专利名称：内置板翅式换热器的外循环气升式反应器及控温方法
内置板翅式换热器的外循环气升式反应器及控温方法技术领域
本发明属于外循环气升式反应器领域，涉及一种内置板翅式换热器的外循环气升式反应器及控温方法。
背景技术：
气升式反应器主要分成两大类，即内循环气升式反应器和外循环气升式反应器。 两种反应器主要是根据不同的流体循环路径来区分的。当在升流区内曝气，由于升、降流区内空气含率不同造成的表观流体密度的差异，最终导致流体在反应器内循环。外循环气升式反应器可看成是由两个气液鼓泡床以及两者顶部与底部连接部分组成。
细胞反应是对温度变化十分敏感的放热反应，因此，生物反应器的设计对温度控制的要求较高，特别是随着反应器体积的增大、其热量移去和温度控制将成为反应器设计的一项重要内容。在细胞反应过程中，反应器以产生热量为主，需要采用有效的冷却方式来降低温度。例如，在发酵过程中，菌体分解营养物质而产生能量，其中一部分能提供菌体生长和生成代谢产物，另一部分以热量形式释放出来，一般把在发酵过程中所释放出来的热量称为发酵热。根据所用菌种和工艺的不同，发酵热的峰值有所偏差，如谷氨酸生产过程中发酵热的峰值约为1. 17 X IO4 kcal/(m3 · h),赖氨酸发酵热的峰值约为1. 8 X IO4 kcal/(m3*h);而酵母的发酵热更大，如酒精发酵过程中发酵热的峰值约为2. 2 X IO4 kcal/ (m3 · h),有的毕赤酵母在发酵过程中的发酵热的峰值可达到2. 4X IO4 kcal/(m3 · h)。上述产品在发酵过程中生物产热大，尤其在炎热的夏天，降温十分困难，往往导致生物产热高峰阶段的发酵温度失控。若发酵温度超出最适温度范围的时间持续较长，生产菌的生长、代谢均受到严重的影响。目前可以通过人工控制或自动控制，将冷却水通入反应器的夹套或蛇形管中，通过热交换来降温，保持反应器中温度的相对恒定。板翅式换热器是一种新兴的热设计技术，相比于夹套或蛇形管的降温方式，板翅式换热器的优势在于传热效率高、结构紧凑、轻巧而牢固、适应性大、经济性好等，但目前尚未有将板翅式换热器应用于外循环气升式反应器的报道。发明内容
本发明的目的是提供一种内置板翅式换热器的外循环气升式反应器，解决目前夹套或蛇形管传热效率比较低，不利于调节温度的问题。
本发明的另一个目的是提供一种利用上述内置板翅式换热器的外循环气升式反应器控制温度的方法，主要用于发酵产赖氨酸、酵母扩大培养、柠檬酸液体发酵等方面。
本发明通过以下技术方案来实现一、内置板翅式换热器的外循环气升式反应器，包括外循环气升式反应器；所述的外循环气升式反应器的上升区和下降区内分别设置具有多个扇形板翅换热片的 板翅式换热器一和板翅式换热器二 ；板翅式换热器一上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰一，下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰一，其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰一通过环管一把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰一通过环管二把扇形的板翅换热片连成一个整体；板翅式换热器二上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰二，下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰二，其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰二通过环管三把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰二通过环管四把扇形的板翅换热片连成一个整体。
所述的板翅式换热器一与外循环气升式反应器之间为活动连接。
所述的活动连接为支撑件一和螺栓相连接。
所述的板翅式换热器二与外循环气升式反应器之间为活动连接。
所述的活动连接为支撑件二和螺栓相连接。
二、一种利用上述内置板翅式换热器的外循环气升式反应器控制温度的方法，该方法包括加热和冷却两部分，具体步骤如下(1)加热过程蒸汽从板翅式换热器一和板翅式换热器二的上端的蒸汽进口进入，通过环管一和环管三到达板翅式换热器一和板翅式换热器二的板翅换热片，交换热量后进入环管二和环管四，然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出；(2)冷却过程冷却水从板翅式换热器一和板翅式换热器二的下端的冷却水进口进入， 通过环管二和环管四到达板翅式换热器一和板翅式换热器二的板翅换热片，交换热量后进入环管一和环管三，然后从上端的冷却水出口排出。
(备注因为外循环气升式反应器包括上升区和下降区的两个板翅式换热器，而实施例中只提到板翅式换热器二是不行的，因此关于方法部分做了相应的补充，后面实施例中也一并补充了)采用上述技术方案的积极效果本发明将板翅式换热器应用于外循环气升式反应器， 利用板翅式换热器的多个扇形板翅换热片进行热量交换，克服了夹套或蛇形管传热方式的不足，使得传热效率大大提高，有利于对温度的精确控制，有利于降低冷却水用量，甚至利用常温水即可达到控温的效果，同时，多个扇形板翅换热片也有助于促进流体湍流，增加反应器的传质系数；另外，将板翅式换热器与外循环气升式反应器之间改为活动连接，可以大大方便拆卸检修。
图1是本发明的结构示意图；图2是图1中A-A向和B-B向的俯视图；图3是本发明的另一种实施方式的结构示意图；图4是图3中A-A向和B-B向的俯视图。
图中，I外循环气升式反应器，2板翅式换热器一，3蒸汽进口和冷却水出口法兰一，4环管一，5支撑件一，6蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰一，7环管二，8蒸汽进口和冷却水出口法兰二，9环管三，10板翅式换热器二，11支撑件二，12蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰二，13环管四。
具体实施方式
下面结合实施例对 本发明的技术方案做进一步的说明，但不应理解为对本发明的限制实施例1图1是本发明的结构示意图，图2是图1中A-A向和B-B向的俯视图，结合图1、图2所示，内置板翅式换热器的外循环气升式反应器，包括外循环气升式反应器1，外循环气升式反应器I的上升区和下降区内分别设置具有多个扇形板翅换热片的板翅式换热器一2和板翅式换热器二 10，扇形板翅换热片用于交换热量，图1所示的为具有两个上升区的外循环气升式反应器。板翅式换热器一 2上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰一 3，下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰一 6，其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰一 3通过环管一 4把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰一 6通过环管二 7把扇形的板翅换热片连成一个整体，便于蒸汽或者冷却水的流动。板翅式换热器二 10上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰二 8，下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰二 12，其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰二 8通过环管三9把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰二 12通过环管四13把扇形的板翅换热片连成一个整体，便于蒸汽或者冷却水的流动。
为了方便拆卸检修，板翅式换热器一 2与外循环气升式反应器I之间为活动连接， 只要能够实现便于拆装的活动连接均可，本实施例中板翅式换热器一 2与外循环气升式反应器I为支撑件一 5和螺栓相连接。同理，板翅式换热器二 10与外循环气升式反应器I之间也为活动连接，为支撑件二 11和螺栓相连接。
图3是本发明的另一种实施方式的结构示意图，图4是图3中A-A向和B-B向的俯视图，结合图3、图4所示，图3所示的为具有一个上升区的外循环气升式反应器，其他结构与图1和图2所示的相同。
当需要时，蒸汽从板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10的上端的蒸汽进口进入，通过环管一 4和环管三9到达板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10的板翅换热片， 交换热量后进入环管二 7和环管四13，然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出；当需要冷却时， 冷却水从板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10的下端的冷却水进口进入，通过环管二 7 和环管四13到达板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10的板翅换热片，交换热量后进入环管一 4和环管三9，然后从上端的冷却水出口排出。
实施例2本实施例用于说明利用10 H l3的内置板翅式换热器的外循环气升式反应器发酵生产 L-赖氨酸的方法在培养基和管道灭菌操作中，先使蒸汽从板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10的上端的蒸汽进口进入，通过环管一 4和环管三9到达板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10 的板翅换热片，交换热量后进入环管二 7和环管四13，然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出， 当反应器内温度达到9(T95 °C时，换热器中停止通蒸汽，接着进行培养基和管道灭菌的操作。
发酵培养与结果按10%的接种量将产L-赖氨酸的大肠杆菌接入装有5 m3发酵培养基的10 m3内置板翅式换热器的外循环气升式反应器中(IL发酵培养基含葡萄糖 20 40 g/L，(NH4)2SO41. 5 1. 8 g, KH2PO41. 2 g，玉米浆 I 2 g, L-苏氨酸 O. 2 O. 4 g)，通气量为200 250 m3/h，搅拌转速100 200 r/min，发酵温度35 37 °C，流加氨水以控制pH在6. 5^6. 8，每隔2 4 h检测残糖浓度，并流加700 g/L的葡萄糖，维持残糖浓度在l(Tl5 g/L, 发酵结束前4 5 h，停止流加糖液，当残糖降至5 7 g/L时，即发酵结束，整个发酵周期约72 h。发酵过程中，使冷却水从板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10的下端的冷却水进口进入，通过环管二 7和环管四13到达板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10的板翅换热片，交换热量后进入环管一 4和环管三9，然后从上端的冷却水出口排出，冷却水进水温度为20°C左右，出水温度在25 °C左右，而发酵工艺控制温度范围为35 37 °C。
实施例3本实施例用于说明利用20 m3的内置板翅式换热器的外循环气升式反应器发酵生产乙醇的方法在培养基和管道灭菌操作中，先使蒸汽从板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10的上端的蒸汽进口进入，通过环管一 4和环管三9到达板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10 的板翅换热片，交换热量后进入环管二 7和环管四13，然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出， 当反应器内温度达到9(T95 °C时，换热器中停止通蒸汽，接着进行培养基和管道灭菌的操作。
发酵培养与结果按10%的接种量将毕赤酵母接入装有14m3发酵培养基的20m3内置板翅式换热器的外循环气升式反应器中(IL发酵培养基含葡萄糖3(T50 g/L, (NH4)2SO4 45^65g, KH2PO41. 2 g)，流加氨水以控制pH在4· 0 4· 5，通气量为2000 2500 m3/h，搅拌转速 100^150 r/min，发酵温度28 30 °C，整个发酵周期约24h。发酵过程中，使冷却水从板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10的下端的冷却水进口进入，通过环管二 7和环管四13到达板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10的板翅换热片,交换热量后进入环管一 4和环管三9，然后从上端的冷却水出口排出，冷却水进水温度为20 °C左右，出水温度在25°C左右， 而发酵工艺控制温度范围为28 31 °C。
实施例4本实施例用于说明利用50 m3的内置板翅式换热器的外循环气升式反应器发酵生产柠檬酸的方法在培养基和管道灭菌操作中，先使蒸汽从板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10的上端的蒸汽进口进入，通过环管一 4和环管三9到达板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10 的板翅换热片，交换热量后进入环管二 7和环管四13，然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出， 当反应器内温度达到9(T95 °C时，换热器中停止通蒸汽，接着进行培养基和管道灭菌的操作。
发酵培养与结果按10%的接种量将产柠檬酸黑曲霉接入装有35m3发酵培养基的 50m3内置板翅式换热器的外循环气升式反应器中(IL发酵培养基含薯干50 70 g, α-淀粉酶 80 U/g 原料，(NH4)2SO4 45 65g)，通气量为 2500 4000 m3/h，搅拌转速 100 150 r/min， 发酵温度28 30 °C，整个发酵周期约65 h。发酵过程中，使冷却水从板翅式换热器一 2和板翅式换热 器二 10的下端的冷却水进口进入，通过环管二 7和环管四13到达板翅式换热器一 2和板翅式换热器二 10的板翅换热片，交换热量后进入环管一 4和环管三9,然后从上端的冷却水出口排出，冷却水进水温度为20 °C左右，出水温度在25 °C左右，而发酵工艺控制温度范围为28 31 °C。
权利要求
1.一种内置板翅式换热器的外循环气升式反应器，包括外循环气升式反应器(I)，其特征在于所述的外循环气升式反应器(I)的上升区和下降区内分别设置具有多个扇形板翅换热片的板翅式换热器一(2)和板翅式换热器二(10);板翅式换热器一(2)上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰一(3 )，下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰一(6 )，其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰一(3)通过环管一(4)把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰一(6)通过环管二(7)把扇形的板翅换热片连成一个整体; 板翅式换热器二( 10)上端有蒸汽进口和冷却水出口法兰二(8)，下端有蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰二( 12 )，其中，蒸汽进口和冷却水出口法兰二( 8 )通过环管三(9 )把扇形的板翅换热片连成一个整体，蒸汽冷凝水出口和冷却水进口法兰二( 12)通过环管四(13)把扇形的板翅换热片连成一个整体。
2.根据权利要求1所述的内置板翅式换热器的外循环气升式反应器，其特征在于所述的板翅式换热器一(2)与外循环气升式反应器(I)之间为活动连接。
3.根据权利要求2所述的内置板翅式换热器的外循环气升式反应器，其特征在于所述的活动连接为支撑件一(5)和螺栓相连接。
4.根据权利要求1所述的内置板翅式换热器的外循环气升式反应器，其特征在于所述的板翅式换热器二(10)与外循环气升式反应器(I)之间为活动连接。
5.根据权利要求2所述的内置板翅式换热器的外循环气升式反应器，其特征在于所述的活动连接为支撑件二( 11)和螺栓相连接。
6.一种利用内置板翅式换热器的外循环气升式反应器控制温度的方法，其特征在于 该方法包括加热和冷却两部分，具体步骤如下(1)加热过程蒸汽从板翅式换热器一(2)和板翅式换热器二(10)的上端的蒸汽进口进入，通过环管一(4)和环管三(9)到达板翅式换热器一(2)和板翅式换热器二(10)的板翅换热片，交换热量后进入环管二(7)和环管四(13)，然后从下端的蒸汽冷凝水出口排出；(2)冷却过程冷却水从板翅式换热器一(2)和板翅式换热器二(10)的下端的冷却水进口进入，通过环管二( 7 )和环管四(13 )到达板翅式换热器一(2 )和板翅式换热器二( 10 ) 的板翅换热片，交换热量后进入环管一(4)和环管三(9),然后从上端的冷却水出口排出。
全文摘要
本发明涉及一种内置板翅式换热器的外循环气升式反应器，包括外循环气升式反应器(1)，所述的外循环气升式反应器(1)的上升区和下降区内分别设置具有多个扇形板翅换热片的板翅式换热器一(2)和板翅式换热器二(10)，用于热量交换，同时使用环管将板翅式换热器的扇形板翅换热片连接为一个整体。本发明还提供了利用内置板翅式换热器的外循环气升式反应器的控温方法。本发明克服了夹套或蛇形管传热方式的不足，使得传热效率大大提高，有利于对温度的精确控制，同时，多个扇形板翅换热片也有助于促进流体湍流，增加反应器的传质系数。
文档编号C12Q3/00GK103060188SQ201310033778
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者韦策, 李干禄, 吴兵, 张庆文, 陈可泉, 李晖, 凌翔, 欧阳平凯 申请人:南京工业大学