殼的外層蛇管式：大于5m3，裝在發(fā)酵釜的內(nèi)部或焊在外壁上。第38頁/共51頁第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備（3）攪拌器它可以使使罐內(nèi)物料混合良好，有利于固體和營養(yǎng)物質(zhì)充分接觸，便于營養(yǎng)吸收；另一方面，可以打碎氣泡，增加氣液接觸面積，提高氣液間的傳質(zhì)速率，加強(qiáng)氧的傳遞效果及消除泡沫。第39頁/共51頁第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備（4）導(dǎo)氣系統(tǒng)是從罐的底部向罐內(nèi)通入無菌空氣，一般入口處的壓力為0.1-0.2MPa，罐頂部有空氣出口。管口對(duì)正罐底中央，裝于最低一擋攪拌器下面，噴口朝下，管口與罐低的距離約40mm，空氣分散效果較好。為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，在空氣分布器下部罐底上加焊一塊不銹鋼補(bǔ)強(qiáng)。可延長罐底壽命。這叫補(bǔ)強(qiáng)板。第40頁/共51頁第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備（5）密封裝置

發(fā)酵罐的攪拌軸與不運(yùn)動(dòng)的罐體之間的密封很重要，它是確保不泄漏和不污染雜菌的關(guān)鍵部件之一。第41頁/共51頁第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備（6）消磨裝置泡沫形成的原因①發(fā)酵液中含有蛋白質(zhì)等發(fā)泡物質(zhì)。②由外界引進(jìn)的氣流被機(jī)械地分散形成（通風(fēng)、攪拌）在通氣發(fā)酵生產(chǎn)中有兩種消泡方法，一是加入化學(xué)消泡劑，二是使用機(jī)械消泡裝置。通常，是把上述兩種方法聯(lián)合使用。第42頁/共51頁43物理消泡法：靠機(jī)械力引起強(qiáng)烈振動(dòng)或者壓力變化，促使泡沫破裂。消泡器安裝在發(fā)酵罐內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的上部或安裝在發(fā)酵罐排氣系統(tǒng)上的，可將泡沫打破、分離成液態(tài)和氣態(tài)兩相的裝置。化學(xué)消泡法：加入消泡劑，使泡沫失穩(wěn)，發(fā)酵時(shí)多用豆油。第43頁/共51頁最簡單實(shí)用的消泡裝置為耙式消泡器，可直接安裝在上攪拌的軸上，消泡耙齒底部應(yīng)比發(fā)酵液面高出適當(dāng)高度。安裝在發(fā)酵罐內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的上部的消泡器有齒式、梳式、孔板式、旋漿梳式等，見圖31、圖32。圖31耙式消泡器結(jié)構(gòu)圖32消泡器的安裝第44頁/共51頁第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備2、高速氣流式發(fā)酵罐

利用空氣噴嘴噴出200~300m/s的高速氣流，使空氣以泡沫的形式分散于液體中，由于密度差的原因而使罐內(nèi)液體環(huán)流。氣升式發(fā)酵罐第45頁/共51頁第二節(jié)發(fā)酵設(shè)備3、塔式與管式發(fā)酵器

為了減少返混和短路現(xiàn)象，在塔身中安裝折流返和填料，成為塔式發(fā)酵器。增大設(shè)備長徑比，增大發(fā)酵物通過發(fā)酵釜的線速度，便構(gòu)成管式發(fā)酵器。第46頁/共51頁小結(jié)1、機(jī)械攪拌器的組成，常用的攪拌器和提高攪拌效果的方法。2、攪拌式發(fā)酵罐的組成和其他發(fā)酵罐的簡介。第47頁/共51頁練習(xí)題1、攪拌反應(yīng)器由

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等部分組成。2、.機(jī)械攪拌裝置中常用攪拌器