专利名称：用于转鼓式生物浸出反应器的气体分布器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及生物冶金和生物浸矿反应器设备领域，特别涉及一种用于转鼓式 生物浸出反应器的气体分布器，在转鼓式生物浸出反应器中进行气体预分散与溶氧供应。
背景技术：
用于微生物冶金的反应器有气升式反应器、搅拌式反应器和气泡柱反应器等，可 用于金精矿和镍、钴、锌等硫化矿精矿的生物浸出。具体操作是将待浸矿石粉碎后置于反应 器中浸出，浸出过程中需要使矿物与浸出液充分混合，同时也使气液接触，为浸矿细菌提供 充足的O2和co2。这些反应器内矿浆均勻混合和气液传质需要通过机械搅拌或空气搅拌方 式来实现，由于存在较大的剪切力和矿物颗粒研磨等问题，这些反应器都无法适应高矿浆 浓度。最近提出的用于微生物浸出的转鼓式反应器(CN200610144193)可适应高矿浆浓度 下的生物浸出，仍需要专门设计合适的气体分布器，以促进气液传质和溶氧供应，改善转鼓 式反应器内的气体分布状况。最早的气体分布器是Foust (Ind Eng Chem，1944，36 :517_522)采用的单孔垂直 管分布器，把空气直接通入发酵罐的底部。随着气体分布器的研究进展和认识提高，开始 采用开孔式环管式空气分布器，如Nienow等(Biotechnol Bioeng，1979，21 =2341-2345), Geldart 等(Powder Technol，1985,42 :67_78)、Rewatkar 等(Chem Eng Comm, 1991，102 1-33 ；Can J Chem Eng，1993，71 :226_237)、Chyang 等(Chem Eng Technol，2007，30 1700-1707)设计了开有许多小孔的多孔水平管分布器、水平分布环、同心分布环簇和锥型 分布器，其中水平分布环被大量地用于气液两相和下沉颗粒的气液固三相中。对于鼓泡式 反应器或搅拌鼓泡式反应器，常采用环管式气体分布器，使气体均勻分布在液体中。也有报 道表明圆环多孔气体分布器比锥体气体分布器更适合应用于碳化塔内。这种气体分布器被 大量用于带有搅拌桨的反应器中，通过结合搅拌作用来提高反应器内的颗粒分布和气体分 散状况。除了增加气液界面扰动，如增大表观气速和提高搅拌速度等来促进气液传质外， 还可以通过减小气泡直径，增大气液传质面积，从而达到较高的传质速率。如特殊加工而 成的烧结式分布器以其良好的气体分布效果而被深入研究并得到应用，如Chisti等(Chem Eng Comm, 1987,60 195-242)使用Φ 100 μ m的烧结板在2L气升罐中进行了单克隆抗体 的培养；Wu(Bioprocess Eng，1992，8 185-187)在谷氨酸发酵中用Φ40-50μπι的烧结板 作为分布器，使气升式反应器的传质能力大为提高。郝建欣等(过程工程学报，2002，2: 443-447)采用孔径80 μ m玻砂气体分布器的气升式光反应器培养盐藻生长快、周期短，可 同时获得较高的细胞密度和胡萝卜素含量。Lin等(Chem Eng J，2004，102 :51_59)表明在 内循环气升式反应器中烧结多孔板比穿孔板式分布器对气体分布更有利。目前报道的这类 微孔气体分布器大多是用于搅拌式或气升式反应器，由于表面微孔的孔径较大，用于转鼓 式生物浸出反应器，容易被矿物颗粒堵塞。流化床反应器则采用气体预分布器或气体分布 板，使气体均勻分布，以形成良好的初始流化条件，同时支承固体颗粒。[0005]近年来有关气体分布器的专利，如CN1074837A公开了一种管状金属微孔膜构 成的多管式膜气体分布器，可适用于化工生产与分离领域中的各种气液接触设备中。 CN101497015A提出了一种流化床用锥体气体分布器，能有效减少压降、降低能耗，有效避免 传统多孔板气体分布器的杂质堵塞问题。CN101480593A公开了一种结构新型的合成塔内件 气体分布器，能很好解决流动气体的偏流现象，确保反应器内气体分布的均勻程度和在触 媒筐内的均衡分布。CN101486466A公开了一种用于生产三氯氢硅的流化床反应器内的气体 分布器，可以使反应器的结构更为简洁，流化质量更高，生产能力更大。以及气-液等多相 体系的磁传动旋转气体分布装置(CN179573A)、合成式气体分布器(CN101607184A)、双层 折流气体分布器(CN1887400A)等。然而，现有的气体分布器都无法直接应用于转鼓式生物 浸出反应器中，需要专门研制适用的气体分布器。鉴于烧结式气体分布器表面微孔对气体有预分散作用，而生物反应器内气体分布 器的设计可直接影响反应器的气液传质和流动特性等。本实用新型是针对转鼓式生物浸矿 反应器研制适用的气体分布器，结合气体分布器的结构、尺寸和位置等对气体的分散行为、 浸出体系中矿浆混合等的影响，以解决高矿浆浓度下生物浸出体系中的气液传质与溶氧供 应的问题。
实用新型内容本实用新型的目的在于，研制适用于转鼓式生物浸矿反应器的气体分布器，解决 高矿浆浓度下生物浸出体系中的气液传质与溶氧供应的问题，从而提供了一种用于转鼓式 生物反应器中的气体分布器。为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于转鼓式生物反应器中的气体分布 器，其特征在于，所述的气体分布器包括进气管1、分支导气管2和气体分布管3;所述的 进气管1穿设固定于转鼓一端的水平固定轴上，该进气管1位于转鼓内的出气端通过分支 导气管2连通至若干气体分布管3 ；所述的分支导气管2呈半圆形；所述的若干气体分布管 3沿转鼓的轴向平行设置。作为上述技术方案的一种改进，所述的若干气体分布管3沿转鼓的周向均勻分布 于半圆周上。作为上述技术方案的又一种改进，所述的气体分布器还进一步包括出气管4，所述 的出气管4呈L形，且穿设于转鼓一端的水平固定轴上，其位于反应器内的一端沿径向设 置，其末端膨大部分为圆柱形多孔式气体收集管，该多孔式气体收集管保持在液面以上，其 顶端表面密封、侧面开孔。作为上述技术方案的再一种改进，所述的气体分布管通过支架连接在恒温水浴蛇 管上加固。作为上述技术方案的还一种改进，所述的气体分布管采用陶瓷、烧结玻璃、不锈钢 或硬质塑料材料制成，管壁上均勻分布微孔。在实际使用中，用于转鼓式生物浸出反应器中气体分布器的操作条件为气体分 布器气速为2 lOm/s ；气体分布器进口压力为0. 1 0. 5MPa ；气体分布器进口温度为 30 35°C，接近浸出体系温度；进入气体分布器的气体为压缩空气或富含O2和CO2的压缩 空气；通气量为2 30L/min，可随反应器的放大而增加通气量。通过本实用新型气体分布器产生的气泡其初始直径都小于1mm，且分散均勻。本实用新型的优点在于该用于转鼓式生物浸出反应器的气体分布器(1)通过气 体分布管表面的微孔产生微小气泡，可实现气体的预分散，而转鼓式反应器内较高的矿浆 浓度抑制气泡聚并，有利于增加气一液接触面积，促进气液传质和溶氧供应充分。(2)通过 气体分布器容易直接导入压缩空气或富含O2和CO2的压缩空气，而且由于气泡的上升流动， 可促进矿浆颗粒的混合传递和均勻分布。(3)根据转鼓反应器的内径大小，容易通过增加气 体分布管的排列层数和长度，以满足转鼓式反应器放大的要求。
图1本实用新型气体分布器的侧面示意图。图2本实用新型气体分布器的轴向垂直截面示意图。图3采用了本实用新型气体分布器的转鼓式生物反应器结构示意图。附图标记1.进气管2.分支导气管3.气体分布管4.出气管5.固定水平轴6.固定支架7.挡板8.恒温水浴蛇管9.转鼓
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
，对本实用新型的结构进行进一步详细的说明。如图1所示，本实用新型的气体分布器包括进气管1、分支导气管2、气体分布3 管和出气管4。所述的进气管1穿设固定于转鼓9 一端的水平固定轴上，单根进气管进入转 鼓内，进气管一端连接分支导气管2，经由分支导气管2连通至若干气体分布管3，气体分布 管可以是若干层，沿转鼓轴向设置，并通过固定支架6连接在恒温水浴蛇管8上加固，如图 3所示，多根其他分布管与轴向垂直的截面上呈弧形分布，分支导气管呈半圆形，如图2所 示。出气管4呈L形，如图1所示，且穿设于转鼓一端的水平固定轴5上，其位于反应器内 的一端沿径向设置，其末端膨大部分为圆柱形多孔式气体收集管，该多孔式气体收集管保 持在液面以上，其顶端表面密封、侧面开孔。基于本实用新型的气体分布器的转鼓式反应器还通过转鼓内部挡板7直接提升 矿物颗粒进行矿浆均勻混合。实施例1用于转鼓式生物浸出反应器的气体分布器研究固体颗粒在采用本实用新型气体分布器的转鼓生物反应器内径向上的分布 和影响固体颗粒分布的操作参数，通过注射器取样测定局部固含率的方法表征径向截面上 固体颗粒的分布。以氧化铝颗粒作为模拟颗粒，粒径范围是0.01mm到0.15mm。取样位置设 定在不同方向(Θ =-90°，-45°，0°，45°，90° )和离轴中心不同距离r (27. 5mm，55mm， 85mm)上。在实验过程中，反应器内总平均固含率基本保持恒定。发现在低通气速率下大部 分取样点的固含率都显著偏离整个反应器的平均固含率；随通气速率的提高，垂直方向的 局部固含率趋向于整个反应器的平均固含率。在低通气速率下，提高转速能够改善固体颗 粒的空间分布；高通气速率下，当转速从2. Or/min增加到3. 33r/min时，大部分取样点局部 固含率的差异不明显。表明提高通气速率和转速能显著提高流体的局部速度和湍流强度。在通气速率为6L/min和转速为3. 33r/min下，颗粒能够克服重力的作用，分散到整个反应 器，获得比较均勻的分布。意味着在转鼓式反应器中采用本实用新型气体分布器，可以通过 改变通气速率改善反应器内的矿物颗粒分散状况。实施例2用于转鼓式生物浸出反应器的气体分布器考察转鼓生物反应器中的体积质量传递系数。采用溶氧电极动态法测定，数据通 过A/D转换，由计算机采集。实验体系为自来水和Al2O3粉末，其粒径分布为接近70%颗粒小 于110 μ m。在完成的一次测定之后，通入氮气驱走体系中的氧气，当其中氧浓度接近于0 时通入空气，计算机同时记录信号。在转鼓生物反应器中引入本实用新型气体分布器，以微 滤陶瓷膜作为气体分布管，能产生1. Omm左右的微小气泡。在固含率10%、转速3. 33r/min, 通气速率20L/min(l. 43vvm)的条件下，转鼓生物反应器的为0. 0697s—1，接近搅拌罐在 固含率10%、转速548. Or/min、通气速率5. OL/min(l. Ovvm)条件下的kLa值为0. 0703s人 当转速固定时，随通气速率的增加明显增大。如转速为1. 67r/m，通气速率为4L/min增 加到20L/min时，kLa值由0. 0326s-1增加到0. 0807s-1。当通气速率固定时，kLa值增加则不 显著。结果表明在转鼓式生物浸矿反应器中，采用本实用新型气体分布器，在较小的转速和 通气量下也能获得较大的体积质量传递系数，可以满足反应器内气液传质和溶氧供应的要 求，有利于减小剪切作用和降低能耗。
权利要求1.一种用于转鼓式生物反应器中的气体分布器，其特征在于，所述的气体分布器包括 进气管(1)、分支导气管(2)和气体分布管(3)；所述的进气管(1)穿设固定于转鼓一端的水平固定轴上，该进气管(1)位于转鼓内的 出气端通过分支导气管(2)连通至若干气体分布管(3)；所述的分支导气管(2)呈半圆形；所述的若干气体分布管(3)沿转鼓的轴向平行设置；
2.根据权利要求1所述的气体分布器，其特征在于，所述的若干气体分布管(3)沿转鼓 的周向均勻分布于半圆周上。
3.根据权利要求1所述的气体分布器，其特征在于，所述的气体分布器还进一步包括 出气管(4)，所述的出气管(4)呈L形，且穿设于转鼓一端的水平固定轴上，其位于反应器内 的一端沿径向设置，其末端膨大部分为圆柱形多孔式气体收集管，该多孔式气体收集管保 持在液面以上，其顶端表面密封、侧面开孔。
4.根据权利要求1所述的气体分布器，其特征在于，所述的气体分布管通过支架连接 在恒温水浴蛇管上加固。
5.根据权利要求1所述的气体分布器，其特征在于，所述的气体分布管采用陶瓷、烧结 玻璃、不锈钢或硬质塑料材料制成，管壁上均勻分布微孔。
专利摘要本实用新型涉及一种用于转鼓式生物浸出反应器的气体分布器，所述的气体分布器包括进气管、分支导气管和气体分布管；所述的进气管穿设固定于转鼓一端的水平固定轴上，该进气管位于转鼓内的出气端通过分支导气管连通至若干气体分布管；所述的分支导气管呈半圆形；所述的若干气体分布管沿转鼓的轴向平行设置，沿转鼓的周向均匀分布于半圆周上；所述气体分布器还进一步包括出气管，所述的出气管穿设于转鼓一端的水平固定轴上，其末端膨大部分为圆柱形多孔式气体收集管，保持在液面以上。本实用新型是针对转鼓式生物浸矿反应器研制适用的气体分布器，解决了高矿浆浓度下生物浸出体系中的气液传质与溶氧供应的问题。
文档编号C22B3/08GK201785460SQ201020274510
公开日2011年4月6日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者丛威, 伍志春, 刘国梁, 温树梅, 石绍渊, 金建 申请人:中国科学院过程工程研究所