專利名稱：內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于外循環(huán)氣升式反應(yīng)器領(lǐng)域，涉及一種內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器及控溫方法。
背景技術(shù)：
氣升式反應(yīng)器主要分成兩大類，即內(nèi)循環(huán)氣升式反應(yīng)器和外循環(huán)氣升式反應(yīng)器。兩種反應(yīng)器主要是根據(jù)不同的流體循環(huán)路徑來(lái)區(qū)分的。當(dāng)在升流區(qū)內(nèi)曝氣，由于升、降流區(qū)內(nèi)空氣含率不同造成的表觀流體密度的差異，最終導(dǎo)致流體在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)。外循環(huán)氣升式反應(yīng)器可看成是由兩個(gè)氣液鼓泡床以及兩者頂部與底部連接部分組成。細(xì)胞反應(yīng)是對(duì)溫度變化十分敏感的放熱反應(yīng)，因此，生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)對(duì)溫度控制的要求較高，特別是隨著反應(yīng)器體積的增大、其熱量移去和溫度控制將成為反應(yīng)器設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)器以產(chǎn)生熱量為主，需要采用有效的冷卻方式來(lái)降低溫度。例如，在發(fā)酵過(guò)程中，菌體分解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而產(chǎn)生能量，其中一部分能提供菌體生長(zhǎng)和生成代謝產(chǎn)物，另一部分以熱量形式釋放出來(lái)，一般把在發(fā)酵過(guò)程中所釋放出來(lái)的熱量稱為發(fā)酵熱。根據(jù)所用菌種和工藝的不同，發(fā)酵熱的峰值有所偏差，如谷氨酸生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)酵熱的峰值約為1.17 X IO4 kcal/(m3.h),賴氨酸發(fā)酵熱的峰值約為1.8 X IO4kcal/(m3*h);而酵母的發(fā)酵熱更大，如酒精發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵熱的峰值約為2.2 X IO4 kcal/(m3.h),有的畢赤酵母在發(fā)酵過(guò)程中的發(fā)酵熱的峰值可達(dá)到2.4X IO4 kcal/(m3.h)。上述產(chǎn)品在發(fā)酵過(guò)程中生物產(chǎn)熱大，尤其在炎熱的夏天，降溫十分困難，往往導(dǎo)致生物產(chǎn)熱高峰階段的發(fā)酵溫度失控。若發(fā)酵溫度超出最適溫度范圍的時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，生產(chǎn)菌的生長(zhǎng)、代謝均受到嚴(yán)重的影響。目前可以通過(guò)人工控制或自動(dòng)控制，將冷卻水通入反應(yīng)器的夾套或蛇形管中，通過(guò)熱交換來(lái)降溫，保持反應(yīng)器中溫度的相對(duì)恒定。板翅式換熱器是一種新興的熱設(shè)計(jì)技術(shù)，相比于夾套或蛇形管的降溫方式，板翅式換熱器的優(yōu)勢(shì)在于傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧而牢固、適應(yīng)性大、經(jīng)濟(jì)性好等，但目前尚未有將板翅式換熱器應(yīng)用于外循環(huán)氣升式反應(yīng)器的報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，解決目前夾套或蛇形管傳熱效率比較低，不利于調(diào)節(jié)溫度的問(wèn)題。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種利用上述內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器控制溫度的方法，主要用于發(fā)酵產(chǎn)賴氨酸、酵母擴(kuò)大培養(yǎng)、檸檬酸液體發(fā)酵等方面。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):—、內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，包括外循環(huán)氣升式反應(yīng)器；所述的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器的上升區(qū)和下降區(qū)內(nèi)分別設(shè)置具有多個(gè)扇形板翅換熱片的板翅式換熱器一和板翅式換熱器二 ；板翅式換熱器一上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一通過(guò)環(huán)管一把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一通過(guò)環(huán)管二把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體；板翅式換熱器二上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二通過(guò)環(huán)管三把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二通過(guò)環(huán)管四把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體。所述的板翅式換熱器一與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器之間為活動(dòng)連接。所述的活動(dòng)連接為支撐件一和螺栓相連接。所述的板翅式換熱器二與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器之間為活動(dòng)連接。所述的活動(dòng)連接為支撐件二和螺栓相連接。二、一種利用上述內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器控制溫度的方法，該方法包括加熱和冷卻兩部分，具體步驟如下:(I)加熱過(guò)程:蒸汽從板翅式換熱器一和板翅式換熱器二的上端的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)環(huán)管一和環(huán)管三到達(dá)板翅式換熱器一和板翅式換熱器二的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入環(huán)管二和環(huán)管四，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出；(2)冷卻過(guò)程:冷卻水從板翅式換熱器一和板翅式換熱器二的下端的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)環(huán)管二和環(huán)管四到達(dá)板翅式換熱器一和板翅式換熱器二的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入環(huán)管一和環(huán)管三，然后從上端的冷卻水出口排出。采用上述技術(shù)方案的積極效果:本發(fā)明將板翅式換熱器應(yīng)用于外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，利用板翅式換熱器的多個(gè)扇形板翅換熱片進(jìn)行熱量交換，克服了夾套或蛇形管傳熱方式的不足，使得傳熱效率大大提高，有利于對(duì)溫度的精確控制，有利于降低冷卻水用量，甚至利用常溫水即可達(dá)到控溫的效果，同時(shí)，多個(gè)扇形板翅換熱片也有助于促進(jìn)流體湍流，增加反應(yīng)器的傳質(zhì)系數(shù)；另外，將板翅式換熱器與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器之間改為活動(dòng)連接，可以大大方便拆卸檢修。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中A-A向和B-B向的俯視圖；圖3是本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3中A-A向和B-B向的俯視圖。圖中，I外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，2板翅式換熱器一，3蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一，4環(huán)管一，5支撐件一，6蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一，7環(huán)管二，8蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二，9環(huán)管三，10板翅式換熱器二，11支撐件二，12蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二，13環(huán)管四。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說(shuō)明，但不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制:實(shí)施例1圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1中A-A向和B-B向的俯視圖，結(jié)合圖1、圖2所不，內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，包括外循環(huán)氣升式反應(yīng)器I，外循環(huán)氣升式反應(yīng)器I的上升區(qū)和下降區(qū)內(nèi)分別設(shè)置具有多個(gè)扇形板翅換熱片的板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10，扇形板翅換熱片用于交換熱量，圖1所示的為具有兩個(gè)上升區(qū)的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器。板翅式換熱器一 2上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一 3，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一 6，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一 3通過(guò)環(huán)管一 4把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一 6通過(guò)環(huán)管二 7把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，便于蒸汽或者冷卻水的流動(dòng)。板翅式換熱器二 10上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二 8，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二 12，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二 8通過(guò)環(huán)管三9把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二 12通過(guò)環(huán)管四13把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，便于蒸汽或者冷卻水的流動(dòng)。為了方便拆卸檢修，板翅式換熱器一 2與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器I之間為活動(dòng)連接，只要能夠?qū)崿F(xiàn)便于拆裝的活動(dòng)連接均可，本實(shí)施例中板翅式換熱器一 2與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器I為支撐件一 5和螺栓相連接。同理，板翅式換熱器二 10與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器I之間也為活動(dòng)連接，為支撐件二 11和螺栓相連接。圖3是本發(fā)明的另一種實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是圖3中A-A向和B-B向的俯視圖，結(jié)合圖3、圖4所示，圖3所示的為具有一個(gè)上升區(qū)的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其他結(jié)構(gòu)與圖1和圖2所示的相同。當(dāng)需要時(shí)，蒸汽從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的上端的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)環(huán)管一 4和環(huán)管三9到達(dá)板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入環(huán)管二 7和環(huán)管四13，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出；當(dāng)需要冷卻時(shí)，冷卻水從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的下端的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)環(huán)管二 7和環(huán)管四13到達(dá)板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入環(huán)管一 4和環(huán)管三9，然后從上端的冷卻水出口排出。實(shí)施例2本實(shí)施例用于說(shuō)明利用10 m3的內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器發(fā)酵生產(chǎn)L-賴氨酸的方法在培養(yǎng)基和管道滅菌操作中，先使蒸汽從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的上端的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)環(huán)管一 4和環(huán)管三9到達(dá)板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入環(huán)管二 7和環(huán)管四13，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到9(Γ95 1:時(shí)，換熱器中停止通蒸汽，接著進(jìn)行培養(yǎng)基和管道滅菌的操作。[0030]發(fā)酵培養(yǎng)與結(jié)果:按10%的接種量將產(chǎn)L-賴氨酸的大腸桿菌接入裝有5 m3發(fā)酵培養(yǎng)基的10 m3內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器中(IL發(fā)酵培養(yǎng)基含:葡萄糖20 40 g/L，(NH4)2SO4 1.5 1.8 g, KH2PO4 1.2 g，玉米漿 I 2 g, L-蘇氨酸 0.2 0.4 g)，通氣量為200 250 m3/h，攪拌轉(zhuǎn)速100 200 r/min，發(fā)酵溫度35 37 °C，流加氨水以控制pH在6.5^6.8，每隔2 4 h檢測(cè)殘?zhí)菨舛?，并流?00 g/L的葡萄糖，維持殘?zhí)菨舛仍趌(Tl5 g/L,發(fā)酵結(jié)束前4 5 h，停止流加糖液，當(dāng)殘?zhí)墙抵? 7 g/L時(shí)，即發(fā)酵結(jié)束，整個(gè)發(fā)酵周期約72h。發(fā)酵過(guò)程中，使冷卻水從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的下端的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)環(huán)管二 7和環(huán)管四13到達(dá)板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入環(huán)管一 4和環(huán)管三9，然后從上端的冷卻水出口排出，冷卻水進(jìn)水溫度為20°C左右，出水溫度在25 °C左右，而發(fā)酵工藝控制溫度范圍為35 37 °C。實(shí)施例3本實(shí)施例用于說(shuō)明利用20 m3的內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的方法在培養(yǎng)基和管道滅菌操作中，先使蒸汽從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的上端的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)環(huán)管一 4和環(huán)管三9到達(dá)板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入環(huán)管二 7和環(huán)管四13，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到9(Γ95 1:時(shí)，換熱器中停止通蒸汽，接著進(jìn)行培養(yǎng)基和管道滅菌的操作。發(fā)酵培養(yǎng)與結(jié)果:按10%的接種量將畢赤酵母接入裝有14m3發(fā)酵培養(yǎng)基的20m3內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器中(IL發(fā)酵培養(yǎng)基含:葡萄糖3(T50 g/L，(NH4)2SO445^65g, KH2PO4 1.2 g)，流加氨水以控制pH在4.0 4.5，通氣量為2000 2500 m3/h，攪拌轉(zhuǎn)速100^150 r/min，發(fā)酵溫度28 30 °C，整個(gè)發(fā)酵周期約24h。發(fā)酵過(guò)程中，使冷卻水從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的下端的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)環(huán)管二 7和環(huán)管四13到達(dá)板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片,交換熱量后進(jìn)入環(huán)管一 4和環(huán)管三9，然后從上端的冷卻水出口排出，冷卻水進(jìn)水溫度為20 °C左右，出水溫度在25°C左右，而發(fā)酵工藝控制溫度范圍為28 31 °C。實(shí)施例4本實(shí)施例用于說(shuō)明利用50 m3的內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸的方法 在培養(yǎng)基和管道滅菌操作中，先使蒸汽從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的上端的蒸汽進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)環(huán)管一 4和環(huán)管三9到達(dá)板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入環(huán)管二 7和環(huán)管四13，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出，當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到9(Γ95 1:時(shí)，換熱器中停止通蒸汽，接著進(jìn)行培養(yǎng)基和管道滅菌的操作。發(fā)酵培養(yǎng)與結(jié)果:按10%的接種量將產(chǎn)檸檬酸黑曲霉接入裝有35m3發(fā)酵培養(yǎng)基的50m3內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器中(IL發(fā)酵培養(yǎng)基含:薯干50 70 g, α-淀粉酶 80 U/g 原料，(NH4)2SO4 45 65g)，通氣量為 2500 4000 m3/h，攪拌轉(zhuǎn)速 100 150 r/min，發(fā)酵溫度28 30 °C，整個(gè)發(fā)酵周期約65 h。發(fā)酵過(guò)程中，使冷卻水從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的下端的冷卻水進(jìn)口進(jìn)入，通過(guò)環(huán)管二 7和環(huán)管四13到達(dá)板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進(jìn)入環(huán)管一 4和環(huán)管三9,然后從上端的冷卻水出口排出，冷卻水進(jìn)水溫度為20 °C左右，出水溫度在25 °C左右，而發(fā)酵工藝控制溫度范圍為28 31 °C。
權(quán)利要求1.一種內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，包括外循環(huán)氣升式反應(yīng)器(I)，其特征在于:所述的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器(I)的上升區(qū)和下降區(qū)內(nèi)分別設(shè)置具有多個(gè)扇形板翅換熱片的板翅式換熱器一(2)和板翅式換熱器二(10);板翅式換熱器一(2)上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一(3 )，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一(6 )，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭一(3)通過(guò)環(huán)管一(4)把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭一(6)通過(guò)環(huán)管二(7)把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體；板翅式換熱器二( 10)上端有蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二(8)，下端有蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二( 12 )，其中，蒸汽進(jìn)口和冷卻水出口法蘭二( 8 )通過(guò)環(huán)管三(9 )把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進(jìn)口法蘭二( 12)通過(guò)環(huán)管四(13)把扇形的板翅換熱片連成一個(gè)整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于:所述的板翅式換熱器一(2)與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器(I)之間為活動(dòng)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于:所述的活動(dòng)連接為支撐件一(5)和螺栓相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于:所述的板翅式換熱器二(10)與外循環(huán)氣升式反應(yīng)器(I)之間為活動(dòng)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，其特征在于:所述的活動(dòng)連接為支撐件二( 11)和螺栓相連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種內(nèi)置板翅式換熱器的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器，包括外循環(huán)氣升式反應(yīng)器(1)，所述的外循環(huán)氣升式反應(yīng)器(1)的上升區(qū)和下降區(qū)內(nèi)分別設(shè)置具有多個(gè)扇形板翅換熱片的板翅式換熱器一(2)和板翅式換熱器二(10)，用于熱量交換，同時(shí)使用環(huán)管將板翅式換熱器的扇形板翅換熱片連接為一個(gè)整體。本實(shí)用新型克服了夾套或蛇形管傳熱方式的不足，使得傳熱效率大大提高，有利于對(duì)溫度的精確控制，同時(shí)，多個(gè)扇形板翅換熱片也有助于促進(jìn)流體湍流，增加反應(yīng)器的傳質(zhì)系數(shù)。
文檔編號(hào)C12M1/02GK203065474SQ201320050728

公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者韋策, 李干祿, 吳兵, 張慶文, 陳可泉, 李暉, 凌翔, 歐陽(yáng)平凱 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)