專利名稱：攪拌葉片單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及攪拌葉片單元，特別是用于氣-液混合槽中，將剛好裝設(shè)在所述葉片單元下面的噴嘴或噴射器供應(yīng)的氣體細(xì)化和分散到液體中，以便以低成本，在緊湊的空間內(nèi)高效率的吸收所述氣體的這種攪拌葉片單元。
本發(fā)明的背景在各種工藝過程中采用氣-液混合，例如在發(fā)酵、污水處理、氧化、加氫等過程中。在這些工藝過程中，這樣的通風(fēng)攪拌，由于通風(fēng)和攪拌的作用可以滿足在需氧的發(fā)酵培養(yǎng)過程中所需的氧氣量，但是實際上，在許多這樣氣-液混合的情況中，生產(chǎn)率是由使用的發(fā)酵槽中氧氣的供應(yīng)能力所決定。氣-液混合的主要目的將是分散和細(xì)化氣泡，將氣體組分吸收到液體中。對應(yīng)用攪拌槽在氣-液接觸中形成氣體吸收，下述的關(guān)系表達(dá)式是眾所周知的。(工業(yè)工程化學(xué)(Ind.Eng.Ches.)45卷2554頁(1944年))KLa∝Pvα×Usβ在上面式中KL液體攪拌中的質(zhì)量傳遞系數(shù)a每單位體積氣-液接觸面積Pv每單位體積攪拌功率Us表面氣體速度α、β常數(shù)。
為了提高氣體吸收的效率，必須解決怎樣增加氣-液接觸面積的問題，也就是怎樣使氣泡的尺寸最小和分散它們的問題。因為，上述表達(dá)式中KL是由材料的固體狀態(tài)特性和流體狀態(tài)決定的。但是實際上是增加攪拌功率Pv和通風(fēng)能力Us來解決這個問題的。
此外，為了達(dá)到上述目的，在攪拌功率和通風(fēng)能力兩者受到抑制，不可能盡量增大時必須采取措施有效地細(xì)化氣泡，也必須開發(fā)更有效的攪拌葉片單元。在最近幾年里，提出了一種葉片單元，它可以有效地混合氣體和液體，而不會損壞微生物(未審查的公開的日本專利申請5-103956號)，提出了一種發(fā)酵槽改進(jìn)方法，它通過在目標(biāo)發(fā)酵槽中固定一個金屬絲網(wǎng)以便包圍攪拌葉片單元，這樣可以提高酵素移動能力系數(shù)(Kla)(已審查的公開的日本專利申請3-4196號)，提出了一種混合和氣-液接觸的有效方法，它是在攪拌葉片單元的尖端提供氣體入口(已審查的公開的日本專利申請57-60892號)，提出了一種攪拌葉片單元，它可以使用能一起轉(zhuǎn)動一對螺旋槳和穿孔的圓筒的攪拌葉片單元有效地提高攪拌的混合(未審查的公開的日本專利申請6-85862號)，等等，而且已經(jīng)確認(rèn)了它們的效果。
但是實際上通過增加上述攪拌功率和通風(fēng)能力將很難改進(jìn)氣體的吸收。因為這些因素的增加伴隨著設(shè)備尺寸的擴大和能量消耗的增加。當(dāng)要增加攪拌功率時，想到的措施是增加攪拌的轉(zhuǎn)動速度和增加葉片的尺寸，但是這些措施將需要與攪拌有關(guān)的某些部件的改進(jìn)和加強，例如攪拌器本身的改造、增加攪拌槽的強度等。特別是，在現(xiàn)有的設(shè)備上將很難應(yīng)用上述的這樣改進(jìn)和加強措施，這是由于結(jié)構(gòu)上的原因，在許多情況下是費用的問題。
還有，當(dāng)以工業(yè)規(guī)模操作最近幾年開發(fā)的那些裝置中的任何一個時，將會產(chǎn)生各種問題，如必須更大地增加轉(zhuǎn)速以便獲得所希望的效果，設(shè)備在結(jié)構(gòu)上將變得更加復(fù)雜，設(shè)備的尺寸將變得更大(從而使它不能固定到目標(biāo)的攪拌槽中)等等。當(dāng)葉片單元的功率特性與常規(guī)的葉片單元，如透平機葉片等的功率特性不同時，葉片的尺寸將變得更大。因此在這樣的情況下，將很難把該葉片單元應(yīng)用到任何現(xiàn)有攪拌設(shè)備中。
本發(fā)明的公開在這樣的環(huán)境下，本發(fā)明的目的是解決上述先有技術(shù)的各種問題，并提供緊湊的攪拌葉片單元，它應(yīng)用在氣-液混合槽中可以更有效地吸收氣體。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供排出型攪拌葉片單元，其中在攪拌葉片單元的四周形成穿孔的圓筒，以便與攪拌葉片單元的軸一起轉(zhuǎn)動。在本發(fā)明中與軸一起轉(zhuǎn)動的穿孔圓筒的開孔率應(yīng)該在30％到50％。
附圖的簡要描述

圖1是本發(fā)明的攪拌葉片單元的示意圖(當(dāng)使用圓筒形葉片單元作為內(nèi)部攪拌葉片單元時)；圖2是一個例子，它將圖1中所示的攪拌葉片單元連接到本發(fā)明第一例子中的攪拌槽。
實現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式下面，將參考附圖描述本發(fā)明的幾個實例。
圖1是本發(fā)明實例的攪拌葉片單元的示意圖。本發(fā)明攪拌葉片單元基本結(jié)構(gòu)的特征在于，在排出型內(nèi)部攪拌葉片單元的圓周形成穿孔的圓筒2，攪拌葉片單元裝設(shè)有防止氣泡向上的盤。穿孔的圓筒2與攪拌單元1的軸一起轉(zhuǎn)動。在圖1中，內(nèi)部攪拌單元1形成為圓筒葉片單元。內(nèi)部攪拌葉片單元1一般是排出型攪拌葉片單元，其用于發(fā)酵槽中的氣-液混合等。葉片單元的結(jié)構(gòu)是這樣，使得在水平方向由葉片單元排出的氣-液流肯定打中在葉片單元周圍形成的穿孔的圓筒。當(dāng)應(yīng)用排出型攪拌葉片單元作為內(nèi)部攪拌葉片單元1時，從葉片單元排出的氣-液流可以垂直地打中穿孔的圓筒2，從而顯著地改變流動的壓力。因此在本發(fā)明中使用排出型攪拌葉片單元。它不是軸向流動型。因為氣-液流打中穿孔的圓筒時引起的壓力變化，使氣泡變細(xì)并更快地被吸收。此外，由于穿孔的圓筒與軸一起轉(zhuǎn)動，穿孔的圓筒可以非常靠近葉片單元的尖端，在那里排出的氣流將獲得最大的壓力變化。如果穿孔的圓筒是固定在攪拌槽中，在葉片單元和穿孔的圓筒之間必須要有間隙，以便防止它們之間發(fā)生碰撞。這樣將不能獲得最大的壓力變化，氣體吸收的效率也將降低。
本發(fā)明的內(nèi)部攪拌葉片單元可以是平的透平葉片單元，斜的透平葉片單元、凹的葉片單元、圓筒形葉片單元等等，只要它們是排出型的。
用于本發(fā)明攪拌葉片單元的穿孔的圓筒應(yīng)有35％到45％的穿孔率。結(jié)構(gòu)應(yīng)是穿孔的金屬或有孔的圓筒體。穿孔的圓筒2的高度L和直徑r應(yīng)是內(nèi)部攪拌葉片單元的葉片的寬度b的1.5到3倍和內(nèi)部攪拌葉片單元的直徑d的1.01到1.05倍。穿孔的圓筒2的材料可以是陶瓷、不銹鋼、鐵等，只要它有足夠的使用強度。
內(nèi)部攪拌葉片單元1和穿孔的圓筒2可按如下方法連接起來將穿孔的圓筒焊接或螺栓連接到內(nèi)部攪拌葉片單元的尖端，或者將穿孔的圓筒的突緣連接到內(nèi)部葉片單元的盤上，以便固定穿孔的圓筒。此外，穿孔的圓筒2應(yīng)這樣定位，使內(nèi)部攪拌葉片單元的葉片在穿孔的圓筒的中心。
還有，在這個發(fā)明中，如空氣這樣的氣體可以用剛好裝設(shè)在本發(fā)明的攪拌葉片單元之下的單孔噴嘴、多孔噴嘴、噴射器等排氣。通風(fēng)的方法沒有特別的限制。
這樣，本發(fā)明的攪拌葉片單元可以更好地細(xì)化氣泡，從而比先有技術(shù)的攪拌葉片單元提高氣-液混合槽中的氣體吸收效率(對加氫等)。
實例下面，本發(fā)明將參考實例進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。
實例1本發(fā)明的第一實例將參考圖2解釋。
圖2是測量用的整個攪拌葉片單元的橫剖面圖。攪拌槽是圓筒形的攪拌槽，其裝有70升的透明丙稀酸的蓋。槽的底經(jīng)過鏡面處理(10％端部形狀)。此外，8個30毫米寬擋板對稱地連接到槽的壁上。液體的深度HL按對槽的直徑HL/D＝1(D＝400mm(毫米))確定。然后用亞硫酸鹽氧化法，通過測量在上述攪拌槽中攪拌葉片單元的氧氣傳遞速率OTR(氧氣傳遞速率的屬名OTR ∝ Kla)來檢查本發(fā)明的效果。在上述測量時本發(fā)明的攪拌葉片單元剛好放在靠近槽的底部裝設(shè)的噴射器噴嘴的上面，從噴嘴供應(yīng)的氣體速率為0.85VVM(氣體體積/裝入液體體積每分鐘)。在這種情況下，使用8個透平葉片和圓筒形葉片(每個葉片都是直徑d＝110mm，寬度b＝21mm)作為本發(fā)明的內(nèi)部葉片單元。使用穿孔的金屬(直徑r＝115mm，高度h＝50mm，穿孔率＝38％，孔直徑＝2mm)作為穿孔的圓筒。如表1所示，當(dāng)使用本發(fā)明的葉片單元時，與先有技術(shù)一般用于氣-液混合的8個透平葉片單元或“EGSTAR”(EBLE(公司)的產(chǎn)品名稱)相比，在相同的攪拌功率(Pv＝1kw/m3)下氧氣傳遞率OTR最大提高達(dá)26％。在這個試驗中所用的8個透平葉片單元是通過將平板狀葉片與盤連接得到的攪拌葉片單元(葉片直徑d＝110mm，寬度b＝21mm)。該“EGSTAR”葉片單元是包括一對螺旋槳葉片和一起轉(zhuǎn)動的穿孔的圓筒，以便提高攪拌混合效率的攪拌葉片單元(葉片直徑d＝200mm，圓筒高度L＝200mm)(描述在審查的已
公開日本專利申請6-85862號中)。
表1攪拌葉片單元之間氧氣傳遞速率的比較
*OTR差指的是以8-透平-葉片單元OTR假設(shè)為1時每個攪拌葉片單元的值。
然后，通過改變上面解釋的本發(fā)明攪拌葉片單元中所用的穿孔的圓筒的穿孔率，在上述的相同的條件下測量氧氣傳遞速率OTR的變化。表2表示當(dāng)穿孔的圓筒的穿孔率分別為0、30、35、44、50和55％時所得到的測量結(jié)果。表2中OTR值是在攪拌功率為1kw/m3時的值。當(dāng)表2中穿孔率在30到50％時發(fā)現(xiàn)，氧氣傳遞速率高于8-透平葉片單元的值。當(dāng)穿孔率更大時，排出的流量通過穿孔的圓筒更加容易。所以在穿孔的圓筒內(nèi)和外兩邊產(chǎn)生的壓力變化變得更小。此外，當(dāng)穿孔率更小時由于穿孔的圓筒的作用，對流動的阻力變得非常大。這樣，排出的流量不能通過穿孔的圓筒。
表2穿孔率變化引起的氧氣傳遞速率的差別
>*OTR差指的是以8-透平葉片單元OTR假設(shè)為1時每個攪拌葉片單元的值。
實例2本發(fā)明的攪拌葉片單元連接到2.5m3(立方米)的發(fā)酵槽中，用亞硫酸鹽氧化法測量氧氣傳送速率OTR。攪拌的條件如下液體體積是1.5m3，通風(fēng)體積是1/3VVM，溫度是30℃。使用剛好裝設(shè)在攪拌葉片單元下面的噴射器噴嘴進(jìn)行通風(fēng)就象第一實施方案中一樣。在這種情況下，使用圓筒形葉片單元(葉片直徑d＝500mm，寬度b＝80mm)作為內(nèi)部攪拌葉片單元，使用穿孔的金屬(直徑r＝510mm，高度h＝190mm，穿孔率＝40％，孔直徑＝5mm)作為穿孔的圓筒。在比較試驗中，使用8-透平葉片單元(葉片直徑d＝500mm，寬b＝80mm)代替本發(fā)明的一個攪拌葉片單元。試驗條件與上述試驗條件相同。
在上述條件下測量得到的結(jié)果，其OTR提高約25％到107.7摩爾/立方米.小時，而在攪拌功率1kw/m3時8-透平葉片單元的氧氣傳遞速率為86.4摩爾/立方米.小時。
應(yīng)用實例1將本發(fā)明的攪拌葉片單元連接到2.5M3的發(fā)酵槽中，用描述在審查的公開的日本專利申請52-024593號中的短桿菌flavumQBS-4 FERM P-2308如下發(fā)酵L-谷氨酸。
首先，調(diào)配包括表3中表示的各組分的培養(yǎng)基，以20亳升(ml)為單位輸送到500ml燒瓶中，在115℃下加熱10分鐘進(jìn)行殺菌。然后接種培養(yǎng)。
表3種子培養(yǎng)基
接著調(diào)配表4中表示的主培養(yǎng)基，并在115℃下殺菌10分鐘，在此之后，在31.5℃溫度下2.5M3的發(fā)酵槽中接種和主培養(yǎng)種子培養(yǎng)基液體。在這種情況下，攪拌條件如下轉(zhuǎn)速為175轉(zhuǎn)/分(rpm)，通風(fēng)體積為1/2VVM。為了通風(fēng)，與實例1一樣使用剛巧裝設(shè)在攪拌葉片單元下面的噴射器噴嘴。作為用于培養(yǎng)的攪拌葉片單元，分別使用用于培養(yǎng)的8-透平葉片單元(葉片直徑d＝500mm，寬度b＝80mm)和本發(fā)明的攪拌葉片單元。使用圓筒形葉片單元(葉片直徑d＝500mm，寬b＝80mm)作為本發(fā)明的內(nèi)部攪拌葉片單元。使用穿孔金屬(直徑r＝510mm，高度h＝190mm，穿孔率＝40％，孔直徑＝5mm)作為穿孔的圓筒。在培養(yǎng)中用氨氣把培養(yǎng)基pH值調(diào)整到7.8。當(dāng)培養(yǎng)液中的Succharum消耗盡時結(jié)束發(fā)酵，并測量在培養(yǎng)液中累積的L-谷氨酸。表5表示培養(yǎng)的結(jié)果。
結(jié)果是，當(dāng)使用本發(fā)明的攪拌葉片單元時，氧氣傳遞速率提高了，從而使L-谷酸氨生產(chǎn)率從2.51克/升/小時提高約25％到3.14克/升/小時(g/l/hr)，如表5中表示的那樣。
表4主培養(yǎng)基<
表5培養(yǎng)結(jié)果<
工業(yè)的可應(yīng)用性本發(fā)明的排出型攪拌葉片單元的特征在于，穿孔的圓筒在葉片單元周圍與攪拌軸一起轉(zhuǎn)動，并有穿孔率30-50％。這樣葉片單元使從葉片單元排出的氣-液流能打中穿孔的圓筒，顯著地改變氣-液流的壓力。結(jié)果氣泡能有效地細(xì)化從而提高在氣-液混合槽中氣體吸收的效率，以及獲得節(jié)約能源的效果。
還有，當(dāng)改進(jìn)使用排出型葉片單元如透平葉片單元的現(xiàn)有攪拌槽時，僅需要用本發(fā)明的葉片單元代替攪拌葉片單元來提高性能。不需要其他重要的修改，如替換馬達(dá)和減速機，加強攪拌槽，因為在現(xiàn)有的葉片單元和本發(fā)明的葉片單元之間功率特征并沒有多大差別。
本發(fā)明的攪拌葉片單元對發(fā)酵槽，通氣池，反應(yīng)罐(加氫和氧化)等將都是有用的。
權(quán)利要求
1.一種排出型攪拌葉片單元，其中，在所述攪拌葉片單元周圍形成與攪拌軸一起轉(zhuǎn)動的穿孔的圓筒。
2.按照權(quán)利要求1所述的攪拌葉片單元，其中，與所述攪拌軸一起轉(zhuǎn)動的所述穿孔圓筒的開孔率是30到50％。
3.按照權(quán)利要求1所述的攪拌葉片單元，其中，所述攪拌葉片單元是平的透平葉片單元、斜的透平葉片單元、凹的葉片單元或圓筒形葉片單元。
4.按照權(quán)利要求1所述的攪拌葉片單元，其中，所述穿孔的圓筒的結(jié)構(gòu)是穿孔的金屬或有孔的圓筒體。
5.按照權(quán)利要求1所述的攪拌葉片單元，其中，所述穿孔的圓筒的高度是所述攪拌葉片單元的寬度的1.5到3倍，和所述穿孔的圓筒的直徑是所述攪拌葉片單元的直徑的1.01到1.05倍。
全文摘要
為了提高在氣－液混合槽中氣體的吸收特性,可以增加攪拌功率和通風(fēng)量。但是在實際工業(yè)規(guī)模中,這樣的措施將導(dǎo)致設(shè)備的擴大和所需能量的增加。所以,不是很容易就可提高氣體吸收特性。還有,當(dāng)以工業(yè)規(guī)模操作最近開發(fā)的攪拌葉片單元時,葉片單元的轉(zhuǎn)速必須增加很多以便獲得一定的攪拌效果。轉(zhuǎn)速的增加也將造成其他問題,如設(shè)備結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜和擴大(攪拌葉片單元不能很容易地固定到攪拌槽中)。在這樣的環(huán)境下,本發(fā)明的目的是解決這樣先有技術(shù)的問題和提供一種可以有效地吸收氣體的氣－液混合葉片單元,以及它可以減小制造成本和安裝空間兩者。為了達(dá)到上述的目的,本發(fā)明的攪拌葉片單元的特征在于,在排出型內(nèi)部攪拌葉片1的周圍形成穿孔的圓筒2,以便與攪拌軸一起轉(zhuǎn)動。穿孔的圓筒的開孔率是30到50%。內(nèi)部攪拌葉片單元1使用排出型攪拌葉片單元,這種攪拌葉片單元一般用于發(fā)酵槽作氣－液混合。這樣,從葉片單元水平方向排出的氣－液流肯定打中在葉片單元周圍形成的穿孔的圓筒。由于這個氣－液流打中穿孔圓筒,流動的壓力顯著地改變,從而使氣泡細(xì)化。結(jié)果提高了氣體吸收特性。本發(fā)明的攪拌葉片單元將適合用于發(fā)酵、通風(fēng),反應(yīng)(加氫和氧化)罐等所需的氣、液混合。
文檔編號B01F7/16GK1244136SQ98801935
公開日2000年2月9日 申請日期1998年1月14日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月20日
發(fā)明者門田尚洋, 寺谷貴孝, 伊藤壽夫, 池田順 申請人:味之素株式會社