Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ гидродинамики и массообмена существующих барботажных аппаратов газ-лифтных, с механическим перемешиванием, способов и аппаратуры газоочистки 15
1.1. Гидродинамика и массообмен газлифтных барботажных реакторов 15
1.2. Гидродинамика и массообмен барботажных реакторов с механическими перемешивающими устройствами 38
1.3. Анализ способов и аппаратуры газоочистки в биотехнологии 58
1.3.1. Основные способы и аппараты газоочистки современных промышленных предприятий 58
1.3.2. Эффективность очистки газа в мокрых пылеуловителях 72
Выводы 80
ГЛАВА 2. Исследование промышленных газлифт ных реакторов 82
2.1. Методы и средства измерений основных гидродинамических и массообменных параметров 82
2.2. Исследование биореакторов Зиминского гидролизного завода 86
2.3. Исследование биореакторов Бирюсинского гидролизного завода 93
2.4. Исследование многозонного газлифтного биореактора
V=1250 м3 Братского биолесохимического завода 106
Выводы 121
ГЛАВА 3. Исследование гидродинамики и массо-обмена газлифтного биореактора на крупномас штабной модели 123
3.1. Экспериментальная установка, конструкция модели газ-лифтного биореактора 123
3.2. Исследование гидродинамики газлифтного барботажного биореактора 129
3.3. Исследование массообмена газлифтного барботажного биореактора 149
Выводы 154
ГЛАВА 4. Исследование гидродинамики и массо обмена барботажных биореакторов с механическим перемешиванием на крупномасштабных моделях 156
4.1. Экспериментальные установки, конструкции моделей барботажного биореактора с одним и тремя многоярусными перемешивающими устройствами 156
4.2. Исследование гидродинамики барботажного биореактора с механическим перемешиванием 172
4.3. Исследование массообмена барботажного биореактора с механическим перемешиванием 182
Выводы 194
ГЛАВА 5. Математическое моделирование процес са получения кормового бежа в барботажном биореакторе с механическим перемешиванием 197
5.1. Анализ процесса получения кормового белка как объекта математического моделирования 197
5.2. Математическое моделирование барботажного биореактора с механическим перемешиванием 205
Выводы 218
ГЛАВА 6. Исследование эффективности барботажных аппаратов газоочистки на крупномасштабныхмоделях 219
6.1. Описание конструкций крупномасштабных моделей аппаратов газоочистки и схем экспериментальных установок 220
6.2. Методы и средства измерений, качественная оценка эффективности газоочистки 223
6.3. Экспериментальные исследования крупномасштабных
моделей аппаратов газоочистки 230
6.3.1. Анализ результатов исследований 232
Выводы 246
ГЛАВА 7. Методики расчета барботажных аппара тов блоков для биотехнологических процессов 247
7.1. Единые блоки барботажных аппаратов для биотехнологических процессов 247
7.2. Методика расчета основных аппаратов блока - газлифт-
ных реакторов РБГ 249
7.2.1. Масштабирование и основные положения методики расчета 249
7.2.2. Расчет газлифтных реакторов 257
7.3. Методика расчета основных аппаратов барботажных блоков-реакторов с многоярусными мешалками РМ 268
7.4. Методика расчета вспомогательных аппаратов блоков -аппаратов газоочистки 284
7.5. Разработка и расчет промышленного аппарата газоочистки.. 289 Выводы 293
Основные результаты и выводы 294
Список использованных источников
- Гидродинамика и массообмен барботажных реакторов с механическими перемешивающими устройствами
- Исследование биореакторов Зиминского гидролизного завода
- Исследование гидродинамики газлифтного барботажного биореактора
- Исследование гидродинамики барботажного биореактора с механическим перемешиванием
Введение к работе
Одним из приоритетных направлений развития промышленности является совершенствование биотехнологических производств. Эти производства являются одной из составляющих высокотехнологичных отраслей промышленности, необходимость развития которых неоднократно подчеркивает Президент РФ В.В.Путин в своих обращениях к парламенту и правительству России.
Задача развития, совершенствования и повышения эффективности биотехнологических процессов вызывает необходимость глубокой проработки многих научных направлений, одним из которых является создание качественного аппаратурного оформления этих процессов. Только эффективная работа биотехнологических аппаратов позволит решить задачу интенсификации биотехнологических производств.
Основным аппаратом биопроизводства является реактор. Именно от работы биореактора, его конструктивных особенностей зависят технико-экономические показатели процесса и качество производимой продукции.
В последние годы появилось большое количество биореакторов различного конструктивного исполнения. За последние три десятилетия выдано более трехсот патентов на биореакторы.
Однако проблема выбора наилучших конструкций биореакторов газ-лифтных или с механическим перемешиванием была и остается актуальной.
Современные биотехнологические процессы характеризуются большим выбросом в атмосферу отработанного в биореакторах воздуха, содержащего живые клетки микроорганизмов, что вызывает заболевания обслуживающего персонала и населения близлежайшего региона.
Таким образом, создание новых барботажных аппаратов и газоочистного оборудования, совершенствование конструкций действующих аппаратов является особенно актуальной и современной проблемой, связанной с оптимизацией биотехнологических производств.
Российские и зарубежные ученые (Винаров А.Ю., Гордеев Л.С., Ша-рифуллин В.Н., Кузнецов A.M., Фукуда X., Виестур У.Э. и др.) на протяжении ряда последних лет вели научные разработки по совершенствованию конструкций биотехнологических реакторов с целью повышения эффективности их работы и улучшения гидродинамических и массообмен-ных характеристик. Немалые успехи в этом направлении были достигнуты учеными Иркутского научно-исследовательского института химического и нефтяного машиностроения (ИркутскНИИхиммаш), являвшимся головным НИИ по созданию ферментационного оборудования в СССР.
Однако, несмотря на сравнительно большое число исследований в этой области, практически отсутствуют работы, охватывающие принципы расчета барботажных реакторов, газоочистного оборудования с единых методологических позиций.
Кроме того, до сих пор не освещались в обобщенном виде и с необходимыми теоретическими предпосылками гидродинамические и массо-обменные явления при взаимодействии газа с жидкостью в биореакторах.
Интенсификация биотехнологических производств возможна лишь при комплексном проектировании основных биореакторов и вспомогательных аппаратов газоочистки, объединенных в блоки.
На рис.1 приведена структурная схема блока для биотехнологического процесса.
Блочная поставка оборудования позволяет сократить трудозатраты при проектировании промышленных объектов, повысить качество проектных решений, выполнить требования заказчика по производительности аппаратов, обеспечить экологическую безопасность.
Очевидно, что комплексное решение задачи интенсификации биопроизводств немыслимо без системного подхода в рассмотрении этой проблемы. Системный подход заключается в решении задач моделирования и оптимизации не только аппаратурного оформления биотехнологического процесса, но и режимов ведения самого процесса.
Мощный аппарат математического моделирования позволил за последние годы, расширить наши представления о процессах перемешивания в жидких средах, использовать математический анализ структуры потоков, возникающих в аппаратах с мешалками, и создать математические модели, хотя и приближенно описывающие происходящие явления. Однако нахождение коэффициентов математических моделей остается уделом эмпирического поиска и тем затрудняет установление границ деформации моделей, а, следовательно, и возможности масштабирования процессов.
Тем не менее, метод математического моделирования с использованием принципов физического моделирования для установления коэффициентов математических моделей является сегодня единственно верным путем осмысливания происходящих при перемешивании явлений.
Затронутые выше вопросы рассмотрены в диссертации применительно к барботажным реакторам различных принципов действия (газ-лифтным, с механическим диспергированием газа). Каждому типу реактора дана оценка с точки зрения его использования в тех или иных условиях, что позволит проектировщикам этой аппаратуры обоснованно подойти к выбору нужной конструкции.
Результаты научных исследований реализованы в отраслевых руководящих технических документах РД РТМ 26-01-127-80 "Ферментаторы для производства микробиологического синтеза. Методика расчета основных конструктивных элементов и режимов работы" (введен в действие с 01.01.81 г.) и РД 26.260.008-92 "Ферментаторы для производств микробиологического синтеза. Методы расчета основных конструктивных элементов и режимов работы" (введен в действие с 01.01.93 г.).
Внедрены опытно-промышленные биореакторы на Ангарском заводе белково-витаминных концентратов, Братском биолесохимическом заводе, Зиминском, Усть-Илимском и Хакасском гидролизных заводах.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе Ангарской государственной технической академии.
На протяжении 20 лет автор лично участвовал в проведении исследований, а также осуществлял научное руководство основными этапами проблемы, включая постановку и решение задач, принимал непосредственное участие в планировании, обработке и обобщении результатов экспериментов, руководил аспирантами, защитившими кандидатские диссертации.
Основные положения диссертации были доложены на Международных, Всесоюзных, республиканских конференциях, семинарах: XV Международная научная конференция "Математические методы в технике и технологиях" (г. Тамбов, 2002 г.); Восьмая Международная научно-техническая конференция по проблемам наукоемких химических технологий "Наукоемкие химические технологии - 2002" (г. Уфа, 2002 г.); XVI Международная научная конференция "Математические методы в технике и технологиях" (г. Санкт-Петербург, 2003 г.); XVII Международная научная конференция "Математические методы в технике и технологиях" (г. Кострома, 2004 г.); Десятая международная научно-техническая конференция по проблемам наукоемких технологий "Наукоемкие химические технологии-2004" (Волгоград, 2004 г.), V Всесоюзная конференция по теории и практике перемешивания в жидких средах "ТПП-5" (г. Ленинград, 1986 г.); Всесоюзная научно-техническая конференция "Молодые исследователи и конструкторы - химическому машиностроению" (г. Дзержинск, 1977 г.); Вторая Всесоюзная научно-техническая конференция "Молодые исследователи и конструкторы - химическому машиностроению" (г. Свердловск, 1979 г.); Всесоюзная научно-техническая конференция "Основные направления создания нового оборудования для микробиологической промышленности" (г. Иркутск, 1982 г.); Вторая Всесоюзная научно-техническая конференция "Основные направления совершенствования и создания нового оборудования для медицинской и микробиологической промышленности" (г. Иркутск, 1988 г.); Всесоюзное научно-техническое совещание "Пути совершенствования, интенсификации и повышения надежности аппаратов в основной химии" (г. Сумы, 1980 г.); Второе Всесоюзное совещание по ферментам микроорганизмов" (г. Минск, 1978 г.); Научно-техническая конференция "Современные технологии и научно-технический прогресс" (г. Ангарск, АГТА, 1993, 1999, 2000, 2001 и 2004 г.г.); Всероссийский семинар "Гидротехника - Север - Экология - Гидромеханика" (г. Новосибирск, 1994 г.).
Основные положения диссертации опубликованы в 52 печатных работах, среди которых публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, - "Химическая промышленность", "Известия высших учебных заведений СССР", отраслевых научнотехнических и производственных журналах и сборниках трудов Международных научно-технических конференций, а также сборниках Всесоюзных и республиканских конференций, авторских свидетельствах СССР и патентах РФ на изобретения и, в том числе, в монографии: "Гидродинамика и массообмен промышленных газлифтных биореакторов" /Тур А.А., - Ангарск, РИО АГТА, 2004 - 108 с.
Полученные А.С. № 827542 (СССР) от 07.01.1981 г. «Устройство для перемешивания и аэрации жидкости»; А.С. № 1572692 (СССР) от 22.02.1990 г. «Насадка для массообменных аппаратов»; А.С. № 1740076 СССР от 15.02.1992 г. «Флотатор»; А.С. № 1824752 (СССР) от 12.10.1992 г. «Центробежный аэратор»; Патент 2032733 С1 РФ МКИ 6 С 12 М 1 / 04. от 10.04.1995 г. «Аппарат для выращивания микроорганизмов»; Патент 2060794 С1 РФ, МКИ6В01В47/02 от 27.05.1996 г. «Устройство для очистки отработанного воздуха к ферментаторам» показывают целесообразность проведения настоящих исследований, которые имеют большое значение при решении важной народно-хозяйственной задачи по созданию нового научно обоснованного высокоэффективного, экономичного и экологически безопасного блочного оборудования, ориентированного на специфику биотехнологических и химических производств.
Гидродинамика и массообмен барботажных реакторов с механическими перемешивающими устройствами
Реакторы барботажные с механическим перемешиванием находят широкое применение в химической промышленности, в частности, в каталитических процессах. В качестве хорошо известных примеров могут быть названы [85] гидрогенизация и окисление органических соединений, гидропроцессы с маслами, полученными из угля и нефти, и реакции алкилирования. Из-за наличия трех фаз газ-жидкость-твердое тело для достижения эффективного тепло и массопереноса, а также перемешивания, благоприятных для отдельных процессов, важна конструкция реактора [85]. На реакторах таких конструкций базируется и химико-фармацевтическая промышленность.
За последние несколько лет был изучен ряд таких вопросов как гидродинамика, массо- и теплоперенос барботажных реакторов с механическим перемешиванием. Однако, судя по разрозненным сообщениям, не было попыток составления обзора, касающегося усовершенствований конструкций этих реакторов в целях интенсификации гидродинамических и массообмен-ных процессов, особенно для высокоинтенсивных реакторов с единичными и несколькими многоярусными мешалками. Таким образом главной целью настоящего параграфа является обзор важнейших усовершенствований барботажных реакторов с механическим перемешиванием, анализ информации, касающейся гидродинамики и параметров массопереноса в этих аппаратах, вопросов их расчета и моделирования, а также постановка основных задач исследований.
Реакторы с перемешивающими устройствами относятся к типу аппаратов с комбинированным подводом энергии, когда перемешивание осуществляется механическими мешалками и принудительно вводимым в аппарат воздухом.
Применение многоярусных перемешивающих устройств, представляющих собой набор из нескольких мешалок, установленных на определен ном расстоянии между собой на одном валу или нескольких таких валов с мешалками, разнесенными по рабочему объему аппарата (многозонные реакторы) вызвано большими рабочими объемами (свыше 200-300 м3) и высотами заполнения реактора рабочей жидкостью.
Эффективность биореакторов различного типа принято характеризовать [66] такими показателями, как объемный коэффициент массопередачи кислорода (KLa), скорость сорбции кислорода (М), степень его использования (ф0 )и обобщающим показателем затрат энергии на единицу переданного кислорода (N0l).
В соответствии с этими показателями биореакторы с механическим перемешиванием и барботажем могут быть охарактеризованы следующими значениями [66]: KLa = 0,28...0,55 с1; ф = 15...30%;М =7...15 кг02/м3; N0i = 1,3...2,2 кВт ч/кг 02.
Установлено [66, 75], что биореакторы с многоярусными перемешивающими устройствами являются высокоинтенсивными аппаратами, в которых могут быть достигнуты высокие значения М при экономически выгодных значениях N0i. Например, биореактор такого типа конструкции фирмы "Хемап" объемом 200 м3 имеет [66] KLa = 0,36 с ; N0= 1,4 кВт ч/кг 02. На рис. 1.3 и 1.4 приведены конструкции биореакторов, изготавливаемых предприятием «Рудис Лебен», Дзержинским заводом химического машиностроения.
При конструировании реакторов стремятся достичь высокой эффективности процесса путем максимально возможного развития поверхности контакта газовой и жидкой фаз в единице рабочего объема аппарата.
Технические решения в этом направлении можно проследить по разработкам отечественных промышленных аппаратов [22, 83, 84, 88,92,96, 98] и ряда зарубежных фирм.
Для увеличения поверхности контакта газовой и жидкой фаз в биореакторе с многоярусным перемешивающим устройством фирмы "Хемап" (рис. 1.5) используется внутренний циркуляционный стакан - диффузор. Сам аппарат состоит из вертикального цилиндрического корпуса, центрально расположенного вала с несколькими двусторонними турбинными мешалками. В нижней части реактора расположен трубчатый барботер, а вверху - механический пеногаситель. Отвод биологического тепла осуществляется через стенку аппарата хладоносителем, подаваемым в рубашку аппарата. В реакторе для гидрирования масел (рис. 1.6) используется подача водорода через два барботера (нижний и средний), а также горизонтальные перегородки на различных ступенях для уменьшения степени обратного перемешивания [85].
В целях увеличения поверхности фазового контакта многие исследования [86, 87, 89, 94, 95] направлены на поиск оптимальной конструкции газораспределителя, которая должна обеспечивать тонкое диспергирование воздуха в рабочей жидкости и способствовать равномерному его распределению по рабочему объему аппарата. Решение этого вопроса является особенно важным при создании эффективных реакторов высокой единичной производительности с большими рабочими объемами (более 100 м ).
С этих позиций все представленные конструкции биореакторов не могут быть рекомендованы в качестве базового варианта эффективного основного реактора биотехнологии, так как нет веских оснований полагать, что применяемый в данных аппаратах тип барботера является оптимальной конструкцией газораспределителя.
Конструирование аппаратов большого объема с единичным многоярусным перемешивающим устройством является технически сложной задачей по причине предельных возможностей как прочностных параметров систем, так и мощности приводов перемешивающих устройств. Поэтому возникла необходимость рассредоточенного ввода энергии и поиска рационального ее использования.
Исследование биореакторов Зиминского гидролизного завода
Массообменную способность биореакторов оценивали в соответствии с методиками (см. раздел 2.1) по следующим параметрам - скорости сорбции кислорода, объемному коэффициенту массопередачи и степени использования кислорода.
Результаты измерений и расчетов массообменных характеристик биореакторов в рабочих условиях приведены в табл. 2.3.
Анализ результатов проведенных исследований систем воздухорас-пределения, удерживающей способности по газу (газосодержание), скоростей потоков по высоте биореакторов и их массообменной способности позволил отметить следующее.
Среднее газосодержание в аппаратах составляет около 60 %, скорости потоков незначительны, распределение воздуха в кольцевом пространстве и диффузоре неравномерное, имеют место прорывы газового "факела" и крупных воздушных агрегатов через поверхность культуральной жидкости, не участвующих в массообмене.
Массообменные показатели М = 0,82 и 0,65 кг 02/м -ч свидетельствуют о низких массообменных способностях исследованных аппаратов.
Конструкции газораспределителей обоих аппаратов имеют существенные недостатки: так прямой угол, образованный в месте перегиба луча аэратора аппарата УкрНИИСП создает условия для осаждения твердых частиц, что вызывает постепенное перекрытие сечения трубы для выхода воздуха и неравномерность его подачи в рабочую среду. Недостаток щелевой конструкции газораспределителя второго аппарата с диффузором проявлялся в создании крупных агрегатов воздуха.
В качестве объектов исследования приняты биореакторы объемами 320 и 600 м различного внутреннего конструктивного исполнения, а основными определяемыми характеристиками гидродинамики и массообме-на были газосодержание, скорости потоков, скорость сорбции кислорода, объемный коэффициент массопередачи кислорода и степень использования кислорода воздуха [28].
Основные производственные биореакторы по заводской индексации №№ 1 - 9 представляли собой цилиндрические емкости объемом 600 м3, диаметром 7400 мм, высотой » 14700 мм, имеющие внутри различного типа аэрирующие устройства и системы охлаждения.
Аппараты № 1, № 5 и № 6 имели двойную систему воздухораспреде-ления - по центральной трубе внутри центрального диффузора через кольцевую щель, образованную кюветой и пластиной и по коллектору с отходящими от него вниз воздухораспределительными воронками (аппарат № 1 - 8 штук; аппараты № 5,6 - 16 штук). Сусло подавалось на центральную кювету через трубопровод и специальную воронку и по коллектору с отходящими от него патрубками, направленными к воздухораспределительным воронкам.
Циркуляционный контур биореактора № 7 состоял из двух концентрически расположенных диффузоров диаметром 2500 и 4800 мм (площадь поверхности теплообмена 70 м). Движение культуральной жидкости в центральном диффузоре и кольцевом зазоре между стенкой аппарата и внешним диффузором было направлено вверх, а в кольцевом зазоре между диффузорами - вниз.
Аэрационные устройства были подняты от дна на высоту 1900 мм; отбор двойной - с уровня 500 мм - на биоокисление и с уровня 2100 мм на флотацию. Теплообмен осуществлялся через внутренний диффузор-теплообменник.
Аппарат № 2. Система аэрации УкрНИИСП представляла собой 12 радиально расположенных циркуляционных труб диаметром 325 мм и высотой 10500 мм. Воздух и сусло подавались под нижнюю конусную часть трубы, где и происходило интенсивное их перемешивание. Для поддержания рабочей температуры в аппарате смонтированы 12 регистров из труб диаметром 100 и 150 мм с площадью поверхности теплообмена F\. Вода на охлаждение проходила регистры последовательно: поступала в верхнюю часть первого регистра и отводилась из нижней части последнего. Циркуляция была организована по принципу восходящих потоков в циркуляционных трубах и нисходящих потоков в межтрубном пространстве.
Аппарат № 4 имел один центральный диффузор-теплообменник диаметром 2500 мм и высотой 3500 мм (площадь поверхности теплообмена 55 м2). Воздух на аэрацию поступал по центральной трубе через кольцевую щель, образованную кюветой и пластиной, а также по кольцевому коллектору через эжекторы (6 штук с внутренней и 12 с внешней). Сусло подавалось из кольцевого коллектора через патрубки к эжекторам, где происходит диспергация питательных компонентов в культуральной жидкости. В аппарате этой конструкции направленная циркуляция культуральной среды отсутствовала.
Исследование гидродинамики газлифтного барботажного биореактора
Исследование гидродинамики и массообмена газлифтного биореактора проводилось на созданной автором крупномасштабной модели V = 7 м3 (рис. 3.1). Более детально - экспериментальная установка (рис. 3.2) состояла из физической модели газлифтного биореактора, воздуходувки РГН-3000, про з изводительностью 1500 м /ч, ротационного газового счетчика РГ-600, запор-но-регулирующей арматуры и измерительных приборов.
Структурная схема установки приведена на рис. 3.3. Модель аппарата собиралась из царг диаметром 1,2 м, высотой 2,14 м. По центру аппарата устанавливалась циркуляционная труба диаметром 0,55 м, высотой 2,5 м. В нижней части циркуляционной трубы монтировались аэраторы.
Перечень измеряемых параметров приведен в табл. 3.1.
Уровень заполнения аппарата монолитной жидкостью (водой) измерялся с помощью емкостного уровнемера. Объемный расход воздуха измерялся ротационным газовым счетчиком РГ-600, установленным на воздухо-подводящей трубе. Измерение локального газосодержания проводили комплексом приборов, разработанных в ИркутскНИИхиммаше. Принцип действия приборов основан на измерении электропроводности раствора. Прибор состоит из кондуктометрического датчика, реагирующего на изменение проводимости раствора и вторичного регистрирующего прибора, выполненного на базе потенциометра серии КСП.
Для создания электропроводной среды в раствор перед началом измерений добавляли небольшое количество хлористого натрия ( 0,03% весовых).
Затем в раствор помещали датчик и устанавливали стрелку прибора в положение «нуль». При наличии в среде воздуха проводимость раствора изменялась и прибор фиксировал газосодержание среды в точке, в которой расположен датчик.
Скорость потока газожидкостной смеси измеряли гидрометрической вертушкой.
Исследование гидродинамики и массобмена проводилось при различных конструкциях газораспределительных устройств, представленных на рис. 3.4. Основные требования предъявляемые к газораспределителям - равномерность распределения газа по рабочему объему аппарата и создание развитой поверхности контакта фаз.
Основными гидродинамическими показателями в процессе исследования принимались: газосодержание, скорость газожидкостного потока, время пребывания частиц трассера в аппарате.
Локальное газосодержание и скорость газожидкостной смеси в восходящем и нисходящем потоках измерялись по высоте аппарата. Измерение газосодержания и скорости газожидкостного потока проводили на модельной среде "вода-воздух". Позиции точек измерения данных показателей представлены на рис. 3.5.
За основной массобменный показатель в процессе исследования принималась скорость сорбции кислорода. Исследование массообмена проводили: а) по сульфитной методике Купера на системе "водный раствор сульфи та натрия - воздух"; б) путем измерения времени окисления раствора сульфита натрия дат чиком растворенного кислорода; в) балансовым методом, заключающимся в определении объемной до ли кислорода в воздухе на входе и выходе из аппарата.
Прозрачные стенки, выполненные из оргстекла и вмонтированные по высоте стенок корпуса аппарата, позволяли проводить наблюдения и анализировать режимы движений газожидкостных потоков в условиях незатоплен-ного и затопленного эрлифта.
На рис. 3.6. показана схема затопленного эрлифта. На экспериментальной установке режим затопленного эрлифта наступал при высоте заполнения аппарата монолитной жидкостью 3,14 м.
Структура газожидкостной смеси. В процессе исследования гидродинамики оценивалась эффективность диспергирования газа различными конструкциями газораспределителей (рис. 3.4): аэратор № 1 с боковой перфорацией с диаметрами отверстий 0 = 4 мм (72 шт.), 0 = 6 мм (144 шт.) 0 = 8 мм (144 шт.); аэратор № 2 с торцевой перфорацией и диаметром отверстий 0 = 4 мм (72 шт.); аэратор № 3 щелевой конструкции и высотой щели h =1 ммип= 10 мм.
Отличительной особенностью газлифтного барботажного биореактора является однонаправленное движение потоков жидкости и газа в реакторе. В большинстве случаев потоки жидкости и газа движутся не как одно целое, а одна фаза движется относительно другой; причем жидкость, имеющая большой удельный вес, движется медленнее, тормозя движения газа. Выявлено несколько видов движения фаз в зависимости от расходов каждой фазы.
1. Пузырьковый режим. В этом режиме газ движется в жидкости в виде отдельных пузырей со скоростью, превышающей скорость жидкости. Такой режим может возникнуть, например, когда при постоянной скорости жидкости в нее вводится относительно небольшое количество газа, который разбивается на маленькие пузыри, остающиеся дискретными во время движения системы.
2. Пробковый режим. В этом режиме пузыри объединяются в своего рода газовые пробки, напоминающие по своей форме снаряды с головкой параболического очертания. Таким образом, по аппарату движутся чередующиеся друг за другом газовые и жидкостные пробки, причем последние содержат включения из газовых пузырьков.
3. Кольцевой режим. Газ движется по центру, а жидкость, про низываемая газовыми пузырями, - по стенкам.
4. Режим эмульгирования. При достижении значительных расходов га за происходит инверсия фаз: газ становится сплошной фазой, а жидкость диспергируется в нем. При этом система движется в виде сплошной одно родной диспергированной массы жидкости и мелких пузырьков газа, пред ставляя газо-жидкостную эмульсию.
На исследованной крупномасштабной модели было выявлено, что для торцевого аэратора: а) пузыри на выходе из барботера отрывались равномерно через равные промежутки времени; б) после ускорения на очень коротком пути пузыри поднимались в слое жидкости прямолинейно, вертикально и равномерно, т. е. с постоянной скоростью, и сохранялось расстояние между ними
Исследование гидродинамики барботажного биореактора с механическим перемешиванием
При сопоставлении аппаратов с одним и тремя перемешивающими устройствами использовался принцип равенства подаваемого в аппарат расхода барботируемого воздуха и энергии на перемешивание среды в аппарате.
К основным гидродинамическим параметрам биореактора с механическим перемешиванием относятся удельная мощность, потребляемая на перемешивание Nv, газосодержание р, время перемешивания тп и другие.
Удельная мощность, потребляемая на перемешивание является одним из главных параметров гидродинамики аппаратов с механическим перемешиванием. При выборе перемешивающего устройства предпочтение отдают тому, у которого затрачиваемая энергия меньше, а заданный технологический эффект (скорость сорбции кислорода) при прочих равных условиях такой же, как у других перемешивающих устройств.
Для аппаратов с отражательными перегородками в условиях турбулентного режима перемешивания при значениях числа Рейнольдса 4 I Re 10 в соответствии с теорией подобия уравнения для расчета мощно- V сти на перемешивание сплошной фазы жидкой фазы имеет вид: NM=KNpn3d5M, (4.5) где KN - коэффициент мощности мешалки; р - плотность среды; п - частота вращения мешалки; dM - диаметр мешалки.
При исследовании на системе жидкость коэффициент мощности Км открытой стандартной турбинной мешалки оказался практически равным 5,5 при значениях диаметра мешалки du 0,18...0,56 м и при диаметре аппарата D = 0,8...2,5 м. Полученное значение коэффициента мощности хорошо согласуется с результатами исследований в [219], где в аппарате меньшего масштаба (D = 0,288 м) и диаметре турбинной мешалки du = 0,096 м значение коэффициента мощности К составило 5,4.
Для закрытой турбинной мешалки значение KN составило 2,2.
На рис. 4.11 представлены экспериментальные данные по влиянию на мощность N3K, потребляемую при перемешивании системы жидкость высоты заполнения аппарата монолитной жидкостью при разном числе ярусов мешалок тя перемешивающего устройства, для конструкций аппаратов с одной многоярусной мешалкой du = 0,55 м и тремя многоярусными мешалками dM = 0,22 м.
Анализ графиков на рис. 4.11 показывает, что Л ж увеличивается пропорционально росту тя. Для конструктивных вариантов аппаратов с перемешивающим устройством, состоящим из одних открытых турбинных мешалок, потребляемая мощность рассчитывается по формуле: NXMjl=NXi-mg, (4.6) где МЖтя - мощность, потребляемая на перемешивание ярусами открытых турбинных мешалок; ІУж1 - мощность, потребляемая на перемешивание одной открытой турбинной мешалкой.
Подобные результаты были получены и в работе [220], но в аппарате меньших размеров, где установка на валу второй турбинной мешалки увеличивала Nx вдвое.
Для аппаратов с тремя многоярусными мешалками и более с газо-распределителем-диспергатором зависимость (4.6) имеет вид: N mt = mN + тМЩ (" я -1) (4.8) где т - число перемешивающих устройств.
Нарис. 4.12 представлена зависимость относительной мощности -Nr-ж / Nx от критерия расхода газа Q = УгЛ0 In dM , где Nr.x - мощность, затрачиваемая на перемешивание газожидкостной системы, кВт; Nx - мощность, затрачиваемая на перемешивание системы жидкость, кВт
Из анализа экспериментальных данных (рис. 4.12) следует, что для аппаратов с одной многоярусной мешалкой с увеличением Q независимо от числа ярусов мешалок значение iVr.» / TV» снижается до 0,3.. .0,4.
Избыток газа, подаваемого в аппарат, не вызывал «захлебывание». Это показали визуальные наблюдения. Более того, и при Q 36 явления "захлебывания" для открытых турбинных мешалок не обнаруживалось. То же самое наблюдали и авторы работы [112]. Указанный выше режим «захлебывания» был характерен только для закрытой турбинной мешалки.
При этом в исследованиях [64] режим «захлебывания» наступал при Q 6...7 и значении Nr.x ІІУЖ = 0,4.. .0,5.. Это расхождение объясняется разными условиями проведения исследований (крупномасштабность модели Vp 1,1; 7,0 и 11,1 м , многоярусность мешалок, разный тип газораспределителя) по сравнению с установкой, используемой в работе [64], где диаметр аппарата составлял всего 0,24 и 0,36 м.
По данным работы [102] значительные изменения iVr. / Nx наблюдались при увеличении диаметра используемого барботера лишь на 0,024 м, что объяснялось изменением распределения входящего потока газа. Значение №г.ж / Nx может снижаться до 0,2 [75].
Присутствие сульфит-сульфат ионов в растворе (С = 2,4-10" кмоль/м ) вызывало снижение относительной энергии Nr.K ІІУЖ на 10-15 % по сравнению с чистой жидкостью (водой) при одинаковых режимах по перемешиванию и аэрации (рис. 4.12). Это явление объяснялось более высоким газосодержанием системы «водный раствор сульфита натрия - воздух», характерного для реальных газожидкостных систем по отношению к системе «воздух - чистая жидкость» для одних и тех же конструкций аппарата при одинаковых условиях перемешивания.
