Аппарат для непрерывного осуществления биохимических процессов в газожидкостных потоках Российский патент 2024 года по МПК C12M1/00 C12M1/02 C12M1/04 C12M1/10 C12M1/18 

Изобретение относится к химической, нефтехимической, биотехнологической и другим отраслям промышленности и может быть использовано для осуществления биохимических процессов в гетерогенных системах жидкость-газ с использованием микроорганизмов, грибов или иных субстратов для выращивания микроорганизмов (в том числе метанотрофных) и/или получения с их помощью полезного продукта, например, белка.

Известно устройство для биохимических процессов, реализованное в аппарате-ферментере (пат. РФ 2728193, опубл. 28.07.2020), включающее, по меньшей мере, четыре блока, соединенные между собой с образованием замкнутого контура для движения культуральной жидкости (КЖ), где первый и третий блоки, предназначенные для нисходящего и восходящего потоков КЖ, выполнены преимущественно вертикально ориентированными, включают, по меньшей мере, одну трубу для КЖ, выполненную с возможностью термостатирования КЖ; второй – верхний и четвертый – нижний блоки выполнены преимущественно горизонтально ориентированными и включают емкости, выполненные с возможностью дегазации КЖ; по меньшей мере, один насос, подключенный к замкнутому контуру с возможностью обеспечения циркуляции (КЖ) по замкнутому контуру; а также, по меньшей мере, два барботера, выполненные с возможностью подачи газовой смеси в КЖ; статические миксеры для перемешивания КЖ; средства подачи компонентов КЖ, отбора КЖ, удаления остаточных и образующихся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов газов, подачи и отвода теплоносителя, средства измерения параметров КЖ. При этом барботеры для подачи газовых сред расположены на входе потока в первый и третий блоки и выполнены с возможностью формирования пузырьков газа в КЖ диаметром не более 5 мм, а статические миксеры расположены по длине вертикальных блоков на расстоянии друг от друга с обеспечением возможности формирования пузырьков газа диаметром от 1 до 5 мм. При этом первый и третий блоки содержат трубы диаметром не менее 50 мм, в количестве не менее 3, длиной не менее 10 м.

Известное изобретение позволяет оптимизировать (снизить) уровень СО₂, растворенного в культуральной жидкости, по всему контуру циркуляции, снизить энергозатраты, необходимые для обеспечения массообмена между газовой и жидкой фазами в восходящем потоке культуральной жидкости, увеличить рабочий объем ферментера, удовлетворяя требуемым характеристикам термостатирования КЖ в процессе культивирования микроорганизмов.

Вместе с тем в известном изобретении блоки, предназначенные для нисходящего и восходящего потоков КЖ, оснащенные барботерами, формирующими пузырьки газа в КЖ диаметром не более 5 мм, и статическими миксерами с возможностью формирования пузырьков газа диаметром от 1 до 5 мм, обеспечивают недостаточно высокий уровень удельной поверхности контакта фаз и коэффициента массоотдачи, поскольку пузыри с такими размерами являются довольно крупными.

Кроме того, возможности термостатирования первого и третьего блоков ограничены как их относительно большими поперечными размерами, так и невысокими скоростями движения, что приводит к снижению числа Рейнольдса и Нуссельта внутри этих блоков, а значит, и к уменьшению общего коэффициента теплопередачи от теплоносителя к КЖ.

В известном изобретении диаметр труб первого и третьего блоков не менее 50 мм, длина не менее 10 м. Все это приводит к существенному увеличению габаритов установки, а с учетом повышенного давления в рабочем пространстве (что ведет к увеличению толщины стенок труб) – к возрастанию ее металлоемкости, а в конечном счете к увеличению его стоимости.

Известен аппарат-ферментёр и ферментационная установка для непрерывного культивирования микроорганизмов (пат. РФ № 2777059, C12M 1/02; C12M 1/04; C12M 1/34; C12M 1/36, опубл. 01.08.2022), включающий, по меньшей мере, четыре блока, соединенные между собой с образованием замкнутого контура для движения потока культуральной жидкости (КЖ) с микроорганизмами, при этом первый и третий блоки выполнены преимущественно вертикально ориентированными, второй и четвертый блоки выполнены преимущественно горизонтально ориентированными, по меньшей мере, один насос, подключенный к замкнутому контуру с возможностью обеспечения циркуляции КЖ по замкнутому контуру, по меньшей мере, один барботер, расположенный в нижней или верхней части вертикально ориентированного блока, установленный после насоса по направлению движения потока по контуру, статические миксеры, обеспечивающие создание градиента скоростей в КЖ, по меньшей мере, один блок дегазации потока КЖ, отличающийся тем, что статические миксеры установлены в замкнутом контуре между барботером и блоком дегазации с обеспечением возможности формирования пузырьков газа в потоке КЖ диаметром до 5 мм на расстоянии не далее 45 см от каждого установленного миксера по направлению движения потока, статический миксер представляет собой проточный цилиндрический корпус, внутри которого вокруг цилиндрической втулки неподвижно установлены лопасти, входные кромки которых выполнены прямолинейными и ориентированы радиально к оси втулки, а выходные кромки выполнены в форме зигзага и имеют протяженность, более чем в 2 раза превышающую протяженность входной кромки, при этом лопасти полностью описываются следующим параметрическим уравнением в цилиндрических координатах

где z – расстояние от входной кромки до данной точки поверхности лопасти, 0 ≤ z ≤ z_m, z_m – высота смесителя (соответствует расстоянию от входной до выходной кромки лопастей), R_hub – радиус втулки, r – расстояние от оси втулки до данной точки поверхности лопасти, R_hub ≤ r ≤ R, где R – радиус корпуса миксера.

К недостаткам известного устройства относятся довольно крупные размеры пузырей (до 5 мм), что обеспечивает недостаточно высокий уровень удельной поверхности контакта фаз и объемного коэффициента массоотдачи. Все это приводит к снижению производительности аппарата по готовому продукту к единице объема аппарата (так называемой продуктивности, в кг/м³с).

Известен также статический смеситель для дробления пузырьков газа в газожидкостной смеси, выбранный в качестве прототипа (пат. РФ 2759628, B01F 5/061, опубл. 16.11.2021), выполненный с обеспечением градиента скоростей частиц потока и возможностью встраивания в трубопровод, включающий цилиндрический корпус, внутри которого неподвижно установлены лопасти, обеспечивающие дробление пузырьков газожидкостной смеси, отличающийся тем, что он снабжен центральной коаксиально установленной в корпусе устройства цилиндрической втулкой диаметром, не превышающим 0,5 диаметра корпуса, а лопасти выполнены в виде криволинейных пластин, ограниченных четырьмя кромками: входной, выходной, внешней и внутренней боковыми кромками, и закреплены к цилиндрическим поверхностям втулки и корпуса внутренними и внешними боковыми кромками соответственно, при этом входные кромки выполнены прямолинейными и ориентированы радиально к оси втулки, а выходные кромки выполнены в форме зигзага и имеют протяженность, превышающую протяженность входной кромки в 2-5 раз.

В устройстве-прототипе происходит закрутка газожидкостного потока, что позволяет турбулизовать поток и диспергировать пузырьки газа в жидкости.

К недостаткам устройства-прототипа относятся: 1) наличие единственного контактного устройства - статического смесителя с диаметром, не превышающим 0,5 диаметра корпуса, приводит к локальному уменьшению площади и увеличению осевой скорости не менее чем в 4 раза, а скоростного напора – не менее чем в 16 раз, что неминуемо ведет к существенному увеличению гидравлического сопротивления статического смесителя и аппарата в целом; 2) закрутка газожидкостного потока приводит к недостаточно эффективному диспергированию пузырей – их размер может достигать 5 мм, что недостаточно для достижения высоких значений объемного коэффициента массоотдачи; 3) ввиду крайней сложности геометрии при увеличении поперечного размера аппарата стоимость изготовления устройства будет возрастать крайне быстро (проблема масштабирования); 4) закрутка газожидкостного потока при любой разбалансировке элементов сложной геометрии может приводить к возникновению интенсивного центробежного поля, в котором происходит сепарация газовых пузырей из газожидкостной смеси. Ранняя сепарация газовых пузырей означает их отделение от жидкости, коалесценцию и образование вихревого шнура в центре аппарата, а значит, резкое уменьшение поверхностного и объемного коэффициентов массоотдачи.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение удельной поверхности контакта фаз, повышение интенсивности тепло- и массообменных процессов, сопровождающих биохимические процессы, снижение массогабаритных характеристик аппаратуры, достижение высокой точности температурного режима, обеспечение мобильности оборудования и легкой сборки, а также повышение эффективности использования вводимой в аппарат энергии и решение проблемы масштабного перехода. В совокупности решение этой задачи позволит снизить как капитальные, так и текущие затраты на эксплуатацию установки.

Поставленная задача достигается тем, что в аппарате для осуществления биохимических процессов в газожидкостных потоках, содержащем корпус цилиндрической формы с размещенными по его длине контактными устройствами, установленными на тарелках, распределенными по длине аппарата, а также патрубки для подачи жидкости и газов, согласно изобретению, контактные устройства выполнены в виде двух или более завихрителей, расположенных на каждой из тарелок, причем тарелки с завихрителями распределены по длине корпуса аппарата, а завихрители распределены по площади тарелок таким образом, что часть расположенных на каждой из тарелок завихрителей обеспечивает вращение газожидкостного потока в одну сторону, а остальные завихрители на той же тарелке обеспечивают вращение газожидкостного потока в другую сторону таким образом, чтобы суммарный момент количества движения в среднем на тарелке был скомпенсирован.

Поставленная задача достигается также тем, что в предлагаемом аппарате ввод газов в аппарат осуществляется в общую камеру смешения, а далее из камеры смешения через трубки поступает на нижнюю тарелку с завихрителями.

Поставленная задача достигается также тем, что в предлагаемом аппарате ввод газов в аппарат осуществляется в раздельные распределительные камеры, отделенные друг от друга разделительными перегородками, а далее из камер через трубки поступает на нижнюю тарелку с завихрителями.

Поставленная задача достигается также тем, что в предлагаемом аппарате ввод газов в аппарат осуществляется через кольцевые распределители, расположенные на тарелках по периферии корпуса аппарата.

Поставленная задача достигается также тем, что в предлагаемом аппарате ввод газов в аппарат осуществляется через кольцевые распределители, каждый из которых расположен непосредственно на завихрителях.

Аппарат по предлагаемому изобретению может являться элементом биохимической установки, т.е. блоком или модулем такой установки. В составе установки может быть использовано несколько таких аппаратов-блоков, установленных последовательно или параллельно, а также блоков другого назначения, например, для газоотделения, ввода инокулята (исходной биомассы) и питательных сред.

Заявляемое устройство позволяет обеспечить увеличение поверхности контакта фаз, повышение интенсивности тепло- и массообменных процессов, сопровождающих биохимические процессы за счет использования в аппарате для осуществления биохимических процессов проточных контактных устройств с завихрителями, распределенными по длине корпуса аппарата и по площади тарелок таким образом, чтобы обеспечить как высокую удельную поверхность и коэффициент массоотдачи за счет высокого уровня создаваемых турбулентных касательных напряжений, так и предотвратить разделение фаз в центробежном поле.

Повышение эффективности использования вводимой в аппарат энергии достигается за счет благоприятного сочетания направления вращения потоков, создаваемых двумя или более завихрителями на каждой из тарелок, а именно часть расположенных на каждой из тарелок завихрителей обеспечивает вращение газожидкостного потока в одну сторону, а остальные завихрители на той же тарелке обеспечивают вращение газожидкостного потока в другую сторону таким образом, чтобы суммарный момент количества движения в среднем на тарелке был скомпенсирован. При этом между соседними завихрителями, обеспечивающими вращение газожидкостного потока в одну сторону, возникает интенсивные турбулентные касательные напряжения, обусловленные противоположно направленными векторами окружной скорости в зоне контакта вихрей (зона А на фиг. 6-9). Повышение качества диспергирования газа и увеличение коэффициента массоотдачи за счет ввода газа в зону с максимальными сдвиговыми напряжениями – зону А.

Закрученные потоки, создаваемые завихрителями, взаимодействуют друг с другом в объеме так, что суммарный момент количества движения в среднем на тарелке скомпенсирован: во-первых, за счет преобразования момента количества движения в турбулизацию жидкости в зоне на границе вихрей между соседними завихрителями, во-вторых, за счет разного направления вращения вихрей, создаваемых завихрителями, расположенных на одной тарелке.

За счет того, что моменты импульсов между двумя соседними тарелками компенсируются, суммарный момент импульса стремится к нулю вблизи выхода газожидкостного потока из секции. В результате центробежная сила, действующая на пузырьки, существенным образом уменьшается, по крайней мере, на некотором удалении от завихрителей в каждой секции, что позволяет исключить сепарацию пузырей и сохранить высокое значение удельной поверхности контакта фаз. В итоге этот эффект – увеличение удельной поверхности в совокупности с интенсивным перемешиванием в объеме секции и высокие сдвиговые напряжения в зонах между завихрителями на одной тарелке приводит к увеличению объемного коэффициента массоотдачи.

Снижение энергетических затрат обусловлено тем, что вводимая в аппарат энергия более полно трансформируется в энергию деформации вихрей, а вводимый газ попадает как раз в эту зону, подвергаясь более тонкому диспергированию.

Решение проблем масштабного перехода достигается тем, что изготовление нескольких десятков или даже сотен завихрителей для аппарата по предлагаемому устройству не столь затратно, как для устройства-прототипа. Это связано с тем, что себестоимость изготовления завихрителей по предлагаемому изобретению, выполняемых стандартными операциями (точения, фрезерования, гибки и сварки) существенно ниже, чем для устройства-прототипа, которое можно изготовить только современными аддитивными методами.

В первой секции ввод газа осуществляется через трубки непосредственно между завихрителями, а в остальные секции газ поступает вместе с жидкостью в виде смеси и подвергается действию мощных сдвиговых напряжений при выходе из завихрителей, главным образом в зонах между соседними завихрителями на каждой тарелке (зона А на фиг. 6-9).

В сочетании со снижением энергетических затрат увеличение объемного коэффициента массоотдачи приводит к повышению эффективности аппарата по сравнению с прототипом.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Особенностями предлагаемого аппарата являются:

1) Сочетание быстрого высокоэффективного растворения газа за счет: (а) увеличения удельной поверхности фаз, (б) увеличения коэффициента массоотдачи, (в) предотвращение преждевременной сепарации газа и жидкости, (г) корректно выбранные зоны подвода газа;

2) Возможность обеспечения температурного режима за счет теплообменных рубашек. При необходимости аппарат может быть дополнен змеевиками, установленными внутри секций между тарелками. Это позволяет с высокой точностью контролировать температуру в аппарате, что чрезвычайно важно для роста микроорганизмов (для них интервал ±1°С часто является предельно допустимым).

3) Удобной для эксплуатации особенностью предлагаемого устройства является также возможность использовать аппарат как отдельный блок в составе установки, содержащей несколько таких блоков и ориентировать аппараты-блоки в составе установки в любом направлении: горизонтально, наклонно, вертикально.

4) Другой важной для эксплуатации особенностью предлагаемого аппарата является возможность комплектовать установку таким количеством аппаратов-блоков, которое необходимо для обеспечения заданной производительности оборудования и заданного времени пребывания.

В составе установки массообменные блоки могут укомплектовываться одним или несколькими модулями для газоотделения и другими необходимыми для проведения биохимических процессов модулями.

Блочная система облегчает мобильность всей установки в целом. Каждый из блоков предлагаемого устройства может быть изготовлен в различных исполнениях: с соединением элементов сваркой, при помощи фланцев, бугелей или иными допустимыми способами. Предлагаемый аппарат может быть оборудован газосепарационными устройствами, насосами для циркуляции теплоносителя, необходимыми контрольно-измерительными приборами и автоматикой, позволяющими аппарату работать на оптимальных режимах.

На фиг. 1-5 показан общий вид предлагаемого аппарата (варианты исполнения согласно формуле), а именно: на фиг. 1 - когда ввод газов в аппарат осуществляется в общую камеру смешения, а далее из камеры смешения через трубки поступает на тарелки с завихрителями, на фиг. 2 – когда ввод газов в аппарат осуществляется в раздельные распределительные камеры, находящиеся на одном уровне, отделенные друг от друга разделительными перегородками, а далее из камер через трубки поступает на тарелки с завихрителями. На фиг. 3 – когда ввод газов в аппарат осуществляется в раздельные распределительные камеры, находящиеся на разных уровнях (одна над другой), отделенные друг от друга разделительными перегородками, а далее из камер через трубки поступает на тарелки с завихрителями. На фиг. 4 – когда ввод газов в аппарат осуществляется через кольцевые распределители (барботёры), расположенные на тарелках по периферии корпуса аппарата. На фиг. 5 – когда ввод газов в аппарат осуществляется через кольцевые распределители, каждый из которых расположен непосредственно на завихрителях. На фиг. 6 представлен общий вид тарелки с четырьмя завихрителями. На фиг. 7 – общий вид тарелки с девятью завихрителями, на фиг. 8 – с двадцатью пятью завихрителями. На фиг. 9 показаны схемы взаимодействия вихрей, созданных двумя соседними завихрителями, находящимися на одной тарелке – зона взаимодействия соседних вихрей с совпадающим направлением вращения – зона А (фиг. 9а) и зона взаимодействия соседних вихрей с противоположным направлением вращения – зона Б (фиг. 9б). На фиг. 10 показан аксонометрический вид, как пример исполнения завихрителя (со снятым направляющим аппаратом).

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого аппарата, когда ввод газов в аппарат осуществляется в общую камеру смешения, а далее из камеры смешения через трубки поступает на тарелки с завихрителями.

Аппарат содержит корпус 1 цилиндрической формы с размещенными по его длине контактными устройствами, установленными на тарелках 2, распределенными по длине аппарата, а также патрубки для подачи жидкости и газов. Контактные устройства выполнены в виде двух или более завихрителей 3, расположенных на каждой из тарелок 2, причем тарелки 2 с завихрителями 3 распределены по длине корпуса 1 и по площади тарелок 2 таким образом, что расположенные на каждой из тарелок завихрители 3 обеспечивают вращение газожидкостного потока в одну и ту же сторону.

Патрубки 4 предназначены для ввода газов, патрубки 5 – для вывода газов, патрубки 6 – для ввода жидкости, патрубки 7 – для вывода жидкости, патрубки 8 – для дренажа.

В нижней части аппарата находится камера 9 смешения газов, выполняющая также роль распределительной камеры (фиг.1), а далее из камеры смешения 9 через трубки 10 смесь газов поступает на тарелки 2 с завихрителями 3. При этом выходы трубок 10 расположены в зоне между соседними завихрителями 3, расположенными на нижней тарелке 2.

Альтернативно в нижней части аппарата находятся раздельные распределительные камеры 11 и 12 для ввода газов (фиг. 2, фиг. 3), а далее из камер 11, 12 через трубки 10 смесь газов поступает на тарелки 2 с завихрителями 3. При этом выходы трубок 10 расположены в зоне между соседними завихрителями 3, расположенными на нижней тарелке 2. При необходимости раздельного ввода в аппарат более двух газов нижняя часть аппарата может быть секционирована на соответствующее количество камер, аналогичных камерам 11 и 12. Отличие аппарата на фиг. 3 заключается в том, что камеры 11, 12 расположены друг над другом, а на фиг. 2 аналогичные камеры 11, 12 расположены на одном уровне.

Ввод газов через раздельные распределительные камеры 11 и 12 позволяет поддерживать необходимое давление газа в них и распределять по большому числу трубок 10, обеспечивая таким образом равномерность распределения газа по сечению аппарата. Раздельный ввод газов из камер 11 и 12 позволяет избежать образования взрывоопасной смеси газов во время их смешения.

Ввод газов через общую камеру 9 смешения газов позволяет предварительно смешать газы за счет кинетической энергии струй газов, подаваемых в камеру 9. В камере 9 могут быть расположены дополнительные элементы для интенсификации процесса смешения газов.

Каждая секция 13 аппарата, ограниченная пространством между двумя соседними тарелками 2, снабжена рубашкой 14. Для дополнительного теплосъема внутри объема каждой секции могут быть размещены змеевики, трубки Фильда и другие теплообменные элементы.

При необходимости газы могут дополнительно вводиться по длине аппарата через патрубки 15, 16.

В верхней части аппарата расположена камера 17 для предварительной дегазации газожидкостной смеси. В нижней части аппарата, а именно под нижней тарелкой 2 находится распределительная камера 18 для распределения жидкости по завихрителям 3.

Особенностью аппарата, изображенного на фиг. 4, является ввод газов в аппарат через кольцевые распределители (барботёры) 19, расположенные на тарелках по периферии корпуса аппарата над завихрителями 3.

Особенностью аппарата, изображенного на фиг. 5, является ввод газов в аппарат через кольцевые распределители 20, каждый из которых расположен непосредственно на завихрителях 3. При таком способе ввода газы сразу попадают в зону интенсивных вихрей, что еще больше способствует диспергированию газов и созданию развитой межфазной поверхности.

Газы, вводимые через патрубки 15 и 16, формируют небольшую по высоте газовую подушку 21, которая оттесняется газожидкостной смесью в зоне под завихрителями.

Завихрители 3 представляют собой (фиг. 10) устройства, содержащие лопатки 22, имеющие плоскую зону 22а, расположенную вдоль оси аппарата, и следующую за ней по направлению потока жидкости наклонную зону 22б. Лопатки 22 присоединены (например, приварены) в центре каждого завихрителя к обтекателю 23, имеющему хорошо обтекаемую форму, обеспечивающую гидравлическое сопротивление завихрителя, близкое к минимальному. На периферии каждого завихрителя 3 лопатки 23 присоединены к диффузору направляющего аппарата (на фиг. 10 условно не показан, чтобы не закрывать лопатки), сначала плавно сужающегося по ходу движения жидкости, а затем плавно расширяющегося, что также способствует снижение гидравлического сопротивления завихрителя. Диффузор направляющего аппарата охватывает лопатки 22 на периферии завихрителя и снабжен присоединительными элементами для закрепления завихрителя 3 на тарелке 2 – фланцевым кольцом, лапками для крепежных элементов или аналогичными элементами.

Зона А на фиг. 6-9 соответствует области возникновения мощных сдвиговых напряжений при выходе из завихрителей, главным образом в зонах между соседними завихрителями на каждой тарелке, как показано на фиг. 6. Зона Б на фиг. 6-9 соответствует области поддержания вращения вихрей; в этой зоне соседние вихри имеют противоположное направление вращения. На фиг. 6-9 знак «плюс» в кружочке означает направление вращения по часовой стрелке, знак «минус» в кружочке – направление вращения против часовой стрелки.

Предлагаемый аппарат работает следующим образом.

Перед началом работы аппарат заполняют культуральной жидкостью (далее для краткости используется термин «жидкость»), в нее вносят необходимое количество микроорганизмов. При необходимости один или несколько аппаратов, представленных на фиг. 1-5, монтируют в единую установку, подключая их параллельно или последовательно при помощи труб и коллекторов.

В аппарат через патрубок 6 вводят жидкую фазу, а при помощи компрессоров (на фиг.1-5 условно не показаны) через патрубки 4 вводят газы с заданным давлением и производительностью. В камере 9 смешения газов (распределительной камере, фиг.1) или в распределительных камерах 11 и 12 (фиг. 2) происходит формирование газовой подушки, из которой через трубки 10 смесь газов (из камеры 9) или индивидуальные газы (из камер 11 и 12) поступает на тарелки 2 с завихрителями 3.

Жидкость при помощи насоса (на фиг.1-5 условно не показан) подается через патрубок 6 в распределительную камеру 18, где равномерно распределяется по завихрителям 3 нижней тарелки 2. Далее жидкость входит на лопатки 22 завихрителей 3 и приобретает наряду с поступательной компонентой скорости вращательную (тангенциальную) компоненту скорости. Таким образом, каждый завихритель формирует интенсивный вихрь, движущийся вверх.

Завихрители 3 распределены по площади тарелок 2 таким образом, что часть расположенных на каждой из тарелок завихрителей 3 обеспечивает вращение газожидкостного потока в одну сторону (например, по часовой стрелке), а остальные завихрители 3 на той же тарелке 2 обеспечивают вращение газожидкостного потока в другую сторону (против часовой стрелки), при этом создаваемая ими завихренность определяется диаметрами завихрителей и их количеством. При этом суммарный момент количества движения в среднем на каждой тарелке 2 становится скомпенсированным.

Вследствие того, что в зонах А векторы тангенциальной w_ϕ компоненты скорости двух соседних завихрителей направлены в противоположные стороны (фиг. 9а), моменты импульсов вихрей в зоне примыкания соседних завихрителей (зона А на фиг. 7-9 обведена штриховыми линиями овалом) векторно складываются, что приводит к усиленной турбулизации потока в этих зонах, к интенсивной сдвиговой деформации потоков жидкости. Газ (или смесь газов), попадая через трубки 10 в эти зоны, подвергается активному воздействию турбулентных касательных напряжений и сдвиговой деформации, что приводит к его интенсивному диспергированию, размер пузырей от 1 до 2 мм. В пространстве секции 13 над тарелкой 2 формируется газожидкостная смесь с высокой удельной поверхностью и высоким коэффициентом массоотдачи.

В зонах Б векторы тангенциальной w_ϕ компоненты скорости двух соседних завихрителей сонаправлены (фиг. 9б), т.е. моменты импульсов вихрей в зоне примыкания соседних завихрителей векторно складываются (зона Б на фиг. 7-9 обведена штриховыми линиями прямоугольником), и происходит обмен энергией (взаимная подпитка) между соседними вихрями, имеющими противоположное направление вращения. Это способствует выравниванию распределения энергии и газовых пузырей по площади тарелки и по объему каждой секции 13.

По мере движения вверх в секции 13 практически вся энергия вращательного движения вихрей, создаваемых завихрителями, взаимно компенсируется за счет турбулентного обмена между ними в зонах А, так что в верхней части каждой секции вращательное движение существенным образом затухает, а поступательная (осевая) компонента скорости сохраняет свое значение в соответствии с уравнением неразрывности. Это способствует тому, что за диспергированием газа в интенсивно закрученном газожидкостном потоке не следует его сепарация, т.е. достигнутое в нижней части секции 13 значение удельной поверхности контакта фаз снижается в незначительной степени.

Образовавшаяся в нижней секции 13 газожидкостная смесь попадает на следующую тарелку 2, и, проходя через завихрители 3 на ней, снова закручивается. Происходит редиспергирование газа, движущегося с жидкостью, и диспергирование газа, вводимого через патрубки 15 и 16 под следующую тарелку 2, либо вводимого через кольцевые распределители 19, находящиеся над завихрителями или кольцевые распределители 20, установленные на завихрителях 3. Газы, вводимые через патрубки 15 и 16, формируют небольшую по высоте газовую подушку 21, которая оттесняется газожидкостной смесью в зоне под завихрителями. Из этой подушки газ всасывается закручиваемой газожидкостной смесью в завихрители 3 и диспергируется, т.е. все процессы, протекающие в нижней секции 13, повторяются в следующих по высоте секциях 13. Газы, вводимые через кольцевые распределители 19 и 20, также всасывается закручиваемой газожидкостной смесью в завихрители 3 и диспергируется.

Ввод газа над тарелками через кольцевые распределители 19 и 20 может осуществляться под тарелками 2. При этом ввод газа над тарелками через кольцевые распределители 19 и 20, находящиеся над тарелками 2, способствует тому, что поток жидкости успевает раскрутиться в завихрителях 3, после чего в него вводится газ, что способствует его более эффективному диспергированию.

Количество необходимых тарелок 2 и соответствующих секций 13 над ними определяется расчетом или экспериментально, исходя из количества газа, который требуется растворить в жидкости.

Газожидкостная смесь далее подвергается предварительной сепарации в камере 17, а далее – в дополнительном блоке дегазации, который присоединяется к патрубку 7. Данный блок дегазации в состав предлагаемого аппарата не входит и поэтому на фиг. 1-5 не приведен.

Выделившиеся в камере 17 и в дополнительном блоке дегазации газы (в зависимости от состава) выводятся из установки либо возвращаются в рецикле в патрубки 4, 15, 16, а жидкость возвращается в рецикле в патрубок 6, а частично выводится из аппарата, как готовый продукт на дальнейшую переработку – концентрирование, сушку и другие операции.

За счет высокой эффективности диспергирования газа и энергосберегающих массообменных процессов, реализованных по предлагаемому изобретению в секциях 13 при помощи проточных контактных устройств - завихрителей 3, снижаются габариты массообменной части оборудования, а значит, сокращается и общий объем аппарата по сравнению с известными устройствами.

Благодаря интенсивному вихреобразованию в аппарате он может устанавливаться как вертикально, так и горизонтально или наклонно. В вертикальный аппарат потоки могут подаваться в том числе сверху вниз при условии интенсивной завихренности, создаваемой в аппарате.

Решение задачи предлагаемого изобретения достигается следующим образом:

1) Увеличение удельной поверхности контакта фаз, повышение интенсивности тепло- и массообменных процессов, сопровождающих биохимические процессы, снижение массогабаритных характеристик аппаратуры достигается за счет существенного улучшения диспергирования и массопереноса в установленных на тарелках 2 завихрителей 3, подачи газа через трубки 10 в зону между завихрителями, а также через кольцевые распределители 19 и 20;

2) Достижение высокой точности температурного режима достигается за счет использования проточных контактных устройств – завихрителей 3, обладающих высокими коэффициентами теплоотдачи от жидкости к рубашке и внутренним теплообменным устройствам;

3) Обеспечение мобильности оборудования и легкой сборки достигается за счет применения блочно-модульного принципа, который становится возможным благодаря применению высокоэффективных контактных устройств (завихрителей 3) в секциях 13, что позволяет перевозить блоки, содержащие секции 13, снабженные фланцами или кромками под приварку (в случае однократного монтажа, без необходимости дальнейшей перевозки) в виде отдельных блоков (модулей) аппарата и установки в целом.

4) Повышение эффективности использования вводимой в аппарат энергии достигается за счет интенсивного и целенаправленного воздействия на газ в секциях 13 (благодаря вводу газа через трубки 10 в зону между соседними завихрителями 3), в результате чего газ быстро диспергируется и растворяется в жидкости; кроме того, предотвращается преждевременная сепарация газа из-за компенсации вращательного движения в верхней части каждой из секций 13.

5) Решение проблем масштабного перехода достигается тем, что при больших поперечных размерах аппарата (например, диаметром 1600 мм или 2400 мм) на его тарелках может быть установлено большое число сравнительно небольших завихрителей (диаметром 160 мм или 200 мм). Изготовление нескольких десятков или даже сотен завихрителей для аппарата по предлагаемому устройству не потребует столь высоких затрат, как для изготовления устройства-прототипа диаметром 800 мм или 1200 мм.

Базовые варианты иллюстрируются примерами 1 и 2.

ПРИМЕР 1. Процесс диспергирования и насыщения жидкости газом в эрлифтном аппарате

В эрлифтном аппарате объемом 90 м³ проводят модельный процесс – насыщение газом (кислородом) жидкости (водного раствора сульфита натрия). При подаче газа через отверстия барботера формируются пузыри со средним размером 12-14 мм. По мере их движения вверх в центральной зоне аппарата происходит столкновение и слияние пузырей, приводящее к дальнейшему увеличению их размеров и снижению удельной поверхности.

Массообмен от пузырей к жидкости в данном устройстве определяется в основном скоростью относительного движения фаз, которая составляет 0,2-0,25 м/с. По этой причине коэффициент массоотдачи довольно низкий. Проведенные нами эксперименты показали, что объемный коэффициент массоотдачи в эрлифтном аппарате в 23,7 раза ниже, чем в массообменных секциях 13 предлагаемого аппарата.

Таким образом, в известном устройстве (эрлифтном аппарате) скорость переноса газа в жидкость в 23,7 раза ниже, чем в предлагаемом аппарате.

ПРИМЕР 2. Процесс диспергирования и насыщения жидкости газом, температурный режим в аппарате-прототипе и его массогабаритные характеристики

В известном аппарате-ферментере (пат. РФ 2728193) с контактным устройством-прототипом (пат. РФ 2777059), в соответствии с его описанием, формируются довольно крупные пузыри (диаметром от 1 до 5 мм), первый и третий блоки содержат трубы диаметром не менее 50 мм, в количестве не менее 3, длиной не менее 10 м.

При этом следует обратить внимание на то, что пузыри размером 1 мм образуются из пузырей размером 2 мм, то есть коэффициент увеличения удельной поверхности в устройстве-прототипе равен 2, что представляет собой незначительную величину, поскольку для создания исходных пузырей диаметром 2 мм необходимо дополнительно затратить энергию. При исходном размере пузырей 10-14 мм при использовании устройства-прототипа могут образовываться пузыри размером существенно больше 1 мм (порядка 5-7 мм).

Кроме того, форма контактного устройства-прототипа чрезвычайно сложна и оно может быть изготовлено только аддитивными методами (трехмерной печатью). Это приводит к существенному увеличению стоимости капитальных затрат, а значит, и стоимости единицы продукта, получаемого в аппарате.

При наличии каких-либо погрешностей формы при изготовлении устройства-прототипа суммарный момент импульса, создаваемый таким завихрителем, может быстро оказаться ненулевым. Это приведет к закрутке потока в массообменной секции и сепарации газа из газожидкостной смеси.

Следует также отметить, что устройство-прототип трудно поддается масштабированию. Например, изготовление контактного устройства-прототипа для аппарата диаметром 1600 мм или 2400 мм может стать практически непреодолимой задачей для технологов-машиностроителей.

По сравнению с устройством-прототипом в предлагаемом контактном устройстве существенно проще варьировать целый ряд параметров: диаметр завихрителей, угол наклона лопаток завихрителей (а значит, и угловую скорость вращения потока), расстояние между завихрителями на тарелках и их количество. В совокупности это позволяет достичь более высокой гибкости, необходимой при оптимизации параметров процесса.

Можно показать, что объем аппарата при использовании устройства-прототипа оказывается существенно больше, чем объем аппарата по предлагаемому изобретению (с учетом огромной разницы в коэффициентах массопередачи – в 23,7 раза).

В изобретении-прототипе не указан достигаемый коэффициент массоотдачи. Если принять, что он сопоставим с таковым в одном из наиболее эффективных известных устройств – статических смесителях типа Lightnin, то проведенное исследование (A. Heyouni, M. Roustan, Z. Do-Quang, Hydrodynamics and mass transfer in gas–liquid flow through static mixers. Chem. Eng. Sci. 57 (2002) 3325–3333) показало, что при их применении достигаются пузыри размером около 2 мм. Оценка экспериментальных значений объемного коэффициента массоотдачи k_La показала, что в статических смесителях Lightnin трех различных видов его значения в среднем на порядок ниже, чем в предлагаемом устройстве. Таким образом, оценка объема аппарата с устройством-прототипом дает значение 30 м³.

Предлагаемый в рамках настоящего изобретения аппарат иллюстрируется следующим примером (пример 3).

ПРИМЕР 3. Процесс насыщения жидкости газом в предлагаемом аппарате, его массогабаритные характеристики

Исследования показали, что при использовании контактных устройств - завихрителей 3 средний диаметр получаемых пузырьков 0.65 мм (т.е. в 3,1 раза меньше, чем в устройстве-прототипе, если принять за средний диаметр пузырьков 2 мм), а коэффициент массоотдачи в 10 раз выше, чем в аппарате-ферментере (пат. РФ 2728193), т.е. длина секций 13 с контактными устройствами 3 не превышает 1 м. Это приводит к снижению металлоемкости и габаритов в 10 раз. Это также означает, что вводимая в аппарат энергия на диспергирование газа используется с высокой эффективностью.

Кроме того, из-за использования контактных устройств 3, обладающих более простой формой (допускает изготовление из пластин и простых деталей, выполненных точением), капитальные затраты на их изготовление снижаются до 5-7 раз.

Легко решаются и вопросы масштабного перехода, поскольку изготовление нескольких десятков или даже сотен завихрителей для аппарата по предлагаемому устройству не столь затратно, как для устройства-прототипа.

Оценка объема предлагаемого аппарата (для сопоставимой производительности) составляет 3 м³, что примерно в 30 раз меньше, чем объем эрлифтного аппарата и в 10 раз меньше объема аппарата-прототипа. Масса аппарата по предлагаемому изобретению не менее в 4 раза ниже, чем у эрлифтного аппарата, и примерно в 2 раза меньше, чем в аппарате-прототипе.

Таким образом, использование предлагаемого устройства позволяет обеспечить увеличение поверхности контакта фаз, повысить интенсивность тепло- и массообменных процессов, сопровождающих биохимические процессы, снизить массогабаритные характеристики аппаратуры, достичь высокой точности температурного режима, обеспечить мобильность оборудования и легкой сборки, а также повысить эффективность использования вводимой в аппарат энергии. В совокупности решение этой задачи позволит снизить как капитальные, так и текущие затраты на эксплуатацию установки.

Изобретение относится к химической, нефтехимической, биотехнологической и другим отраслям промышленности. Раскрыт аппарат для осуществления биохимических процессов в газожидкостных потоках, включающий: корпус цилиндрической формы с размещенными по его длине контактными устройствами, установленными на тарелках, распределенными по длине аппарата, а также патрубки для подачи жидкости и газов, в котором контактные устройства выполнены в виде двух или более завихрителей, расположенных на каждой из тарелок, причем тарелки с завихрителями распределены по длине корпуса аппарата, а завихрители распределены по площади тарелок таким образом, что часть расположенных на каждой из тарелок завихрителей обеспечивает вращение газожидкостного потока в одну сторону, а остальные завихрители на той же тарелке обеспечивают вращение газожидкостного потока в другую сторону таким образом, чтобы суммарный момент количества движения в среднем на тарелке был скомпенсирован, при этом в верхней части аппарата располагается камера сепарации, из которой отводится патрубок вывода газа и патрубок вывода жидкости, который разделяется на патрубок отведения жидкости и патрубок рециркуляции на подачу жидкости в аппарат. Изобретение позволяет увеличить поверхность контакта фаз, повысить интенсивность тепло- и массообменных процессов, а также обеспечить высокую удельную поверхность и коэффициент массоотдачи. 5 з.п. ф-лы, 10 ил., 3 пр.

1. Аппарат для осуществления биохимических процессов в газожидкостных потоках, содержащий корпус цилиндрической формы с размещенными по его длине контактными устройствами, установленными на тарелках, распределенными по длине аппарата, а также патрубки для подачи жидкости и газов, в котором контактные устройства выполнены в виде двух или более завихрителей, расположенных на каждой из тарелок, причем тарелки с завихрителями распределены по длине корпуса аппарата, а завихрители распределены по площади тарелок таким образом, что часть расположенных на каждой из тарелок завихрителей обеспечивает вращение газожидкостного потока в одну сторону, а остальные завихрители на той же тарелке обеспечивают вращение газожидкостного потока в другую сторону таким образом, чтобы суммарный момент количества движения в среднем на тарелке был скомпенсирован, при этом в верхней части аппарата располагается камера сепарации, из которой отводится патрубок вывода газа и патрубок вывода жидкости, который разделяется на патрубок отведения жидкости и патрубок рециркуляции на подачу жидкости в аппарат.

2. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что ввод газов в аппарат осуществляется в общую камеру смешения, а далее из камеры смешения через трубки поступает на нижнюю тарелку с завихрителями.

3. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что ввод газов в аппарат осуществляется в раздельные распределительные камеры, отделенные друг от друга разделительными перегородками, а далее из камер через трубки поступает на нижнюю тарелку с завихрителями.

4. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что ввод газов в аппарат осуществляется через кольцевые распределители, расположенные на тарелках по периферии корпуса аппарата.

5. Аппарат по п. 1, отличающийся тем, что ввод газов в аппарат осуществляется через кольцевые распределители, каждый из которых расположен непосредственно на завихрителях.

6. Аппарат по п. 1, выполненный по блочно-модульному принципу, где каждый модуль – это секция с тарелкой и завихрителями, а модули соединены между собой, при этом общее количество модулей определяется исходя из требуемой производительности установки.