Перемешивающее устройство для многофазных сред

 

Использование: микробиологическая, химическая и пищевая промышленность, процессы массообмена при смешивании многофазных сред в рабочих емкостях, например в аппарате для перемешивания культуральной жидкости с микроорганизмами. Сущность изобретения: перемешивающее устройство содержит горизонтальные перфорированные диски, укрепленные на вертикальном приводном валу, и привод. Диски выполнены с радиальными гофрами, установлены на валу с возможностью вращения, а минимальное число гофров на каждом диске определено соотношением n≥20/ω , где N - количество гофров; w - заданная угловая скорость равномерного вращения диска, c^-1 . Гофры могут быть образованы натянутой на раму сеткой. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано при проведении процессов микробиологического синтеза, в системах автоматизации научных исследований и при разработке новых технологических процессов, связанных с культивированием микроорганизмов, в медицинской и пищевой промышленности, а также в химической промышленности. Перемешивающее устройство в аппаратах с механическим перемешиванием является одним из основных узлов, обеспечивающих и массообменные условия получения биомассы микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности.

Известен аппарат, выполненный в виде емкости с центрально установленным, совершающим возвратно-поступательное движение валом, с многоярусно укрепленными на нем перфорированными тарелками и устройством для подвода газа. С целью обеспечения более равномерного распределения газа в аппарате и повышения эффективности перемешивания газа с жидкостью вал выполнен полым с отверстиями в нижней части и окнами в верхней, при этом на нем укреплен поршень, перфорированные тарелки, имеющие форму усеченного конуса, установлены попарно большим основанием вверх в верхней части емкости и большим основанием вниз в нижней части [1].

Известно перемешивающее устройство, содержащее закрытый сосуд с подводящими и отводящими патрубками, герметизированный привод, который соединен с полым штоком и набором перфорированных тарелок, размещенных внутри сосуда. С целью повышения эффективности перемешивания жидкости и взвесей с газовой средой полый шток снабжен поршнем, установленным между тарелками и окнами в верхней части [2].

Однако описанные выше конструкции аппаратов не могут обеспечить необходимые уровни концентраций и равномерное распределение компонентов по реакционному объему и характеризуются малой скоростью циркуляции жидкости по всему объему емкости, следствием чего является медленное распределение компонентов питания, вводимых обычно в определенной зоне емкости; малой интенсивностью массообмена по кислороду, не позволяющей проводить кинетические измерения и технологические процессы при высоких концентрациях биомассы, т. к. процесс протекает в диффузионной, а не кинематической области.

Известен аппарат для выращивания микроорганизма, содержащий колонную емкость, разделенную по высоте горизонтальными перфорированными перегородками, закрепленными на стенке емкости, вертикальный шток, установленный по оси емкости с возможностью возвратно-поступательного движения по вертикали, диски с коническими отверстиями, укрепленные на штоке и размещенные по его высоте между перегородками, аэратор, расположенный в нижней части емкости, пенозаборник, установленный в ее верхней части. С целью повышения удельной производительности аппарата отверстия дисков имеют угол конусности 60-90^о, при этом отверстия в центральной части диска обращены меньшим основанием конуса вниз, а в периферийной части диска - вверх [3].

Данный аппарат сочетает гидродинамический режим идеального перемешивания в каждой секции и режим идеального вытеснения вдоль емкости, что приводит к интенсификации процесса массообмена, но не решает проблему малой скорости циркуляции жидкости по всему объему емкости.

Для известного аппарата характерен недостаточно высокий коэффициент массообмена, т. к. осуществляемый в нем принцип перемешивания и аэрации за счет изменений давления требует сравнительно низкой частоты вращения приводного вала, что не позволяет осуществить непрерывную интенсивную циркуляцию жидкости как в пределах одной секции, так и по всем объеме аппарата. Осуществляемый принцип аэрирования и перемешивания требует значительного расхода аэрирующего воздуха. Это влечет за собой необходимость предотвращения выброса пены в линию отбора газа, а это в данном аппарате возможно только за счет применения химических пеногасителей, что вносит искажение в картину кинетики массообменных процессов в системе газ-жидкость, а следовательно, и в картину кинетики метаболизма аэробных микроорганизмов. Надо учитывать еще и то, что воздействие указанных искажающих факторов количественно возрастает с ростом концентрации биомассы микроорганизмов.

Целью изобретения является снижение удельных затрат энергии на межфазный перенос вещества.

Это достигается тем, что диски выполнены радиально гофрированными. У диска с двумя гофрами угол гофра 180^о, у диска с тремя гофрами угол гофра 120^о. При этом за один оборот вала на некоторый элемент жидкости будет оказано механическое воздействие с частотой, равной удвоенному числу гофр. При скорости вращения V об/с частота пульсации среды, возбуждаемой подобной мешалкой, будет равна 2V ˙n, где n - число гофр. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое перемешивающее устройство отличается тем, что диски выполнены радиально гофрированными с числом гофр не менее чем 20/ω , где ω - угловая скорость вращения, с^-1, n - число гофр.

На фиг. 1 изображен аппарат с перемешивающим устройством, продольный разрез; на фиг. 2 - устройство.

В аппаратах малого объема в целях упрощения конструкции мешалки и снижения трудоемкости ее изготовления гофры могут быть образованы путем отгиба секторов диска.

На фиг. 3 показан элемент диска-гофра с перфорацией, где α - угол наклона поверхности сектора относительно плоскости установки мешалки, вид по стрелке А на фиг. 2; на фиг. 4 - элемент диска-гофра с сетчатой поверхностью.

Перемешивающее устройство состоит из радиально гофрированных дисков 1, закрепленных на вертикальном валу 2, отбойников 3 и смонтировано в емкости 4 аппарата, содержащего из верхней 5 и нижней крышек 6 и обечайки 7.

Под нижним диском находится устройство 8 для подачи воздуха в аппарат (барботер). Перфорация (отверстия) 9, расположенная на диске 1 в шахматном порядке, имеет форму усеченного конуса, обращенного большим основанием в сторону набегания потока. Направление конусности на смежных секторах гофра противоположное, большее основание направлено в сторону вращения.

Возможен вариант рамной конструкции, в которой наклонные секторы гофра образованы натянутой на раму металлической сеткой 10, что упрощает изготовление изделия.

Устройство работает следующим образом.

В емкость 4 заливают культуральную среду и производят засев микроорганизмов. После этого подается аэрирующий воздух. Вращение вала 2 приводит в движение укрепленные на нем гофрированные перфорированные диски 1. Так как перфорированные отверстия 9 в дисках 1 имеют форму усеченного конуса, причем расположены большим основанием конуса в разные стороны на разных секторах в пределах одной гофры, то при движении дисков 1 в жидкости гидравлическое сопротивление в секторах в пределах одной гофры различно. Например, при конусности отверстий в 90^о гидравлическое сопротивление его потоку жидкости в направлении от большего основания к меньшему на 30-35% меньше, чем при протоке жидкости в обратном направлении. Газожидкостная смесь подвергается попеременному воздействию то одного, то другого сектора одного гофра. Таким образом, создается не только интенсивный циркуляционный поток газожидкостной смеси по окружности, но и множество разнонаправленных микропульсаций потока, частота которых пропорциональна скорости вращения приводного вала и числу гофров. Наличие вертикально расположенных отбойников 3 ограничивает процесс образования воронки жидкости, возникающей при вращательном движении, и повышает массообменные характеристики за счет дополнительной турбулизации потока. Дополнительную турбулизацию потока обеспечивает применение сетки 10. При этом шаг сетки, как и диаметр отверстий 9 перфорации, определяет размеры турбулентных вихрей, генерируемых мешалкой.

Формула изобретения

1. ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ МНОГОФАЗНЫХ СРЕД, содержащее горизонтальные перфорированные диски, укрепленные на вертикальном валу, и привод, отличающееся тем, что, с целью снижения удельных затрат энергии на межфазный перенос компонентов среды, диски выполнены с радиальными гофрами, установлены на валу с возможностью вращения, а минимальное количество гофров на диске определено соотношением n ≥ 20 / ω , где n - количество гофров; ω - заданная угловая скорость равномерного вращения диска, с^-1.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что гофры дисков образованы натянутой на раму сеткой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4