节能搅拌反应器的应用

高志林

(安徽马鞍山丰原生物化学有限公司 安徽马鞍山 243000)

发酵有机酸在食品、饮料、医药、化工、洗涤剂等领域应用十分广泛。经发酵后的有机酸液体中，除含有主要产物有机酸外，还含有纤维、菌体、有机杂酸等杂质。通过加入碳酸钙(CaCO3)与溶液中的有机酸发生中和反应，生成溶解度极小的有机酸钙盐，过滤后得到有机酸钙盐。有机酸钙盐调浆后，加入硫酸(H2SO4)产生复分解反应(即酸解)，生成溶解度极小的硫酸钙盐，过滤后得到纯度更高的有机酸溶液。

在中和、酸解过程中采用的生物反应器装备为普通型结构形式，该装备在使用过程中，存在物料混合不均匀、能耗大、结垢严重等问题。通过对反应器、搅拌装置重新设计，提高反应器内壁及搅拌器的加工精度，经使用验证，提高了产品质量和生产效率，降低能耗和装置结垢现象，提高了公司经济效益。

1 原生物反应器现状

1.1 生物反应器装备结构不合理

主要体现在结构尺寸较小，装备和搅拌选型不合理。装备容器直径在2000 mm、高度在3400 mm，高径比在1.7，装填容积为10 m3，料液装填量较小。搅拌装置采用斜叶桨式搅拌，该桨叶直径与容器内径之比为0.4，转速为60 r/min-70 r/min，配备的电机为7.5 kW，单位体积能耗为0.75 kW/m3，能耗偏高。

1.2 料液混合不均匀

对发酵有机酸在中和、酸解过程中产生的固体颗粒悬浮液上、下部分取样检测，上部固液比平均为49.8%，下部固液比平均为54.6%，混合不均匀。有机酸钙盐加入硫酸产生复分解反应后，硫酸钙盐晶体中包夹有机酸钙盐，检测分析包夹量为0.5%，说明物料反应不完全。原因与装备结构不合理有关系。

1.3 生物反应器结垢严重

装置运行一段时间后，在容器内壁、接管和搅拌等处有大量的无机钙盐和有机钙盐沉积，沉淀厚度平均为4 mm，部分管道上结垢成不规则块状，形状如石钟乳。不易清洗垢质，对设备存在一定的损坏作用。

1.4 原生物反应器结构形式示意图

图1 反应器结构示意图

2 生物反应器重新设计情况

2.1 对生物反应器装置重新设计

根据反应固体颗粒易沉淀的现象，对反应器结构重新设计，容器直径在4000 mm、高度在5600 mm范围内，高径比在 1.4之间，装填容积为70 m3。减小容器的高径比，便于固体颗粒的悬浮，降低容器内混合不均匀度，可确保液体与固体混合均匀，达到中和、酸解完全反应的目的。

2.2 对搅拌装置重新设计

固液悬浮是借助搅拌装置的作用，使固体颗粒悬浮在液体中，形成固液混合物或悬浮液。均匀悬浮的主要控制因素是循环速率及湍流强度，其中容积循环速率(即搅拌流量)又是最主要的因素。搅拌流量计算公式如下:

式中:Q—搅拌流量，m3/min;

Nq—搅拌流量系数;

N—轴转速，rpm;

D—浆叶直径 ，m;

n—浆叶层数。

根据容器直径在4000 mm、高度在5600 mm范围内，选择浆叶直径为1400 mm，浆叶层数为2层，为保证固体颗粒悬浮在液体中达到较高的搅拌强度，轴转速选择48 r/min。

从搅拌流量的计算公式得出:当其他参数确定后，唯一影响搅拌流量的是搅拌流量系数。

轴转速、浆叶直径、浆叶层数确定后，再通过优化搅拌装置结构形式，可以强化搅拌流量，满足搅拌的要求。根据物料实际搅拌情况，选择一种轴流式三长窄叶旋桨式搅拌，结构形式再从以下几点优化设计:

2.2.1 浆叶宽度

浆叶宽度从中心位置处到叶片端部逐步递减，浆叶的端部线速度快，叶片宽度小，中心位置线速度小，叶片宽度增加，这种形状可以使流体沿着径向均衡流动，达到搅拌充分的效果。中心位置宽度与叶片端部比例为2.1。

2.2.2 桨叶的叶片扭曲幅度

桨叶的叶片扭曲幅度从中心毂向顶端平稳减缓，减缓的角度相对于轴的角度，从45°逐步减缓到25°。加强搅拌强度，又可降低能耗。

2.2.3 桨叶弧形结构

叶片的弧形结构和相应半径。通过几何形状保证浆叶前端受到冲击较小，中心部分形成一股很强的向下的力推动液体流动。叶片的弧形从中心由不规则的24°转到12°。叶片的弧形结构可增强叶片强度，防止叶片变形。

搅拌功率计算公式如下:

式中:P—搅拌功率，W，

NP—功率准数，

ρ—混合液密度，kg/m3;

N—搅拌转速，1/s;

d—搅拌器半径，m。

搅拌功率计算中，ρ、N、d为已知数，故计算搅拌功率P的关键是功率准数NP，NP与搅拌结构形式有密切的关系，针对发酵有机酸在中和、酸解过程中产生的固体颗粒悬浮液，开发出轴流式三长窄叶旋桨式搅拌，其功率准数经试验，测定数值为0.32(紊流状态)，传质能力比普通桨式提高60%以上。

2.3 提高生物反应器内壁及搅拌器的加工精度

物料结垢与物料本身性质、搅拌强度、物料与设备接触表面的粗糙度等均有关系。通过优化搅拌装置各参数的设计，可以提高搅拌强度。对物料与设备接触表面进行精加工处理，减轻物料结垢附着力，减少物料结垢附着力的机率。通过研究和试验，设备表面加工粗糙度达到1.0 μm，结垢减少80%。

2.4 静平衡

搅拌器组装完毕进行静平衡试验，以增加搅拌器的使用时间，并使料液搅拌得更均匀、稳定。

2.5 重新设计后的生物反应器结构形式示意图

图2 重新设计反应器结构示意图

3.结论

生物反应器装备通过实践，上、下部分取样检测，上部固液比平均为52.6%，下部固液比平均为53.8%，符合混合的要求。

有机酸钙盐加入硫酸产生复分解反应后，经检测分析硫酸钙盐晶体中检测不到包夹机酸钙盐，说明物料完全反应。

生物反应器装填容积为70 m3时，装机功率为11 kW，单位体积能耗为0.16 kW/m3，装置节能达到60%-70%。

［1］陈志平，章序文，林兴华等.搅拌与混合设备设计选型手册［M］.北京:化学工业出版社，2004

［2］贺匡国.化工容器及设备简明设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2002