專利名稱：同軸異速組合槳反應器及其工業應用的制作方法
同軸異速組合槳反應器及其工業應用
技術領域：
本發明涉及機械攪拌技術領域，具體地說，是一種同軸異速組合槳反應器及其工業應用。
背景技術：
現代工業的迅速發展，對能源的需求急劇增加，當今世界各國消耗的能源大部分來自化石資源。化石能源不僅儲量有限，而且會導致大量的nox、so2等有害氣體以及co2、甲烷等溫室氣體排放，所以對環境友好的可再生資源的開發顯得日益重要。燃料乙醇作為一種最有前景的可再生能源越來越受到各國的關注。現在燃料乙醇的生產主要以糖類作物(巴西)和玉米(美國)作為原料，其產量受到糧食資源的限制，且原料成本高達總成本的40%，難以長期滿足能源需求，從長遠考慮必須尋找豐富且廉價的原料來源，最近這方面的研究主要集中在木質纖維素上。據統計木質纖維素原料占地球總生物量的50%。主要包括:①農業廢棄物，如麥草、玉米秸桿、玉米芯、大豆渣、甘蔗渣等；②工業廢棄物，如制漿和造紙廠的纖維渣、鋸末等；③林業廢棄物；④城市廢棄物，如廢紙、包裝紙等。木質纖維素的原料和廢棄物，其成分為碳水化合物聚集體，包含纖維素、半纖維素、葡聚糖和木質素。這些物質起初通常用各種化學的，機械的和酶方法處理以主要釋放己糖和戊糖，從而可隨后發酵為有用的產品。這些處理在復雜性和效率方面有差異。 由纖維素生產燃料乙醇的工藝，基本上可以分為兩類，第一類，為SHF工藝，即纖維素的水解和糖液的發酵在不同的反應器內進行；第二類，為SSF工藝，即纖維素的水解和發酵在同一個反應器內進行。SSF不但簡化了生產裝置，而且因發酵罐內的纖維素水解速度遠低于葡萄糖發酵速度，使溶液中葡萄糖和纖維二糖的濃度很低，這就消除了他們作為水解產物對酶水解的抑制作用，相應可減少酶的用量。此外低的葡萄糖濃度也減少了雜菌感染的機會。目前SSF已成為很有前途的生物質制酒精工藝。以玉米秸桿同步糖化發酵生產乙醇工藝為例，分析其反應工程特性，大致可概括為如下幾點:一、考察酶水解反應的動力學特性，其特點如下，首先酶必須被吸附到纖維素表面(吸附量符合Langmuir吸附等溫線)，該吸附平衡過程所需時間大概為幾分鐘，被吸附的酶隨后對纖維素作用，作用時起始速率是很快的，隨著水解進行幾分鐘后，水解速率顯著下降，在水解24h后,水解速率不到初始水解速率的2%。由此可見,對于整個水解過程而言，雖然其所需時間很長(有工藝過程甚至長達幾天)，但最重要的過程是在最初的幾分鐘，這就要求水解酶、菌種能在秸桿物料中快速混合并吸附到纖維素表面。二、考察酶(菌種)的用量與秸桿物料的用量之比，易發現，兩者的量是相差很大的，除此之外，水解酶(菌種)的粘度遠低于秸桿物料的粘度，對于相比相差很大的異粘物系的混合，其混合技術就要困難許多，這就對物料(玉米秸桿物料、水解酶、菌種)的加料方式(尤其對于大量的秸桿物料，是一次性加入還是分批加入，若分批加入，加料時間為多長，每次加入的量又為多少？)、加料位置、攪拌槳混合性能提出了更高的要求。類似地，反應器內PH值的控制具有相同的問題。三、考察玉米秸桿物料在整個糖化發酵過程中的相態變化，其過程如下:在最初液化的幾個小時內，生物質結構被降解，反應器內物料由固態逐漸轉變為濃稠的漿糊狀；隨著液化過程的深入進行，玉米秸桿的結構完全消失，物料由固態轉變為液態；在后續的糖化及發酵過程中，物料的粘度繼續降低，在反應結束后，反應器內物料呈淤漿或懸浮液體狀。此夕卜,發酵過程中，體系會有CO2氣體產生，此時體系為氣液固三相復雜體系。由此可見，對于SSF工藝，同一反應器內，體系的粘度經歷了由高粘到低粘的動態轉變過程，這就要求所設計的糖化水解反應器在不同粘度階段都能具有較好的混合性能。反應后期，固相的懸浮、產生的氣體的排出也是必須考慮的問題。四、前已述及，纖維素酶首先必須吸附到纖維素表面才能進行水解反應，從傳質角度，秸桿物料的粒度越小，其與纖維素酶的接觸面積越大，則水解效果越好。這就對加入到反應器內秸桿物料粒度提出一定要求。五、對于糖化及發酵反應，需要維持在一定溫度下進行的，對于糖化反應的最佳溫度在45 55°C，發酵反應的最佳溫度在28 33°C。這就要合理設計反應器夾套及反應器的加熱操作方式，使反應器傳熱性能能夠滿足反應需要。為了執行上述工藝，各種各樣的設備已經使用于不同類型的生物質，進行不同的處理，包括小規模的工藝開發和一些大規模生產設備。一些設備的品種已經使用，包括間歇攬拌反應器(Gusakov and Sinitsyn, 1985Enz.Microb.Technol.7:346-352,CN101090962A, CNlOl 160388A)、連續流攪拌反應器(US4257818)、研磨反應器(Ryu和 Lee (1983) Biotechnol.Bioeng.25:53-65)擠壓反應器(US6176176)、NREL 收縮床(shrinking bed)反應器(Lee 等人，2001, Appl.Biochem.Biotech.91-93:331-340)和電磁場感應加強攪動的反應器(Gusakov 等人，(1996)Appl.Biochem.Biotech.56:141-153)。上述反應器，除中國專利CN101090962A外，其他較早期的反應器適用于分別水解和發酵工藝，反應器型式多為水解工藝裝置，其結構多著重于對纖維素物料的研磨，以增加水解酶與纖維素的接觸面積，增強水解效果，因而造成了反應器內構件過于復雜，不利于工業化。中國專利CNlO1160388A公布了一種可處理生物質的設備，該設備具有連接至容器內側的可旋轉的擋板、研磨介質(包含自由飄浮在該反應容器內部的丸粒)及用于輸送加工反應劑的裝置的注射噴槍。該設備同樣只適用于水解工藝，且設備結構過于復雜，不利于工業化。中國專利CN101090962A結合了酶水解與依賴于確保機械力(主要是剪切力和撕裂力)施用于生物質的重力原理的混合類型，選用諸如鼓式混合機、翻轉式混合機或類似的混合裝置的自由降落混合機，其混合原理主要是徑向重力擴散混合，軸向對流較小。同時，由于生物質體系具有粘附性，該反應器在一定的裝料量下，相對較多的物料會粘附在反應器壁面及槳葉上，不能有效地進行混合。由于該設備攪拌槳并不具有刮壁功能，粘附在反應器壁面上的物料不能被及時移走，造成反應器傳熱性能下降。此外為增強混合效果而在筒內加入的鋼球或類似裝置顯然增加了設備的復雜性及設備加工的難度，不利于工業放大，且滾動混合機運轉時噪聲大，混合時間長，能耗高。因此，為了使通過可再生的生物資源生產發酵糖成為一種經濟的、 有競爭力、可商業化的方法，要求設計一種有效的反應器。
發明內容本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種同軸異速組合槳及其工業應用。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:一種同軸異速組合槳反應器，包含圓筒形立式容器及一個軸向安裝在容器中的攪拌裝置，其特征在于:攪拌裝置為組合槳，一個自上而下盤旋在位于反應器中心的攪拌軸周邊的螺帶槳攪拌槳，一個位于反應器下部位置附近的下層攪拌槳，一個位于反應器底部的底部攪拌槳。所述的螺帶式攪拌槳通過支撐桿固定在攪拌軸上，并自上而下盤旋在攪拌軸周邊，構成框體；所述的螺帶式攪拌槳為單螺帶式攪拌槳，為條帶狀的板片構成的螺旋帶。所述的單螺帶式攪拌槳的直徑Dl與反應器直徑T的比例為:Dl: T =
0.9-0.98: I。所述的單螺帶式攪拌槳的螺距P與螺帶式攪拌槳的直徑Dl的比例為:P: Dl =
0.5 2.5: I。所述的螺帶式攪拌槳的高度H與直徑Dl的比例為:H: Dl = 0.5 1.5: I。所述的下 層攪拌槳為渦輪/翼型攪拌槳；所述的渦輪/翼型攪拌槳置于螺帶式攪拌槳形成的框體內，固定在所述螺帶式攪拌槳的上下兩個端部之間的攪拌軸上；所述的渦輪/翼型攪拌槳為直葉渦輪槳、斜葉槳或翼型槳。所述的渦輪/翼型攪拌槳的直徑d為螺帶式攪拌槳直徑Dl的0.3 0.7倍。所述的翼型槳盤面比為0.3 0.9: I。所述的渦輪/翼型攪拌槳之間的間距S與螺帶式攪拌槳直徑Dl的比例S: Dl =
0.3 0.5: I。所述的底部攪拌槳固定在攪拌軸的底端。所述的底部攪拌槳的直徑D2與反應器直徑T的比例為:D2: T = 0.9-0.98: 10所述的螺帶式攪拌槳，渦輪/翼型攪拌槳可以以不同速度旋轉；一種同軸異速組合槳反應器在生物質生產乙醇的同步糖化發酵中的應用；在具有較高干物質含量的生物質在水解酶及酵母菌的作用下，將生物質糖化發酵制乙醇的方法和所采用的反應器。與現有技術相比，本發明的積極效果是:本發明選擇三種不同的槳型，構成組合槳，所述組合裝置包括:一個自上而下盤旋在攪拌軸周邊的螺帶槳，該槳依靠壁面附近強剪切及軸向主體對流循環，可高效的對物料進行混合，尤其對于高粘性物料，促進液固傳質；此外，由于該槳葉的直徑較大，槳葉可起到刮壁作用，可有效的防止壁面物料的粘結，防止反應器傳熱性能惡化及物料損失；一個或多個位于反應器下部位置附近的下層渦輪/翼型攪拌槳，該槳使流體產生軸向流動，適用于低粘度物系，一方面加強了流體的軸向流動，另一方面可有效的防止固相沉積；一個位于反應器底部位置的底部攪拌槳，該槳起到對反應器底部刮底的作用，防止固相沉積及底部物料的粘結。三種不同類型槳葉的組合，充分發揮各自的獨特性能，使反應器中的物料混合，固體懸浮，體系達到較好的混合性能。本發明的同軸異速組合攪拌槳，包括攪拌軸、螺帶式攪拌槳、斜葉/渦輪/翼型攪拌槳和底槳；所述的螺帶式攪拌槳通過支撐桿固定在直徑較大的空心攪拌軸或從攪拌槽頂部置入的實心攪拌軸上，并自上而下盤旋在攪拌軸周邊，構成框體；所述渦輪/翼型攪拌槳置于所述的螺帶式攪拌槳形成的框體內，固定在所述螺帶式攪拌槳的上下兩個端部之間的空心攪拌軸內部一根實心攪拌軸上或從攪拌槽底部置入的實心攪拌軸上；術語:螺帶式攪拌槳和潤輪/翼型攪拌槳在《Handbook oflndustrial Mixing》上均有詳細的定義。本發明采用三種葉片組合，對物料提供了剪切與循環(包括軸向與徑向)兩種作用，在上述兩種流動的共同作用下，保證反應器內溫度均勻，滿足反應器內傳熱與液固兩相之間的傳質需求及氣體分散所必需的適度剪切，使加入到反應器內的物料能夠得到快速混合，使攪拌槽內能耗分布更加均勻，能量得到有效利用，并能夠解決壁面附近物料粘壁問題，強化傳熱，并可防止固體沉積，促進顆粒均勻懸浮，可廣泛應用于具有高固含量、粘稠液體以及包含通入和反應產生適量氣體的多相物系的反應需要。本發明結構簡單，結構、操作參數便于調節，加工制造及安裝便利。
圖1為本發明的反應器的總體結構示意圖；圖2為螺帶槳結構示意圖；圖2a為單螺帶槳結構示意 圖；圖2b為雙螺帶槳結構示意圖；圖3為渦輪/翼型槳結構示意圖；圖3a為斜葉/翼型槳結構側視圖；圖3b為斜葉/翼型槳結構俯視圖；圖3c為渦輪槳結構測視圖；圖3d為渦輪槳結構俯視圖；圖4為底槳結構示意圖。附圖中的編號分別為:1反應器，2攪拌裝置，201攪拌軸，202螺帶式攪拌槳，203下層攪拌槳，204底部攪拌槳，205支撐桿，206實心攪拌軸，3泡沫檢測器，4pH計，5熱電偶，6溶氧電極，7加料口，8蒸汽夾套裝置，9耦合器，10電機，11第二電機，12第二耦合器。
具體實施方式以下提供本發明一種同軸異速組合槳反應器及其工業應用的具體實施方式
。實施例1請參見附圖1到4，一種同軸異速組合槳反應器，包含圓筒形立式容器及一個軸向安裝在容器中的攪拌裝置，其特征在于:攪拌裝置為組合槳，一個自上而下盤旋在位于反應器中心的攪拌軸周邊的螺帶槳攪拌槳，一個位于反應器下部位置附近的下層攪拌槳，一個位于反應器底部的底部攪拌槳。一個軸向安裝在所述的反應器I中的攪拌裝置2，攪拌裝置包括一個自上而下盤旋在攪拌軸201周圍的螺帶式攪拌槳202，一個位于反應器底部位置附近安裝在實心攪拌軸206上的下層攪拌槳203。所述的螺帶式攪拌槳通過支撐桿205固定在攪拌軸上，并自上而下盤旋在攪拌軸周邊,構成框體；所述渦輪/翼型攪拌槳置于所述的螺帶式攪拌槳形成的框體內，固定在所述螺帶式攪拌槳的上下兩個端部之間的空心攪拌軸內一根實心攪拌軸或從攪拌槽底部置入的實心攪拌軸上，優選的，渦輪/翼型攪拌槳的層數為I 3層；優選的，螺帶式攪拌槳與渦輪/翼型攪拌槳可以以不同速度旋轉；所述的底部攪拌槳204固定在所述攪拌軸底端；優選的，所述底部攪拌槳為槳式或錨式槳，所述槳式或錨式槳的結構在《Handbookof Industrial Mixing》上均有詳細的描述。優選的，所述的螺帶式攪拌槳為單螺帶式攪拌槳，為條帶狀的板片構成的螺旋帶，如圖2a ；優選的，所述的螺帶式攪拌槳為雙螺帶式攪拌槳，為條帶狀的板片構成的螺旋帶，如圖2b ；進一步，所述渦輪/翼型攪拌槳為直葉渦輪槳、斜葉槳或翼型槳；術語“直葉潤輪槳、斜葉槳或翼型槳”的定義在《Handbook of IndustrialMixing》手冊上均有詳細的描述；進一步，所述的單螺帶式攪拌槳的直徑Dl與反應器直徑T的比例為:Dl: T =
0.9—0.98 ；進一步，所述的底槳的直徑D2與反應器直徑T的比例為:D2: T = 0.9-0.98 ；進一步，所述的單螺帶式攪拌槳或者雙螺帶攪拌槳的螺距P與螺帶式攪拌槳2的直徑Dl的比例為:P: Dl = 0.5 2.5 ;進一步，所述渦輪/翼型攪拌槳203的直徑d為螺帶式攪拌槳202直徑D的0.3
0.7 倍；進一步，所述的翼型槳盤面比為0.3 0.9;進一步，所述渦輪/翼型攪拌槳之間的間距S與螺帶式攪拌槳直徑Dl的比例S: Dl = 0.3 0.5 ;進一步，所述螺帶式攪拌槳的高度H與直徑Dl的比例為:H: Dl = 0.5 1.5。進一步，所述螺帶式攪拌槳的寬度W與直徑Dl的比例為:W: Dl = 0.05 0.18。所述盤面比指的是葉輪葉片投影面積與葉輪水平橫截面面積之比。優選的，攪拌軸為空心攪拌軸，實心攪拌軸位于空心攪拌軸內部；優選的，攪拌軸為實心攪拌軸，從頂部安裝；攪拌軸為實心攪拌軸，從攪拌槽底部安裝；—個安裝在反應器外壁處的蒸汽夾套裝置8，該裝置滿足了維持反應器在一定溫度下操作的要求。一個由反應器頂部安裝的泡沫檢測器3， 檢測由于CO2氣體產生導致體系發泡的泡沫高度。三個分別安裝在反應器器壁不同位置處的傳感器:pH計4、熱電偶5及溶氧電極6，分別用來監測反應器內pH值、溫度及溶氧濃度。兩個用于向螺帶型攪拌槳及渦輪/翼型攪拌槳輸送能量的電機，電機選用額定功率為2.2KW的三相變頻電機，轉速及轉向可由變頻器調節。優選的，電機10豎直安裝在攪拌槽上方，攪拌電機11豎直安裝在與攪拌槽平行的支架上；優選的，電機10豎直安裝在攪拌槽上方，第二電機11豎直安裝在攪拌槽下方。兩個用來測量攪拌系統功率消耗的非接觸式扭矩耦合器。傳感器測量范圍為:O 50Nm，優選的，耦合器9采用豎直方式安裝在攪拌槽上方，上端與電機采用法蘭連接，下端與攪拌軸采用軸連接，第二耦合器豎直安裝在于攪拌槽平行的支架上，下端與電機采用法蘭連接，上端與攪拌軸采用軸連接；優選的，耦合器采用豎直方式安裝在攪拌槽上方，上端與電機采用法蘭連接，下端與攪拌軸采用軸連接，第二耦合器豎直安裝在攪拌槽下方，下端與電機通過法蘭連接，上端與攪拌軸采用軸連接。扭矩信號計算機進行采集，由耦合器輸出的4 20mA的電流信號，經數據采集系統轉化為數值信號輸入到計算機中。兩個用來測量攪拌軸轉速的轉速測量儀表。實驗過程中，大直徑空心攪拌軸的轉速維持在5 120rpm，小直徑實心攪拌軸轉速維持在100 300rpm ;不同反應階段，大小直徑槳葉采用不同速比操作。生物質同步糖化工藝，如玉米秸桿制燃料乙醇即可在上述反應器中，由加料口 7分批向反應器內加入具有一定干物質含量(2 30% )的預處理秸桿物料，秸桿物料的粒度要求在0.07 0.3mm范圍內，具有不同組分濃度的營養鹽(磷酸氫鉀、硫酸鎂、硫酸氨、酵母萃取粉或玉米漿)及具有一定酶活的纖維素酶，預先酶解O 24小時，酶解溫度控制在45 55°C，用酸或堿調節pH控制在4.5 5.0，此時反應物系的表觀粘度位于10 50Pa *s(平均剪切速率1s-1條件下);預酶解后，向反應器內接入一定量的發酵菌種，發酵溫度控制在30 40°C，發酵周期為48 84小時，實現同步糖化發酵生產乙醇。采用上述的方法生物質原料生產乙醇，由于攪拌葉輪的合理選擇與配置，可有效的處理具有高干物質含量的生物質物料，順利實現該物料的同步糖化與發酵，且結構簡單，有利于工業放大。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種同軸異速組合槳反應器，包含圓筒形立式容器及一個軸向安裝在容器中的攪拌裝置，其特征在于，攪拌裝置為組合槳，一個自上而下盤旋在位于反應器中心的攪拌軸周邊的螺帶槳攪拌槳，一個位于反應器下部位置附近的下層攪拌槳，一個位于反應器底部的底部攪拌槳。
2.如權利要求1所述的一種同軸異速組合槳反應器，其特征在于，所述的螺帶式攪拌槳通過支撐桿固定在攪拌軸上，并自上而下盤旋在攪拌軸周邊，構成框體。
3.如權利要求1所述的一種同軸異速組合槳反應器，其特征在于，所述的螺帶式攪拌槳為單螺帶式攪拌槳，為條帶狀的板片構成的螺旋帶。
4.如權利要求1所述的一種同軸異速組合槳反應器，其特征在于，所述的單螺帶式攪拌槳的直徑Dl與反應器直徑T的比例為:D1: T = 0.9-0.98: I ； 所述的單螺帶式攪拌槳的螺距P與螺帶式攪拌槳的直徑Dl的比例為:P: Dl = 0.5 2.5: I ； 所述的螺帶式攪拌槳的高度H與直徑Dl的比例為:H: Dl = 0.5 1.5: I。
5.如權利要求1所述的一種同軸異速組合槳反應器，其特征在于，所述的下層攪拌槳為渦輪/翼型攪拌槳。
6.如權利要求5所述的一種同軸異速組合槳反應器，其特征在于，所述的渦輪/翼型攪拌槳置于螺帶式攪拌槳形成的框體內，固定在所述螺帶式攪拌槳的上下兩個端部之間的攪拌軸上。
7.如權利要求1所述的一種同軸 異速組合槳反應器，其特征在于，所述的渦輪/翼型攪拌槳為直葉渦輪槳、斜葉槳或翼型槳。
8.如權利要求1所述的一種同軸異速組合槳反應器，其特征在于，所述的渦輪/翼型攪拌槳的直徑d為螺帶式攪拌槳直徑Dl的0.3 0.7倍； 所述的翼型槳盤面比為0.3 0.9: I ； 所述的渦輪/翼型攪拌槳之間的間距S與螺帶式攪拌槳直徑Dl的比例S: Dl = 0.3 0.5: I。
9.如權利要求1所述的一種同軸異速組合槳反應器，其特征在于，所述的底部攪拌槳固定在攪拌軸的底端； 所述的底部攪拌槳的直徑D2與反應器直徑T的比例為:D2: T = 0.9-0.98: I。
10.一種同軸異速組合槳反應器在生物質生產乙醇的同步糖化發酵中的應用。
全文摘要
本發明涉及一種同軸異速組合槳反應器及其工業應用，包含圓筒形立式容器及一個軸向安裝在容器中的攪拌裝置，其特征在于，攪拌裝置為組合槳，一個自上而下盤旋在位于反應器中心的攪拌軸周邊的螺帶槳攪拌槳，一個位于反應器下部位置附近的下層攪拌槳，一個位于反應器底部的底部攪拌槳。本發明采用三種葉片組合，對物料提供了剪切與循環兩種作用，在上述兩種流動的共同作用下，使加入到反應器內的物料能夠得到快速混合，使攪拌槽內能耗分布更加均勻，能量得到有效利用，并能夠解決壁面附近物料粘壁問題，強化傳熱，促進顆粒均勻懸浮，結構簡單，結構、操作參數便于調節，加工制造及安裝便利。
文檔編號C12M1/02GK103146564SQ20121051011
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月3日 優先權日2012年12月3日 公開號201210510114.發明者黃娟, 鮑杰, 戴干策, 張家庭 申請人:華東理工大學