Способ контактирования газа и жидкости и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК C12M1/04 

няя скорость жидкости в подъемной трубе составляет не менее 15 см/с, скорость восходящего потока поддерживают в пределах 20-80 см/с, а нисходящего - в пределах 2оЬ-500 см/с, в качестве жидкости применяют питательную среду, содержащую микроорганизмы, в качестве жидкости применяют питательную среду, содержащую углеводород или частично окисленный углеводород, в качестве газа применяют кислородсодержащий газ, например воздух.

С целью интенсификации процесса за счет увеличения поверхности, контактирования газа и жидкости, устройство для осуществления предлагаемого способа снабжено по крайней мере одной дополнительной трубой для подвода газа, расположенной в-опускной трубе, а площадь поперечного сечения подъемной трубы в 3-8 раз боль.ше поперечного сечения опускной трубы, с целью повышения производительности, оно снабжено несколькими подъемными трубами, размещенными вокруг одной опускной трубы в виде многоугольника, а подъемная труба выполнена в виде двух секций: нижней (контактной) к верхней (стабилизации восходящего потока), причем поперечное сечение нижней секции больше поперечного сечения верхней.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство с раздельным расположением подъемной и опускной труб, продольный разрез; на фиг. 2 то же, с соосным расположением труб; на фиг. 3 третий вариант исполнения устройства; на фиг. - четверты вариант исполнения устройства; на фиг. 5 - пятый вариант исполнения усройства; на фиг. 6 - шестой вариант исполнения устройства; на фиг. 7 вид А на фиг. 6; на фиг. 8 - сеченСие Б-Б на фиг. 7; на фиг. 9 сечение В-В на фиг. 8.

При осуществлении предлагаемого способа жидкость непрерывно циркулирует по системе высотой по меньшей мере 20 м, включающей в себя по меньшей мере одну камеру восходящего потока (ниже носит название вертикальной трубы) , и, по меньшей мере, одну камеру нисходящего потока (ниже носит название опускной трубы), причем общая площадь полезного поперечного сечения вертикальной трубы или.

ет общую площадь полезного поперечного сечения опускной трубы или опускных труб, сообщающихся соответственно. . t верхними, и нижними концами вертикальных труб или вертикальной трубы; циркуляция жидкости в системе обеспечивается за счет введения в нее газа в количестве, достаточном для придания потоку жидкости в вертикальной трубе илу вертикаль.ных трубах средней скорости, равной па меньшей мере 15 см/с.

Кроме того, предлагается способ введения жидкости, в контакт с газом, при осуществлении которого жидкость непрерывно циркулирует в системе высотой по меньшей мере 20 м, включающий в себя по меньшей мере одну камеру восходящего потока (ниже носит название вертикальной трубы), и, по меньшей мере, одну камеру нисходящегося потока (ниже носит название опускной трубы), причем общая плрщадь полезного поперечного сечения опускной трубы или опускных труб меньше общей площади полезного поперечного сечения вертикальной трубы или вертикальных труб и верхние и нижние концы опускных труб или опускной трубы сообщаются соответственно с верхними и нижними концами вертикальных труб или вертикальной трубы; циркуляция жидкости в системе обеспечивается за счет введения в нее газа в нескольких точках системы в количестве, достаточном для придания потоку жидкости в вертикальной трубе или вертикальных трубах средней скорости, равной по мейьшей мере 15 см/с; часть в интервале от 10 до 100, но предпочтительно от 10 до 60% общего объема газа, вводимого в систему, попадают в массу жидкости в опускной трубе или опускных трубах.

В начале осуществления предлагаемого способа выгодно вводить все количество или большую часть газа в вертикальную трубу или вертикальные трубы в течение промежутка времени, достаточного для начала циркуляции жидкости. Эта начальная стадия процесса продолжается до момента достижения равномерной циркуляции жидкости средней скорости движения потока жидкости в опускной трубе или опускных трубах, равной по меньшей мере 100 см/с.

Изобретение можно применять в отношении процессов, требующих гомогенного контактирования между жидкостью и газом,например при приготовлении растворов сульфата меди из минеральных руд, содержащих сульфиды меди, в гидрометаллургических процессах. В этом случае тонкоизмельченную руду суспендируют в водной среде, которую циркулируют в соответствии с предлагаемым способом, причем вводимый воз дух также служит в качестве источник кислорода для конверсии сульфидов ме ди в руде в сульфат меди, находящийся в растворе в такой среде. Такое превращение может быть обусловлено воздействием микроорганизмов, присутствующих в среде или путем просто го химического воздействия, в отсутст вии микроорганизмов. Изобретение мож но успешно применять при осуществлении процессов ферментации., в особенности процессов аэробной ферментации требующих высокоинтенсивной подачи кислорода, хотя с применением изобретения можно проводить анаэробные реакции или процессы ферментации путем введения в систему соответствующего, газа. Группа процессов аэроб .ной ферментации, где можно с большим успехом применять изобретение, вклю. чает в себя получение одноклеточного белка путем выращивания микроорганиз мов на углеводородных или частично окисленных углеводородных (например., метанолсодержащих углеводородных) субстратах; получение аминокислот (например, лизина, глутаминовой кислоты иметионина); получение лимонной кислоты и ферментов (например, изомеразы .глюкозы) или получение антибиотиков (например, пенициллина). При осуществлении способа аэробной ферментации изобретение осуществля-. ется следующим образом. Средняя скорость движения потока жидкости или жидкой питательной среды в вертикальной трубе или вертикальных трубах или опускной трубе или опускных трубах берется по всему поперечному сечению камеры. Поскольку внутреннее.поперечное сечение в таких камерах, в особенности в вертикальной трубе или. вертикальных трубах может оказаться не одинаковым по всей длине, скорость движения потока жидкости или жидкой питательной среды в любой камере может изменяться по ее длине. В процессе аэробной ферментации согласно предлагаемому способу введе78 нйя газа в жидкую питательную среду в среду пониженной плотности, со.стоящую из пузырьков газа, жидкости и массы микроорганизмов, разница в объеме пустот в вертикальной трубе или трубах и опускной трубе или трубах в результате вводимого газа сообщает потоку этой среды скорость, которая является достаточно высокой в нормальных условиях проведения процесса, чтобы практически гомогенизировать дисперсию пузырьков. По такому варианту жидкая питательная среда циркулирует в системе в виде сплошного потока, т.е. сплошного потока с определенной степенью, турбулентного смешения. При .осуществлении этого способа весь объем элементов жидкой питательной среды циркулирует быстро и равномерно между участками высокого и низкого гидростатических давлений, соответственно в нижнем и верхнем участке си.стемы. На участке высокого давления кислород, который требуетс.я для роста микроорганизмов, поглощается питательной средой, тогда как на участке низкого давления углекислый газ, который образуется в ходе протекания процесса, выделяется наружу. .В верхней части системы отработанный газ удаляется из циркулирующей жидкости питательной среды и выводится из системы. Скорость переноса кислорода в жйДкую питательную среду, которая может быть достигнута в ходе проведения процесса аэробной ферментации, является важным фактором, поскольку она определяет скорость производства микроорганизмов, которая может быть достигнута в ферменторе.данного объема. Предпочтительная скорость переноса . в крупномасштабных пр.оц.ессах должна составлять по меньшей мере 2 кг кислорода/куб, м. ч, а более предпочтительная .скорость находится в интерв.але -12 кг/куб.м. ч кислорода. Поскольку скорость переноса зависит, помимо прочего, от общей высоты системы, важно, чтобы высота превышала минимальную величину, если поддерх иваются при этом приемлемые.скорости роста микроорганизмов.и процесс производства. В ферменторах согласно изобретению приемлемая скорость переноса может, быть достигнута при общей высоте 20 м. Однако предпочтительная высота составляет по меньшей мере 30 м, а особенно предпочтительная высота находится в интервале О-бО м. Газ, вводимый в систему в ходе проведения процесса аэробной ферментации, в качестве которого можно использовать кислород, воздух или некоторые другие кислородсодержащие газовые смеси, служит для следующих целей: вызывает циркуляцию питательной среды в системе; является источником кислорода, требующегося для микроорганизмов; путем соответствующего выбора точек введения газа и количество вводи мого в этих.точках газа в ходе прове дения процесса может быть достигнута существенная степень регулирования: так, например, можно регулировать скорость движения потока и, следова.тельно, продолжительность циркуляции среды; кроме того, так можно регулировать распределение концентрации растворенного кислорода; вся площадь поверхности пузырьков образуемых вводимых газом, доступна для десорбции углекислого газа; объем и состав вводимого газа, можно использовать для регу/1ирования распределения концентрации углекислого газа в жидкости или жидкой питательной среды. Общее количество вводимого газа, точки, в которых его вводят, и пропорциональные количества газа, вводимого в различных точках, изменяются в зависимости от потребности микроорганизмов и требуемых скоростей циркуляции. Газ можно вводить в опускную трубу или трубы на одном ил нескольких уровнях, например на 25 уровнях. Предпочтительно вводить газ в вертикальную трубу или трубы на одном уровне, хотя его так же вводить в вертикальную трубу на нескольких уровнях. Соответствующие точки введения газа в каждую камеру распределяют вдоль опускной трубы ил труб, однако их концентрируют вблизи основания вертикальной трубы или труб. Устройство для контактирования га за и жидкости содержит циркуляцион иый контур, выполненный в виде соеди ненных между собой в верхней и нижней частях переточкыми патрубками 1 и 2 подъемной и опускной труб.З И 4, патрубок 5 для ввода газа, расположенный в нижней части подъемной трубы 3, и по крайней мере одну дополнительную трубу 6 для подвода газа , расположенную в опускной трубе t. Площадь поперечного сечения подъемной трубы 3 в раз больше поперечного сечения опускной, трубы . Дополнительно устройство снабжено несколькими подъемными трубами 3, размещенными вокруг одной опускной трубы k в виде многоугольника. Подъемная труба 3 может быть выполнена в виде двух секций 7 и 8; нижней (контактной-) и верхней (стабилизации восходящего потока), причем поперечное сечение нижней секции 7 больше поперечного-сечения верхней секции 8. В целях большей ясности соответствующее положение теплообменника 9, предназначенного .для отвода тепла ферментации, отвода или добавления тепла, необходимого для протекания химической реакции, показано только на фиг. 1. Устройства, представленные на фиг. 1, 2, 3 и 7, включают в себя вертикальную трубу или трубу, у которых предусматриваются цилиндрические или кольцевые верхние и -нижние секции 8 и 7; (соответственно), сообщающиеся между собой посредством сужающейся секции 10, причем диаметр нижней секции 7 превышает диаметр верхней секции 8. Ферменторы, представленные на фиг. 4-6, включают в себя вертикальную трубу или трубы 3, У которых предусматриваются цилиндрические или кольцевые постоянные поперечные сечения. Верхний конец вертикальной трубы сообщается с верхним концом опускной трубы 4 посредством соединительного элемента 11, который может представлять собой горизонтальный цилиндрический элемент, как это показано на фиг. 1, 6 и 7, или может включать в себя вертикальную цилиндрическую секцию 12 и коническ йе соединительные элементы 13 и 1,, которые образуют удлинители соответственно вертикальной трубы и опускной трубы, как это показано на фиг. 2-5. Нижний конец вертикальной трубы сообщается с нижним концом опускной трубы посредством переточного патрубка 2 или соединительного элемента 15 который может быть цилиндрическим, как показание на фиг. 1, 6 и7, или горизонтальным с круглым сечением и образовывать основание ферментора, как показано на фиг. 2-5Газ, например воздух, вводят в нижнюю часть вертикальной трубы с помощью впускных патрубков, что вызы вает непрерывную .циркуляцию жидкой фазы, которая занимает объем ферментора до уровня Г-Г. Верхнему пере ToijHOMy патрубку 1 не дают заполнять ся жидкостью, что позволяет создать свободную поверхность, с которой из Жидкости улетучиваются пузырьки газа и удаляются по патрубку. Дополнительное количество газа, например воздуха, вводят в опускную трубу по одной или нескольким впускным патрубкам 6, два из которых.показаны на фиг. 1-7. Исходную среду, которая включает в себя элементы, имеющие существенное значение для ферментации, водят в ферментор по патрубку 16, а питательную среду уда ляют из ферментора по патрубку 17. В секции вертикальной трубы установлены приспособления для разбивания пузырьков, в частности приспособления 18. В соответствии с фиг..1 в опускной трубе i показан теплообменник 9, хотя этот теплообменник может быть смонтирован в любой точке подъе ной и опускной труб. Кроме того, нескольку теплообменных приспособлений может быть размещено в любой секции вертикальной трубы, в секции опускной трубы или как в той, так и в дру гой одновременно. Выгодно монтировать вертикальную трубу или трубы и опускную трубу или трубы изолированно друг от друга или совершенно отдельно от соединительных патрубков, их верхних и нижних концов, или же их можно устанавли|Вать внутри одного сосуда, разделенного внутри .с помощью одной или нескольких разделительных перегородок, в нижней и верхней части которых предусмотрены отверстия. В к.ачестве вертикальной трубы или труб и опускной трубы или труб МОЖНОприменять цилиндры, установленные изолированно друг от друга и соединенные посредством патрубков, которые могут проходить горизонтально или (в случае нижнего соединения) иметь другую форму Кроме того, такая система может включать в себя,, в част.ности,, две камеры, проходящие коаксиально, причем одна из НИХ , предпочтительно вертикальная труба, охватывает другую. Эта система предпочтительно включает в себя несколько вертикальных труб, смонтированных отдельно друг от друга и сообщающихся с одной опускной трубой, в частности от 2 до 8 ве(этикальных труб, сообщающихся с одной опускной, трубой.i в последнем случае площадь поперечного сечения каждой вертикальной трубы может быть равной площади поперечного, сечения опускной трубы, в результате чего общая площадь поперечного сечения вертикальных труб оказывается большей. Такую систему можно легко изготовить заранее. Скорости движения потоков жидкой питательной среды в опускной трубе или трубах и в вертика.пьной трубе или трубах, соответственно зависят от площадей поперечного сечения в таких камерах, т.е. от их диаметров, если они являются цилиндрическими. Эти камеры не обязательно должны иметь одинаковый диаметр по всей их длине. Действительно, в некоторых случаях желательно,чтобы вертикальная труба или трубы включали в себя две секции, расположенные вертикально одна над другой, причем нижняя секция характеризуется большей площадью поперечного сечения. В данном случае предпочтительная площадь поперечного сечения нижней сек.ции вертикальной трубы или труб в 3-8 раз превышает площадь поперечного сечения верхней секции. Длина нижней секции предпочтительно составляет от 30 до 60 общей длины вертикальной трубы. По другому варианту возможно постоянное уменьшение площади поперечного сечения вертикальной трубы мли труб в направлении снизу вверх по их высоте. С целью предотвратить накопление больших количеств углекислого газа жидкая питательная среда должна быстро циркулировать между участками высокого и пониженного давления в ферменторе. Предпочтительная продолжительность циркуляции жидкой питательной среды.по всей длине системы находится, в интервале 0,5-5 мин, особенно предпочтительно 1-3 мин. Скорость движения потока жидкой пи-, тательной среды на любом участке вертикальной трубы -или труб и опускной трубы или труб зависит от площади поперечного сечения на данном участ ке камеры. С целью циркуляции жидкой питательной среды практически в виде сплошного потока минимально допустимая скорость движения ее пот ка в вертикальной трубе или трубах должна превышать 10 см/с. Предпочти тельная средняя скорость находится в интервале 20-80 см/с в вертикальной трубе или трубах (в нижней части если эта камера характеризуется неодинаковой площадью поперечного сечения по высоте) и 200-500 см/с в опускной трубе или трубах. В этом ферменторе можно проводит периодический или непрерывный процесс. Жидкая питательная среда циркули рует практически в виде сплошного п тока, в котором должна быть достигнута высокая степень гомогенности. Почти весь объем ферментора можно -icnonbsoBaTb для роста микроорганизИОВ, а пространства, где привалирую анаэробные условия, исключаются. Это рбеспечивает возможность высокоэффе тивного регулирования параметров пр yiecca ферментации, в частности температуры, величины рН и конценетраци субстрата, что Позволяет получать п дукт более высокого качества и боль а1ей однородности. Так, например, в случае осуществления предлагаемого способа в процессе . получения одноклеточного белка производимые микро организмы проявляют высокую степень морфологической однородности и до-стигается улучшенная степень конвер сиИ углерода субстрата в клеточный углерод. Осуществление изобретения позволяет достичь эффективной циркуляции и исключить необходимость применения внешних циркуляционных обводных линий для отвода теплоты реакции и ферментации. В процессе аэробной ферментации применение изобретения дает хорошие результаты в отношении достигаемой скорости переноса кислорода и потреб ления энергии. Объемная скорость переноса кислорода и степень передачи энергии, которые могут быть достигнуты в ферМенторах различной высоты, рассчитаны теоретически для ферменторов, конструкция которых показана на фи г. 1 . Объемная скорость переноса кислорода представляет собой скорость, выраженную в килограммах кислорода в час и в кубическом метре жидкости, который растворяется в жидкой питательной среде. Степень передачи энергии представляет собой соотношение между скоростью переноса кислорода и затрачиваемой энергией, выраженное в килограммах кислород в жидкой питательной среде на киловатт-час работы, произведенной при сжатии воздуха перед его введением а Л1дкую питательную среду. Степень передачи энергии возрастает с по-вышением скорости переноса .кислорода, вследствие Чего для повышения экономичности процесса жела.тельно максимально возможно повысить оба параметра.Производят расчеты выведением уравнений для переноса газов (в частности, кислорода и углекислого -газа) между пузырьками газов и жидкой питательной средой, а также путем расчета изменений давления между различными точками системы. Энергию, которая требуется для сжатия газа, рассчитывают из следующих предположений: давление в верхней части системы (где происходит выделение из жидкости газа) составляет 1,5 бар (абсолютных); потеря давления между компрессором и входом в ферментОр составляет 1 бар; в качестве кислородсодержащего газа предположительно используют воздух .в первоначальном состоянии под давлением 1 бар и температуре . Предлагается, что процесс сжатия является адиабатическим (изэнтропическим) и для достижения роста давления, достаточного для преодоления установленных потерь в 1 бар и для введения воздуха в ферментор под давлением (или под давлениями), существующим в точке введения (или точках введения). Эти предположения позволяют рассчитать работу сжатия., которая является действительной с точки зрения потребности в мощности на валу больших осевых компрессоров с промежуточным охлаждением между двумя стадиями. Предполагается, что до 45% газа необходимо вводить в опускную трубу в точках, число которых достигает 3. Полученные результаты представлены в таблице.

Результаты, представленные в таблице, рассчитаны с сохранением предположений о коэффициенте массопереноса и средних размерах пузырьков. Это показывает, что объемная скорост-ь переноса кислорода повышается с увеличением высоты ферментора. Лучшие из ранее известных результатов, полученнь1х с применением обычных ферменто ров, включают в себя скорость переноса, равную приблизительно 3 кг/куб.м.-ч жидкой питательной среды, причем они достигнуты при более низкой степени передачи энергии, чем та, которая достигается в соответствии с изобретением. Таким образом, осуществление изобретения позволяет заметно улучшить известные результаты, причем высота ферментора имеет большое значение для достижения такого улучшения.

Способ обогащения кислородсодержащего газа с использованием чистого кислорода или смеси чистого кислорода с воздухом позволяет при его осуществ лении достичь еще более вь1сокой скорости перенос-а. 3Tof способ не охваты вается рамками изобретения,но его лег ко можно применять в сочетании с последним. Подобный же образом скорость переноса можно повысить путем конструирования всего ферментора в виде сосуда повышенного давления, всдедствие чего давление в нем может превышать в любой точке атмосферное давление. Этот способ также можно применять в сочетании с изобретением. Однак оба этих известных метода повышения скорости прррмоса, а именно методы использования частого кислорода.

И создание повышенного давления по всему пространству, также страдают известными недостатками. Большое преимущество изобретения состоит в том, что-скорость переноса такой же высокой величины, как указанная в таблице, может быть достигнута с испрльзованием воздуха в качестве кислородсодержащего газа, что сочетается с хорошей степенью передачи энергии без повышения концентрации растворенного в жидкой питательной .среде углекислого газа до высокого уровня.

Формула изобретения

1.Способ контактирования газа и жидкости в процессах аэробной ферментации путем введения в жидкость газа и создания циркулирующих восходящего и нисходящего потоков газо-жидкостной смеси, о т л и ч а ю щ и и с я .тем, что, с целью интенсификации процесса, не менее 10 от общего количества газа вводят в жидкость .8 опускной трубе и средняя скорость жидкости в подъемной трубе составляет не менее 15 см/с.

2.Способ по п. Г, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что скорость восходящего потока поддерживают в пределах 20-80 см/с, а нисходящего - в пределах 200-500 см/с.

3.Способ по п. 1, отличающ и и с я тем, что в качестве жидкости применяют питательную среду, содержащую микроорганизмы.

. Способ- по.пП 1 и 3i о т л и ча. ющийся тем, что в качестве жидкости применяют питательную среду, содержащую углеводород или частично окисленный углеводород.

5.Способ по п. 1, о т п и ч а ю щ и и с п тем, что в качестве газа применяют кислородсодержащий газ, например воздух.

6.Устройство для осуществления способа по п. 1, содер хащсе циркуляционный контур, выполненный в виде соединенных между собой в верхней и нижней частях переточными патрубками подъемной и опускной труб, и патрубок для ввода г-аза, расположенн1;1ч в нижней части подъемной трубы, с., т л и чающееся тем, что с целью интенсификации процесса за счет увеличения поверхности контактирования газа и жидкости, оно снабжеш) по крайней мере одной дополнительной трубой /Ц1П подвода газа, расположенной в опускной трубеj а площадь поперечного сечения подъемной трубы в раз больше поперечного сечения опускной трубь. 7- Устройство по п. 6, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности, оно снабжено несколькими подъемными трубами, размещенными вокруг одной опускной трубы в виде многоугольника. 9 816 8. Устройство, по пп. 6-7, о т л ичающееся тем, что подъемная труба выполнена в виде двух секций; нижней (контактной) и верхней (ста билизации восходящ его потока), причем поперечное сечение нижней секции больше поперечного сечения верхней. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент Франции № 1228011, кл. В 01 Ч, 26.08.60.

/8

Q

6

16

V

w

W

5

D

Фие.1

нся

JUUU

. у

«7

//

3 f8

ч

W

Ц

f

/ 7

т:

/5 /

Фиг.

/а

Чб

//

/7

NV/

Фиг.

/«

11

//

J8 -

Фиг 5

бидА

16

16 г Фае. б

Фиг. 7