節(jié)能攪拌反應(yīng)器的應(yīng)用

高志林

(安徽馬鞍山豐原生物化學(xué)有限公司 安徽馬鞍山 243000)

發(fā)酵有機(jī)酸在食品、飲料、醫(yī)藥、化工、洗滌劑等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。經(jīng)發(fā)酵后的有機(jī)酸液體中，除含有主要產(chǎn)物有機(jī)酸外，還含有纖維、菌體、有機(jī)雜酸等雜質(zhì)。通過加入碳酸鈣(CaCO3)與溶液中的有機(jī)酸發(fā)生中和反應(yīng)，生成溶解度極小的有機(jī)酸鈣鹽，過濾后得到有機(jī)酸鈣鹽。有機(jī)酸鈣鹽調(diào)漿后，加入硫酸(H2SO4)產(chǎn)生復(fù)分解反應(yīng)(即酸解)，生成溶解度極小的硫酸鈣鹽，過濾后得到純度更高的有機(jī)酸溶液。

在中和、酸解過程中采用的生物反應(yīng)器裝備為普通型結(jié)構(gòu)形式，該裝備在使用過程中，存在物料混合不均勻、能耗大、結(jié)垢嚴(yán)重等問題。通過對(duì)反應(yīng)器、攪拌裝置重新設(shè)計(jì)，提高反應(yīng)器內(nèi)壁及攪拌器的加工精度，經(jīng)使用驗(yàn)證，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低能耗和裝置結(jié)垢現(xiàn)象，提高了公司經(jīng)濟(jì)效益。

1 原生物反應(yīng)器現(xiàn)狀

1.1 生物反應(yīng)器裝備結(jié)構(gòu)不合理

主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)尺寸較小，裝備和攪拌選型不合理。裝備容器直徑在2000 mm、高度在3400 mm，高徑比在1.7，裝填容積為10 m3，料液裝填量較小。攪拌裝置采用斜葉槳式攪拌，該槳葉直徑與容器內(nèi)徑之比為0.4，轉(zhuǎn)速為60 r/min-70 r/min，配備的電機(jī)為7.5 kW，單位體積能耗為0.75 kW/m3，能耗偏高。

1.2 料液混合不均勻

對(duì)發(fā)酵有機(jī)酸在中和、酸解過程中產(chǎn)生的固體顆粒懸浮液上、下部分取樣檢測(cè)，上部固液比平均為49.8%，下部固液比平均為54.6%，混合不均勻。有機(jī)酸鈣鹽加入硫酸產(chǎn)生復(fù)分解反應(yīng)后，硫酸鈣鹽晶體中包夾有機(jī)酸鈣鹽，檢測(cè)分析包夾量為0.5%，說明物料反應(yīng)不完全。原因與裝備結(jié)構(gòu)不合理有關(guān)系。

1.3 生物反應(yīng)器結(jié)垢嚴(yán)重

裝置運(yùn)行一段時(shí)間后，在容器內(nèi)壁、接管和攪拌等處有大量的無機(jī)鈣鹽和有機(jī)鈣鹽沉積，沉淀厚度平均為4 mm，部分管道上結(jié)垢成不規(guī)則塊狀，形狀如石鐘乳。不易清洗垢質(zhì)，對(duì)設(shè)備存在一定的損壞作用。

1.4 原生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式示意圖

圖1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

2 生物反應(yīng)器重新設(shè)計(jì)情況

2.1 對(duì)生物反應(yīng)器裝置重新設(shè)計(jì)

根據(jù)反應(yīng)固體顆粒易沉淀的現(xiàn)象，對(duì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，容器直徑在4000 mm、高度在5600 mm范圍內(nèi)，高徑比在 1.4之間，裝填容積為70 m3。減小容器的高徑比，便于固體顆粒的懸浮，降低容器內(nèi)混合不均勻度，可確保液體與固體混合均勻，達(dá)到中和、酸解完全反應(yīng)的目的。

2.2 對(duì)攪拌裝置重新設(shè)計(jì)

固液懸浮是借助攪拌裝置的作用，使固體顆粒懸浮在液體中，形成固液混合物或懸浮液。均勻懸浮的主要控制因素是循環(huán)速率及湍流強(qiáng)度，其中容積循環(huán)速率(即攪拌流量)又是最主要的因素。攪拌流量計(jì)算公式如下:

式中:Q—攪拌流量，m3/min;

Nq—攪拌流量系數(shù);

N—軸轉(zhuǎn)速，rpm;

D—漿葉直徑 ，m;

n—漿葉層數(shù)。

根據(jù)容器直徑在4000 mm、高度在5600 mm范圍內(nèi)，選擇漿葉直徑為1400 mm，漿葉層數(shù)為2層，為保證固體顆粒懸浮在液體中達(dá)到較高的攪拌強(qiáng)度，軸轉(zhuǎn)速選擇48 r/min。

從攪拌流量的計(jì)算公式得出:當(dāng)其他參數(shù)確定后，唯一影響攪拌流量的是攪拌流量系數(shù)。

軸轉(zhuǎn)速、漿葉直徑、漿葉層數(shù)確定后，再通過優(yōu)化攪拌裝置結(jié)構(gòu)形式，可以強(qiáng)化攪拌流量，滿足攪拌的要求。根據(jù)物料實(shí)際攪拌情況，選擇一種軸流式三長窄葉旋槳式攪拌，結(jié)構(gòu)形式再從以下幾點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì):

2.2.1 漿葉寬度

漿葉寬度從中心位置處到葉片端部逐步遞減，漿葉的端部線速度快，葉片寬度小，中心位置線速度小，葉片寬度增加，這種形狀可以使流體沿著徑向均衡流動(dòng)，達(dá)到攪拌充分的效果。中心位置寬度與葉片端部比例為2.1。

2.2.2 槳葉的葉片扭曲幅度

槳葉的葉片扭曲幅度從中心轂向頂端平穩(wěn)減緩，減緩的角度相對(duì)于軸的角度，從45°逐步減緩到25°。加強(qiáng)攪拌強(qiáng)度，又可降低能耗。

2.2.3 槳葉弧形結(jié)構(gòu)

葉片的弧形結(jié)構(gòu)和相應(yīng)半徑。通過幾何形狀保證漿葉前端受到?jīng)_擊較小，中心部分形成一股很強(qiáng)的向下的力推動(dòng)液體流動(dòng)。葉片的弧形從中心由不規(guī)則的24°轉(zhuǎn)到12°。葉片的弧形結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)葉片強(qiáng)度，防止葉片變形。

攪拌功率計(jì)算公式如下:

式中:P—攪拌功率，W，

NP—功率準(zhǔn)數(shù)，

ρ—混合液密度，kg/m3;

N—攪拌轉(zhuǎn)速，1/s;

d—攪拌器半徑，m。

攪拌功率計(jì)算中，ρ、N、d為已知數(shù)，故計(jì)算攪拌功率P的關(guān)鍵是功率準(zhǔn)數(shù)NP，NP與攪拌結(jié)構(gòu)形式有密切的關(guān)系，針對(duì)發(fā)酵有機(jī)酸在中和、酸解過程中產(chǎn)生的固體顆粒懸浮液，開發(fā)出軸流式三長窄葉旋槳式攪拌，其功率準(zhǔn)數(shù)經(jīng)試驗(yàn)，測(cè)定數(shù)值為0.32(紊流狀態(tài))，傳質(zhì)能力比普通槳式提高60%以上。

2.3 提高生物反應(yīng)器內(nèi)壁及攪拌器的加工精度

物料結(jié)垢與物料本身性質(zhì)、攪拌強(qiáng)度、物料與設(shè)備接觸表面的粗糙度等均有關(guān)系。通過優(yōu)化攪拌裝置各參數(shù)的設(shè)計(jì)，可以提高攪拌強(qiáng)度。對(duì)物料與設(shè)備接觸表面進(jìn)行精加工處理，減輕物料結(jié)垢附著力，減少物料結(jié)垢附著力的機(jī)率。通過研究和試驗(yàn)，設(shè)備表面加工粗糙度達(dá)到1.0 μm，結(jié)垢減少80%。

2.4 靜平衡

攪拌器組裝完畢進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，以增加攪拌器的使用時(shí)間，并使料液攪拌得更均勻、穩(wěn)定。

2.5 重新設(shè)計(jì)后的生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式示意圖

圖2 重新設(shè)計(jì)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

3.結(jié)論

生物反應(yīng)器裝備通過實(shí)踐，上、下部分取樣檢測(cè)，上部固液比平均為52.6%，下部固液比平均為53.8%，符合混合的要求。

有機(jī)酸鈣鹽加入硫酸產(chǎn)生復(fù)分解反應(yīng)后，經(jīng)檢測(cè)分析硫酸鈣鹽晶體中檢測(cè)不到包夾機(jī)酸鈣鹽，說明物料完全反應(yīng)。

生物反應(yīng)器裝填容積為70 m3時(shí)，裝機(jī)功率為11 kW，單位體積能耗為0.16 kW/m3，裝置節(jié)能達(dá)到60%-70%。

［1］陳志平，章序文，林興華等.攪拌與混合設(shè)備設(shè)計(jì)選型手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004

［2］賀匡國.化工容器及設(shè)備簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002