專利名稱：內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器的制作方法
技術領域：
本發明屬于外循環氣升式反應器領域，涉及一種內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器及控溫方法。
背景技術：
氣升式反應器主要分成兩大類，即內循環氣升式反應器和外循環氣升式反應器。兩種反應器主要是根據不同的流體循環路徑來區分的。當在升流區內曝氣，由于升、降流區內空氣含率不同造成的表觀流體密度的差異，最終導致流體在反應器內循環。外循環氣升式反應器可看成是由兩個氣液鼓泡床以及兩者頂部與底部連接部分組成。細胞反應是對溫度變化十分敏感的放熱反應，因此，生物反應器的設計對溫度控制的要求較高，特別是隨著反應器體積的增大、其熱量移去和溫度控制將成為反應器設計的一項重要內容。在細胞反應過程中，反應器以產生熱量為主，需要采用有效的冷卻方式來降低溫度。例如，在發酵過程中，菌體分解營養物質而產生能量，其中一部分能提供菌體生長和生成代謝產物，另一部分以熱量形式釋放出來，一般把在發酵過程中所釋放出來的熱量稱為發酵熱。根據所用菌種和工藝的不同，發酵熱的峰值有所偏差，如谷氨酸生產過程中發酵熱的峰值約為1.17 X IO4 kcal/(m3.h),賴氨酸發酵熱的峰值約為1.8 X IO4kcal/(m3*h);而酵母的發酵熱更大，如酒精發酵過程中發酵熱的峰值約為2.2 X IO4 kcal/(m3.h),有的畢赤酵母在發酵過程中的發酵熱的峰值可達到2.4X IO4 kcal/(m3.h)。上述產品在發酵過程中生物產熱大，尤其在炎熱的夏天，降溫十分困難，往往導致生物產熱高峰階段的發酵溫度失控。若發酵溫度超出最適溫度范圍的時間持續較長，生產菌的生長、代謝均受到嚴重的影響。目前可以通過人工控制或自動控制，將冷卻水通入反應器的夾套或蛇形管中，通過熱交換來降溫，保持反應器中溫度的相對恒定。板翅式換熱器是一種新興的熱設計技術，相比于夾套或蛇形管的降溫方式，板翅式換熱器的優勢在于傳熱效率高、結構緊湊、輕巧而牢固、適應性大、經濟性好等，但目前尚未有將板翅式換熱器應用于外循環氣升式反應器的報道。
發明內容本發明的目的是提供一種內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器，解決目前夾套或蛇形管傳熱效率比較低，不利于調節溫度的問題。本發明的另一個目的是提供一種利用上述內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器控制溫度的方法，主要用于發酵產賴氨酸、酵母擴大培養、檸檬酸液體發酵等方面。本發明通過以下技術方案來實現:—、內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器，包括外循環氣升式反應器；所述的外循環氣升式反應器的上升區和下降區內分別設置具有多個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口法蘭一，其中，蒸汽進口和冷卻水出口法蘭一通過環管一把扇形的板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭一通過環管二把扇形的板翅換熱片連成一個整體；板翅式換熱器二上端有蒸汽進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口法蘭二，其中，蒸汽進口和冷卻水出口法蘭二通過環管三把扇形的板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭二通過環管四把扇形的板翅換熱片連成一個整體。所述的板翅式換熱器一與外循環氣升式反應器之間為活動連接。所述的活動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氣升式反應器之間為活動連接。所述的活動連接為支撐件二和螺栓相連接。二、一種利用上述內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器控制溫度的方法，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口進入，通過環管一和環管三到達板翅式換熱器一和板翅式換熱器二的板翅換熱片，交換熱量后進入環管二和環管四，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出；(2)冷卻過程: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口進入，通過環管二和環管四到達板翅式換熱器一和板翅式換熱器二的板翅換熱片，交換熱量后進入環管一和環管三，然后從上端的冷卻水出口排出。采用上述技術方案的積極效果:本發明將板翅式換熱器應用于外循環氣升式反應器，利用板翅式換熱器的多個扇形板翅換熱片進行熱量交換，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到控溫的效果，同時，多個扇形板翅換熱片也有助于促進流體湍流，增加反應器的傳質系數；另外，將板翅式換熱器與外循環氣升式反應器之間改為活動連接，可以大大方便拆卸檢修。
圖1是本發明的結構示意圖；圖2是圖1中A-A向和B-B向的俯視圖；圖3是本發明的另一種實施方式的結構示意圖；圖4是圖3中A-A向和B-B向的俯視圖。圖中，I外循環氣升式反應器，2板翅式換熱器一，3蒸汽進口和冷卻水出口法蘭一，4環管一，5支撐件一，6蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭一，7環管二，8蒸汽進口和冷卻水出口法蘭二，9環管三，10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口法蘭二，13環管四。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明的技術方案做進一步的說明，但不應理解為對本發明的限制:實施例1圖1是本發明的結構示意圖，圖2是圖1中A-A向和B-B向的俯視圖，結合圖1、圖2所不，內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器，包括外循環氣升式反應器I，外循環氣升式反應器I的上升區和下降區內分別設置具有多個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所示的為具有兩個上升區的外循環氣升式反應器。板翅式換熱器一 2上端有蒸汽進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口法蘭一 6，其中，蒸汽進口和冷卻水出口法蘭一 3通過環管一 4把扇形的板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭一 6通過環管二 7把扇形的板翅換熱片連成一個整體，便于蒸汽或者冷卻水的流動。板翅式換熱器二 10上端有蒸汽進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口法蘭二 12，其中，蒸汽進口和冷卻水出口法蘭二 8通過環管三9把扇形的板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭二 12通過環管四13把扇形的板翅換熱片連成一個整體，便于蒸汽或者冷卻水的流動。為了方便拆卸檢修，板翅式換熱器一 2與外循環氣升式反應器I之間為活動連接，只要能夠實現便于拆裝的活動連接均可，本實施例中板翅式換熱器一 2與外循環氣升式反應器I為支撐件一 5和螺栓相連接。同理，板翅式換熱器二 10與外循環氣升式反應器I之間也為活動連接，為支撐件二 11和螺栓相連接。圖3是本發明的另一種實施方式的結構示意圖，圖4是圖3中A-A向和B-B向的俯視圖，結合圖3、圖4所示，圖3所示的為具有一個上升區的外循環氣升式反應器，其他結構與圖1和圖2所示的相同。當需要時，蒸汽從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的上端的蒸汽進口進入，通過環管一 4和環管三9到達板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進入環管二 7和環管四13，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出；當需要冷卻時，冷卻水從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的下端的冷卻水進口進入，通過環管二 7和環管四13到達板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進入環管一 4和環管三9，然后從上端的冷卻水出口排出。實施例2本實施例用于說明利用10 m3的內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器發酵生產L-賴氨酸的方法在培養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的上端的蒸汽進口進入，通過環管一 4和環管三9到達板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進入環管二 7和環管四13，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出，當反應器內溫度達到9(Γ95 1:時，換熱器中停止通蒸汽，接著進行培養基和管道滅菌的操作。[0030]發酵培養與結果:按10%的接種量將產L-賴氨酸的大腸桿菌接入裝有5 m3發酵培養基的10 m3內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器中(IL發酵培養基含: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，攪拌轉速100 200 r/min，發酵溫度35 37 °C，流加氨水以控制pH在6.5^6.8，每隔2 4 h檢測殘糖濃度，并流加700 g/L的葡萄糖，維持殘糖濃度在l(Tl5 g/L,發酵結束前4 5 h，停止流加糖液，當殘糖降至5 7 g/L時，即發酵結束，整個發酵周期約72h。發酵過程中，使冷卻水從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的下端的冷卻水進口進入，通過環管二 7和環管四13到達板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進入環管一 4和環管三9，然后從上端的冷卻水出口排出，冷卻水進水溫度為20°C左右，出水溫度在25 °C左右，而發酵工藝控制溫度范圍為35 37 °C。實施例3本實施例用于說明利用20 m3的內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器發酵生產乙醇的方法在培養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的上端的蒸汽進口進入，通過環管一 4和環管三9到達板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進入環管二 7和環管四13，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出，當反應器內溫度達到9(Γ95 1:時，換熱器中停止通蒸汽，接著進行培養基和管道滅菌的操作。發酵培養與結果:按10%的接種量將畢赤酵母接入裝有14m3發酵培養基的20m3內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器中(IL發酵培養基含: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，攪拌轉速100^150 r/min，發酵溫度28 30 °C，整個發酵周期約24h。發酵過程中，使冷卻水從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的下端的冷卻水進口進入，通過環管二 7和環管四13到達板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片,交換熱量后進入環管一 4和環管三9，然后從上端的冷卻水出口排出，冷卻水進水溫度為20 °C左右，出水溫度在25°C左右，而發酵工藝控制溫度范圍為28 31 °C。實施例4本實施例用于說明利用50 m3的內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器發酵生產檸檬酸的方法 在培養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的上端的蒸汽進口進入，通過環管一 4和環管三9到達板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進入環管二 7和環管四13，然后從下端的蒸汽冷凝水出口排出，當反應器內溫度達到9(Γ95 1:時，換熱器中停止通蒸汽，接著進行培養基和管道滅菌的操作。發酵培養與結果:按10%的接種量將產檸檬酸黑曲霉接入裝有35m3發酵培養基的50m3內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器中(IL發酵培養基含: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，攪拌轉速 100 150 r/min，發酵溫度28 30 °C，整個發酵周期約65 h。發酵過程中，使冷卻水從板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的下端的冷卻水進口進入，通過環管二 7和環管四13到達板翅式換熱器一 2和板翅式換熱器二 10的板翅換熱片，交換熱量后進入環管一 4和環管三9,然后從上端的冷卻水出口排出，冷卻水進水溫度為20 °C左右，出水溫度在25 °C左右，而發酵工藝控制溫度范圍為28 31 °C。
權利要求1.一種內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器，包括外循環氣升式反應器(I)，其特征在于:所述的外循環氣升式反應器(I)的上升區和下降區內分別設置具有多個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口法蘭一(6 )，其中，蒸汽進口和冷卻水出口法蘭一(3)通過環管一(4)把扇形的板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭一(6)通過環管二(7)把扇形的板翅換熱片連成一個整體；板翅式換熱器二( 10)上端有蒸汽進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口法蘭二( 12 )，其中，蒸汽進口和冷卻水出口法蘭二( 8 )通過環管三(9 )把扇形的板翅換熱片連成一個整體，蒸汽冷凝水出口和冷卻水進口法蘭二( 12)通過環管四(13)把扇形的板翅換熱片連成一個整體。
2.根據權利要求1所述的內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器，其特征在于:所述的板翅式換熱器一(2)與外循環氣升式反應器(I)之間為活動連接。
3.根據權利要求2所述的內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器，其特征在于:所述的活動連接為支撐件一(5)和螺栓相連接。
4.根據權利要求1所述的內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器，其特征在于:所述的板翅式換熱器二(10)與外循環氣升式反應器(I)之間為活動連接。
5.根據權利要求2所述的內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器，其特征在于:所述的活動連接為支撐件二( 11)和螺栓相連接。
專利摘要本實用新型涉及一種內置板翅式換熱器的外循環氣升式反應器，包括外循環氣升式反應器(1)，所述的外循環氣升式反應器(1)的上升區和下降區內分別設置具有多個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，同時使用環管將板翅式換熱器的扇形板翅換熱片連接為一個整體。本實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，有利于對溫度的精確控制，同時，多個扇形板翅換熱片也有助于促進流體湍流，增加反應器的傳質系數。
文檔編號C12M1/02GK203065474SQ201320050728
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者韋策, 李干祿, 吳兵, 張慶文, 陳可泉, 李暉, 凌翔, 歐陽平凱 申請人:南京工業大學