項(xiàng)目 3 反應(yīng)設(shè)備

項(xiàng)目3反應(yīng)設(shè)備Reactor化學(xué)反應(yīng)設(shè)備ChemicalReactor：釜式反應(yīng)器和鼓泡塔反應(yīng)器生物反應(yīng)設(shè)備：機(jī)械攪拌式發(fā)酵罐和氣升式發(fā)酵罐Cut-awayviewofastirred-tankchemicalreactorwithacoolingjacket

均相反應(yīng)器的選擇原料預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)品分離化工生產(chǎn)過(guò)程常見(jiàn)的均相反應(yīng)器釜式反應(yīng)器管式反應(yīng)器ChemicalReactorsAnindustrialchemicalreactoriscomplexdeviceinwhichheattransfer,masstransfer,diffusionandfrictionmayoccuralongwithchemicalreactionwithprovisionsofsafetyandcontrols.Arevesselsdesignedtocontainchemicalreactions.Thesearethetwomainbasicvesseltypes:tankpipeBasicPrinciples:Allchemicalprocessesarecenteredinachemicalreactor.ThedesignofachemicalreactorIsthemostimportantfactorindeterminingtheoverallprocesseconomics.Atthestartthedesignwork,thefollowinginformationispresumablyavailable:.ReactionType.Needforcatalyst.Phasesinvolve.Themodeoftemperatureandpressurecontrol,and.ProductioncapacityReactionTypesDirectCombinationorSynthesisReaction A+B=ABChemicalDecompositionorAnalysisReaction AB=A+BSingleDisplacementorSubstitutionReaction A+BC=AC+BMetathesisorDoubleDisplacementReaction AB+CD=CBInadditiontothebasicdata,include:AheatandmasstransfercharacteristicsPhysical,chemicalandthermodynamicpropertiesofcomponentstakingpartinthereaction.CORROSION-erosioncharacteristicsofanypotentialhazardassociatedwithreactionsystem.ReactionRateEndothermicReactions

“within-heating”describesaprocessorreactionthatabsorbsenergyintheformofheat.ExothermicReactions

Releaseenergyintheformofheat,light,orsound.

?S>0?H<0ApplicationsofDifferentialMassBalanceIdeal(stirred)BatchreactorIdealtankreactor,alsonamedContinuousStirredTankReactor(CSTR)IdealPlugFlowReactor(PFR)

MassTransfer

Isthephrasecommonlyusedinengineeringforphysicalprocessesthatinvolvemolecularandconvectivetransportofatomsandmoleculeswithinphysicalsystem.Transferofmassfromhighconcentrationtolowconcentration.HeatTransferIsthetransitionofthermalenergyfromaheateditemtoacooleritem.TransferofThermalEnergyModesOfHeatTransfer

jacket,internalcoils,externalheatexchanger,coolingbyvaporphasecondensationfiredheater.JacketInternalCoilExternalHeatExchangerCoolingbyVaporPhaseCondensationHeatExchangeinPackedReactorsChemicalReactorcanbeoperatedin:

1.BatchModes2.SemiContinuousModes3.ContinuousModesBATCHREACTOROneinwhichfeedmaterialistreatedasawholeforafixedperiodoftime.TypesofCoolingJacket:

SingleExternalJacket

Consistsofanouterjacketwhichsurroundsthevessel.Heattransferfluidflowsaroundthejacketandisinjectedathighvelocityvianozzles.Thetemperatureinthejacketisregulatedtocontrolheatingorcooling.SingleExternalJacket

Thehalfcoiljacketismadebyweldingahalfpipearoundtheoutsideofthevesseltocreateasemicircularflowchannel.Alargereactormayuseseveralcoilstodelivertheheattransferfluid.HalfCoilJacketHalfCoilJacket

Hasaseriesof20ormoresmalljacketelements.Thetemperaturecontrolvalveoperatesbyopeningandclosingthesechannelsasrequired.ConstantFluxCoolingJacketConstantFluxCoolingJacketSCHEMATICDIAGRAMOFCRUDESEWAGESemiBatchReactorOneormorereactantisinabatchmodes,whilecoreactantisfedandwithdrawncontinuously.SchematicDiagramofSemiBatchStirredTankReactorConsistofatankfittedwithamechanicalagitatorandacoolingjacketorcoils.ContinuousStirred-TankReactor

(CSTR)Oneormorefluidreagentsareintroducedintoatankreactor.Residencetime–averageamountoftimeadiscretequantityofreagentsspendinsidethetankResidencetime=volumetricflowrate volumeofthetankSomeImportantAspectsoftheCSTR:Atsteadystate,theflowrateinmustbeequalthemassflowrateout.AllcalculationsperformedwithCSTR’sassumeperfectmixing.Thereactionproceedsatthereactionrateassociatedwiththefinal(output)concentration.EconomicallybeneficialtooperateinseriesorinparallelSmallCSTRoperatinginserieswouldbeequivalenttoaPFR.PlugFlowReactor

塞流式反應(yīng)器(PFR)

OneormorefluidreagentsarepumpedthroughapipeortubeSomeImportantAspectsofthePFR:AllcalculationsperformedwithPFR’sassumenoupstreamordownstreammixing.Reagentsmaybeintroducedintothereactor’sinletHasahigherefficiencythanaCSTRatthesamevalue.SchematicDiagramofPlugFlowReactorTubularFlowReactor

管式流動(dòng)反應(yīng)器(TFR)aregenerallyusedforgaseousreactionsbutarealsosuitableforsomeliquid-phasereactions.SomeImportantAspectsoftheTFR:ChemicalreactionstakeplaceinastreamofgasthatcarriesreactantsfromtheinlettotheoutletThecatalystsareintubesUniformloadingisensuredbyusingspecialequipmentthatchargesthesameamountofcatalysttoeachtubeatadefiniterate.MultitubularReactorFluidizedBedDevicethatcanbeusedtocarryoutavarietyofmultiphasechemicalreactions.Acatalystpossiblyshapedastinyspheres.FluidizedBedReactorFixedBed固定床Fixedbedreactorisacylindricaltube,randomlyfilledwithcatalystparticles,whichmaybespheresorcylindricalpellets.FixedBedReactor固定床反應(yīng)器SPRAYTOWERAreaformofpollutioncontroltechnology.ConsistofemptycylindricalvesselsmadeofsteelorplasticandnozzlesthatsprayliquidintothevesselsTwotypesofSprayTowers:1.CocurrentFlow

并流-aresmallerthancountercurrent-flowspraytowers

2.CrosscurrentFlow錯(cuò)流-thegasandliquidflowindirectionsperpendiculartoeachother.Two-PhaseFlowoccursinasystemcontaininggasandliquidwithameniscusseparatingthetwophases.Two-phaseflowmaybeclassifiedaccordingtothephasesinvolvedas:gas-solidmixturegas-liquidmixtureliquid-solidmixturetwo-immiscible-liquidsmixtureManagingHeatEffectsReactionRunAwayExothermicReactionDiesEndothermicPreventingExplosionsPreventingStalling1.攪拌釜式反應(yīng)器的應(yīng)用及特點(diǎn)一、攪拌釜式反應(yīng)器的應(yīng)用與分類(lèi)2.攪拌釜式反應(yīng)器分類(lèi)

應(yīng)用既可用于均相反應(yīng)，也可用于非均相反應(yīng)。廣泛用于石油化工、橡膠、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥等工業(yè)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，傳質(zhì)效率高，溫度分布均勻，操作條件（濃度、溫度、停留時(shí)間等）靈活可控，便于更換品種，能適應(yīng)多樣化的生產(chǎn)按操作方式分間歇操作連續(xù)操作半間歇操作非穩(wěn)態(tài)過(guò)程穩(wěn)態(tài)過(guò)程非穩(wěn)態(tài)過(guò)程最常見(jiàn)的材料為Q235A低壓釜高壓釜按材質(zhì)分鋼制反應(yīng)釜鑄鐵反應(yīng)釜搪玻璃反應(yīng)釜?jiǎng)用芊饨Y(jié)構(gòu)靜密封，更適合于各種極毒、易燃、易爆以及其他滲透力極強(qiáng)的化工工藝過(guò)程按操作壓力分1.攪拌釜式反應(yīng)器基本結(jié)構(gòu)二、攪拌釜式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)構(gòu)成：換熱裝置軸封攪拌裝置殼體殼體由鋼板卷焊成圓筒體，再焊上鋼板壓成的釜底，配上釜蓋結(jié)構(gòu)釜底形狀攪拌裝置由攪拌軸和攪拌電機(jī)組成軸封填料密封機(jī)械密封換熱裝置的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)型式2.無(wú)泄漏磁力釜基本結(jié)構(gòu)3.反應(yīng)釜的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)構(gòu)成釜體、攪拌轉(zhuǎn)子、傳熱構(gòu)件、傳動(dòng)裝置、安全與保護(hù)裝置特點(diǎn)結(jié)構(gòu)基本相同，操作壓力較高、操作溫度較高，反應(yīng)釜多屬間歇操作發(fā)展趨勢(shì)大容積化；攪拌器已有單攪拌器發(fā)展到用雙攪拌器外加強(qiáng)制循環(huán)；生產(chǎn)自動(dòng)化和連續(xù)化；合理利用熱能1.管式反應(yīng)器在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用與分類(lèi)三、管式反應(yīng)器的應(yīng)用與分類(lèi)根據(jù)管道連接方式多管并聯(lián)管式反應(yīng)器多管串聯(lián)管式反應(yīng)器2.管式反應(yīng)器的特點(diǎn)應(yīng)用：一般用于氣相反應(yīng)和氣液相反應(yīng)分類(lèi)：長(zhǎng)徑比大（50~100）；單位反應(yīng)體積的傳熱面積大；生產(chǎn)效率高；適用于大型化、連續(xù)化生產(chǎn)，便于計(jì)算機(jī)集散控制，產(chǎn)品質(zhì)量有保證；返混小，在較高的流速下，管內(nèi)流體流型接近于理想置換1.常見(jiàn)管式反應(yīng)器四、管式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)2.管式反應(yīng)器的組成直管、彎管、密封環(huán)、管件（法蘭及緊固件）、溫差補(bǔ)償器、傳熱夾套、連接管和機(jī)架等管式反應(yīng)器的機(jī)架1.反應(yīng)器選擇的依據(jù)五、均相管式反應(yīng)器的選擇反應(yīng)的濃度效應(yīng)、溫度效應(yīng)、熱效應(yīng)等。反應(yīng)器的流體流動(dòng)、停留時(shí)間分布、換熱能力等反應(yīng)的特征反應(yīng)器的特征生產(chǎn)要求反應(yīng)溫度、壓力、反應(yīng)時(shí)間、轉(zhuǎn)化率、選擇性、壓降、能耗、生產(chǎn)能力等2.均相反應(yīng)器選擇要考慮的方面根據(jù)物料聚集狀態(tài)選擇。氣相：管式；液相：釜式根據(jù)產(chǎn)量大小選擇操作方式。根據(jù)反應(yīng)速率選擇。根據(jù)動(dòng)力學(xué)特性選擇。3.均相化學(xué)反應(yīng)舉例型式適用的反應(yīng)應(yīng)用特點(diǎn)應(yīng)用舉例管式反應(yīng)器氣相，液相返混小，所需反應(yīng)器體積小，比傳熱面積大，但對(duì)慢速反應(yīng)，管要很長(zhǎng)，壓降大石腦油裂解，甲基丁炔醇合成，管式法高壓聚乙烯生產(chǎn)等釜式反應(yīng)器，單釜或多釜串聯(lián)液相，液液相，液固相適用性強(qiáng)，操作彈性大，連續(xù)操作時(shí)溫度、濃度容易控制，產(chǎn)品質(zhì)量均一，但高轉(zhuǎn)化率時(shí)，反應(yīng)器體積大工作任務(wù)：根據(jù)化工產(chǎn)品的反應(yīng)特點(diǎn)和生產(chǎn)條件初步選擇氣固反應(yīng)器的類(lèi)型。任務(wù)2氣固反應(yīng)器的選擇

技術(shù)理論：化學(xué)工業(yè)中常用的氣固相反應(yīng)器：固定床反應(yīng)器、流化床反應(yīng)器、移動(dòng)床反應(yīng)器、滴流床反應(yīng)器。1.固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)一、固定床反應(yīng)器的特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)固定床反應(yīng)器：特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：床層內(nèi)氣體流動(dòng)近于理想置換，反應(yīng)速率快，所需催化劑少，反應(yīng)體積小；停留時(shí)間嚴(yán)格可控，溫度分布可以調(diào)節(jié)，有利于提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率和選擇性；催化劑不易磨損，可以在較長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用；適宜于在高溫、高壓條件下操作缺點(diǎn)：傳熱控溫困難；催化劑有效系數(shù)低；催化劑再生、更換不方便；勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)工人身體產(chǎn)生危害凡是流體通過(guò)不動(dòng)的固體物料形成的床層面進(jìn)行反應(yīng)的設(shè)備都稱(chēng)為固定床反應(yīng)器2.固定床反應(yīng)器的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)2.1根據(jù)傳熱方式分：絕熱式固定床換熱式固定床多段絕熱式單段絕熱式冷激式中間間接換熱式對(duì)外換熱式自熱式2.2絕熱式固定床反應(yīng)器反應(yīng)器絕熱措施良好，無(wú)熱量損失且與外界無(wú)熱交換。單段絕熱式熱效應(yīng)較大，但對(duì)溫度不敏感，或熱效應(yīng)雖大，但反應(yīng)速率非?？鞜嵝?yīng)不大，過(guò)程允許溫度有較寬變動(dòng)范圍適宜反應(yīng)類(lèi)型特點(diǎn)：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)能力大結(jié)構(gòu)：中空?qǐng)A筒，底部置擱板，擱板上堆積固體催化劑

單段絕熱式應(yīng)用實(shí)例：A、大型合成氨廠中一氧化碳中低溫變換，甲烷化反應(yīng)。B、甲醇在銀或銅催化劑上用空氣氧化制甲醛。單段絕熱式反應(yīng)器的缺點(diǎn)：反應(yīng)過(guò)程中溫度變化大，不適于反應(yīng)熱效應(yīng)大而反應(yīng)速率慢的反應(yīng)。多段絕熱式：工業(yè)應(yīng)用實(shí)例：間接換熱式冷激式反應(yīng)一段，換熱一段，反應(yīng)與換熱間隔進(jìn)行。適宜反應(yīng)類(lèi)型：反應(yīng)熱效應(yīng)大而速率較慢的反應(yīng)。SO2氧化、乙苯脫氫常用多段間接換熱式。合成氨、CO和氫合成甲醇常用冷激式2.3換熱式固定床反應(yīng)器當(dāng)反應(yīng)熱效應(yīng)較大，為了維持適宜的溫度條件，必須利用換熱介質(zhì)來(lái)移走或供給熱量。如何選擇載熱體？一般為列管式結(jié)構(gòu)合理選擇載熱體及其溫度是保持反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行的關(guān)鍵。反應(yīng)溫度T<240℃：高壓熱水。反應(yīng)溫度250~300℃：低揮發(fā)性導(dǎo)熱油。反應(yīng)溫度T>300℃：熔鹽對(duì)外換熱式A、列管式固定床反應(yīng)器工業(yè)應(yīng)用實(shí)例：高壓熱水作載熱體導(dǎo)熱油作載熱體熔鹽作載熱體乙烯氧化制環(huán)氧乙烷，乙烯乙?；趸拼姿嵋蚁?。丙烯氨氧化制丙烯腈89Author:huangkangshengB、列管式固定床反應(yīng)器的溫度分布和熱點(diǎn)溫度的形成列管式固定床反應(yīng)器的溫度分布熱點(diǎn)軸向溫度分布及形成降低熱點(diǎn)溫度減少軸向溫差的措施采用分段冷卻，改變移熱速率，使與放熱速率盡可能平衡。入口處附近放置一定高度惰性載體稀釋的催化劑或已部分老化催化劑原料氣中帶入微量抑制劑，使部分催化劑毒化取決于軸向各點(diǎn)的放熱速率和移熱速率。反應(yīng)器中軸向溫度分布中的最高溫度自熱式固定床反應(yīng)器上部為絕熱層，下部為催化劑裝在冷管間的連續(xù)換熱催化床。徑向反應(yīng)器任務(wù)2流化床反應(yīng)器fluidizedbedreactor固體流態(tài)化:將固體顆粒懸浮于運(yùn)動(dòng)的流體中，具有類(lèi)似于流體的性質(zhì)優(yōu)點(diǎn)：催化劑顆粒細(xì)小，有效系數(shù)高；床層內(nèi)近于全混流，溫度和濃度均勻，熱穩(wěn)定性高；催化劑易于補(bǔ)充和再生；流固相接觸充分，傳質(zhì)、傳熱速率快；操作彈性寬，生產(chǎn)能力大缺點(diǎn)：床層返混大；由于碰撞和摩擦，催化劑損失大，除塵困難；管道和容器磨損嚴(yán)重；安裝精度要求高。A

fluidizedbed

isaphysicalphenomenonthatoccurswhena

solid

particulatesubstance(usuallypresentinaholdingvessel)isundertherightconditionssothatitbehaveslikea

fluid.Theusualwaytoachieveafluidizebedistopumppressurizedfluidintotheparticles.Theresultingmediumthenhasmanypropertiesandcharacteristicsofnormalfluids,suchastheabilitytofree-flowundergravity,ortobepumpedusingfluidtechnologies.2.流化床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)組成:流化床反應(yīng)器主體、氣體分布裝置、內(nèi)部構(gòu)件、換熱裝置、氣固分離裝置結(jié)構(gòu)氣固分離裝置換熱裝置內(nèi)部構(gòu)件氣體分布裝置流化床反應(yīng)器主體擴(kuò)大段稀相段濃相段錐形底氣體分布裝置：預(yù)分布器和分布板。作用：均勻布?xì)猓ＷC良好而穩(wěn)定的流態(tài)化氣體預(yù)分布器的結(jié)構(gòu)型式：

(a)彎管式（b）同心圓殼式（c）帽式(d)充填式

（e）開(kāi)口式氣體分布板的結(jié)構(gòu)型式95Author:huangkangsheng（1）直流型分布板（a）直孔式分布板（b）凹型分布板

（c）直孔泡帽分布板96Author:huangkangsheng（2）側(cè)流型分布板(a)條型側(cè)縫（b）錐型側(cè)縫（c）錐型側(cè)孔（d）泡帽側(cè)縫泡帽側(cè)縫、側(cè)孔97Author:huangkangsheng換熱裝置98Author:huangkangsheng流化床的氣固分離裝置：99Author:huangkangsheng二、流化床反應(yīng)器的分類(lèi)：分類(lèi)方法分類(lèi)按照固體顆粒是否在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)單器（非循環(huán)操作）流化床雙器（循環(huán)操作）流化床按床層中是否有內(nèi)部構(gòu)件自由流化床限制流化床按反應(yīng)器內(nèi)層數(shù)多少單層流化床多層流化床圖按床層的外型圓筒形反應(yīng)器圓錐形反應(yīng)器1.選擇依據(jù)：一般從反應(yīng)特點(diǎn)、反應(yīng)熱、工藝要求、反應(yīng)器特點(diǎn)、催化劑性能等方面綜合考慮。三、氣固相催化反應(yīng)器的選擇2.選擇舉例：

反應(yīng)器適應(yīng)的反應(yīng)特點(diǎn)固定床反應(yīng)器氣固相返混小，高轉(zhuǎn)化率時(shí)催化劑用量少，催化劑不易磨損，傳熱控溫不易，催化劑裝卸麻煩乙苯脫氫制苯乙烯;氫化松香制備（碳鈀催化）流化床反應(yīng)器氣固相傳熱好，溫度均勻，易控制，催化劑有效系數(shù)大，粒子輸送容易，但磨耗大，床內(nèi)返混大，對(duì)高轉(zhuǎn)化率不利，操作條件限制較大奈氧化制苯酐，移動(dòng)床反應(yīng)器氣固相固體返混小，固氣比可變性大，粒子傳送較易，床內(nèi)溫差大，調(diào)節(jié)困難石油催化裂化滴流床反應(yīng)器氣液固相催化劑帶出少，分離易，氣液分布要求均勻，溫度調(diào)節(jié)困難丁炔二醇加氫技術(shù)理論：化工中常用的氣液相反應(yīng)器鼓泡塔反應(yīng)器、填料塔反應(yīng)器、板式塔反應(yīng)器和降膜反應(yīng)器。101Author:huangkangsheng任務(wù)3氣液相反應(yīng)器的選擇工作任務(wù)：根據(jù)化工產(chǎn)品的反應(yīng)特點(diǎn)和生產(chǎn)條件初步選擇氣液相反應(yīng)器的類(lèi)型。1.氣液相反應(yīng)的特點(diǎn)與應(yīng)用一、氣液相反應(yīng)器種類(lèi)和工業(yè)應(yīng)用氣液相反應(yīng)：氣體在液體中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)：先傳質(zhì)，再反應(yīng)，反應(yīng)在液相中進(jìn)行。與化學(xué)吸收的區(qū)別：化學(xué)吸收側(cè)重研究用化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)化傳質(zhì)；氣液相反應(yīng)研究傳質(zhì)對(duì)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性、速率的影響工業(yè)反應(yīng)應(yīng)用舉例有機(jī)物氧化鏈狀烷烴氧化成酸；對(duì)二甲苯氧化生產(chǎn)對(duì)苯二甲酸；環(huán)己烷氧化生產(chǎn)環(huán)己酮；乙醛氧化生產(chǎn)乙酸；乙烯氧化生產(chǎn)乙醛有機(jī)物氯化苯氯化為氯化苯；十二烷烴的氯化；甲苯氯化為氯化甲苯有機(jī)物加氫烯烴加氫；脂肪酸酯加氫其它有機(jī)反應(yīng)甲醇羥基化為乙酸，異丁烯被硫酸所吸收；醇被三氧化硫硫酸鹽化；烯烴在有機(jī)溶劑中聚合酸性氣體的吸收SO3被硫酸所吸收；NO2被稀硝酸所吸收；CO2和H2S被堿性溶液吸收2.氣液相反應(yīng)器的基本類(lèi)型與特點(diǎn)按氣液相接觸形態(tài)分類(lèi)型氣體以氣泡形態(tài)分散在液相中。鼓泡塔、攪拌鼓泡釜、板式反應(yīng)器液體以液滴狀分散在氣相中。噴霧、噴射和文氏反應(yīng)器液體以膜狀運(yùn)動(dòng)與氣相進(jìn)行接觸。填料塔、降膜反應(yīng)器有機(jī)化合物的氧化反應(yīng)、石蠟和芳烴的氯化反應(yīng)、生物化學(xué)反應(yīng)、污水處理曝氣氧化、氨水碳化等。催化熱堿吸CO2、水吸收SO3HCl、NOx等安裝垂直度要求高，液體成膜且均勻分布。氣液相反應(yīng)器的特點(diǎn)鼓泡塔：適用于液相也參與反應(yīng)的中速、慢速和放熱量大的反應(yīng)；液體返混嚴(yán)重、氣泡聚并，效率低填料塔：液相主體量少，適用于瞬間、界面和快速反應(yīng)。氣體壓降小、液體返混小板式塔：液體連續(xù)，氣體分散，適用于快速及中速反應(yīng)，軸向返混小，氣液傳質(zhì)系數(shù)高，溫度可控。噴霧塔：氣體連續(xù)，液體分散，相接觸面積大，壓降小，適用于瞬間、界面、快速和生成固體的反應(yīng)降膜反應(yīng)器：適用于瞬間、界面和快速反應(yīng)，特別適用于較大熱效應(yīng)的氣液反應(yīng)；壓降小，無(wú)軸向返混攪拌鼓泡釜：氣泡小，相接觸面積大；接近全混流，能耗高，適用于慢反應(yīng)，尤其對(duì)高粘性非牛頓液體高速湍動(dòng)反應(yīng)器：傳質(zhì)速率快，適用于瞬間反應(yīng)1.鼓泡塔反應(yīng)器的分類(lèi)及應(yīng)用二、鼓泡塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)分分類(lèi)緩慢化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)或伴有大量熱效應(yīng)的反應(yīng)系統(tǒng)空心式多段式氣提式液體噴射式生化工程發(fā)酵、環(huán)境工程中活性污泥處理、有機(jī)化工催化加氫高徑比較大，為了減小液相返混。統(tǒng)稱(chēng)環(huán)流式鼓泡反應(yīng)器，徑向氣液流動(dòng)速度均勻，傳質(zhì)、傳熱系數(shù)大，液體循環(huán)速度可調(diào)。2.鼓泡塔反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成：塔底部的氣體分布器、塔筒體、塔頂部氣液分離器1.填料塔反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)107Author:huangkangsheng三、填料塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)填料塔的構(gòu)成塔體塔體支座人孔手孔塔內(nèi)件除沫器填料填料支撐裝置填料壓緊裝置液體分布裝置液體收集及再分布裝置2.填料的類(lèi)型及性能評(píng)價(jià)根據(jù)裝填方式不同規(guī)整填料散裝填料拉西環(huán)填料鮑爾環(huán)填料階梯環(huán)填料弧鞍填料矩鞍填料金屬環(huán)矩鞍球形填料格柵填料波紋填料脈沖填料指標(biāo)影響因素比表面積表面潤(rùn)濕性能氣液分布空隙率結(jié)構(gòu)等填料的類(lèi)型性能評(píng)價(jià)效率、通量及壓降氣液相反應(yīng)器選擇應(yīng)考慮的因素四、氣液相反應(yīng)器的選擇1.具備較高的生產(chǎn)能力2.有利于反應(yīng)選擇性的提高3.有利于降低能耗4.有利于反應(yīng)溫度的控制5.能在較少液體流率下操作第九章生物制品反應(yīng)設(shè)備

Bioreactor

《生物制藥工藝與設(shè)備》第一節(jié)生物反應(yīng)器分類(lèi)與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第二節(jié)生物反應(yīng)器（五大類(lèi)與其它反應(yīng)器）第三節(jié)生物反應(yīng)器的檢測(cè)與控制系統(tǒng)本章內(nèi)容第一節(jié)生物反應(yīng)器分類(lèi)與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)生物反應(yīng)器概念

生物反應(yīng)器是利用生物催化劑進(jìn)行生化反應(yīng)的設(shè)備。按使用的催化劑：酶反應(yīng)器和細(xì)胞反應(yīng)器。按操作方式：間歇操作、連續(xù)操作和半間歇或半連續(xù)操作。按反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特征：按釜式、管式、塔式及膜式等反應(yīng)器。按反應(yīng)器所需能量輸入方式：機(jī)械攪拌、氣升式及液體循環(huán)等生化反應(yīng)器。按生物催化劑在反應(yīng)器中的分布方式：生物團(tuán)塊反應(yīng)器和生物膜反應(yīng)器。按反應(yīng)物系在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)和混合狀態(tài)：活塞流反應(yīng)器和全混流反應(yīng)器。反應(yīng)器分類(lèi)生物反應(yīng)器分類(lèi)生物反應(yīng)器間歇操作半間歇半連續(xù)操作連續(xù)操作生物團(tuán)塊反應(yīng)器生物膜反應(yīng)器全混流型活塞流型全混流型活塞流型攪拌釜式反應(yīng)器循環(huán)反應(yīng)器環(huán)流反應(yīng)器管式反應(yīng)器鼓泡塔多級(jí)串聯(lián)式反應(yīng)器流化床反應(yīng)器循環(huán)管反應(yīng)器完全混合膜反應(yīng)器固定床生物轉(zhuǎn)盤(pán)滲濾器膜反應(yīng)器通用式伍式自吸式泵循環(huán)式強(qiáng)制循環(huán)式泵循環(huán)自吸式填充塔式幾種典型的反應(yīng)器伍式罐特點(diǎn)：攪拌器兼做空氣分布器；在紙漿制酵母中應(yīng)用間歇操作：物料一次加入，一次卸出，中間沒(méi)有物料的加入和輸出；適合多品種、小批量和反應(yīng)速率較慢的過(guò)程。

連續(xù)操作：原料連續(xù)輸入反應(yīng)器，反應(yīng)產(chǎn)物連續(xù)地從反應(yīng)器中流出，適用于大批量的品種生產(chǎn)，具有產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高及易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和生產(chǎn)。

半間歇或半連續(xù)操作：原料與產(chǎn)物只有其中的一種為連續(xù)輸入或輸出，其余則為分批加入或輸出的操作，相應(yīng)的反應(yīng)器稱(chēng)為半間歇式反應(yīng)器或半連續(xù)式反應(yīng)器。兼有間歇操作和連續(xù)操作某些特點(diǎn)的操作間歇操作與非間歇操作混合：物料之間以達(dá)到均勻狀態(tài)為目的過(guò)程。返混：具有不同停留時(shí)間的物料之間的混合稱(chēng)之為返混。全混流：剛進(jìn)入反應(yīng)器的物料在瞬間和反應(yīng)器內(nèi)的物料達(dá)到混合均勻，稱(chēng)為全混流?；钊鳎寒?dāng)反應(yīng)器內(nèi)的物料粒子完全不存在返混時(shí)，這樣的流動(dòng)稱(chēng)之為活塞流?；旌吓c反混;活塞流與全混流活塞流和全混流是反應(yīng)器內(nèi)返混情況的兩種極端。實(shí)際的反應(yīng)器內(nèi)流體的流動(dòng)介于這兩者之間。主要生產(chǎn)設(shè)備包括培養(yǎng)基配制及滅菌設(shè)備、空氣預(yù)處理及滅菌設(shè)備、生物反應(yīng)器和分離提取設(shè)備。

生物制藥基本過(guò)程核心位置生物反應(yīng)器是指利用生物體（如微生物、動(dòng)植物細(xì)胞）或酶所具有的特殊功能，在體外進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)以獲得其代謝產(chǎn)物或生物體的設(shè)備，為細(xì)胞代謝提供一個(gè)適宜的物理和化學(xué)環(huán)境，使細(xì)胞能更快更好的生長(zhǎng)以得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物。第二節(jié)生物反應(yīng)器良好的傳質(zhì)和傳熱性能；培養(yǎng)液流動(dòng)與混合良好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單嚴(yán)密，防雜菌污染，檢修維護(hù)方便；具有配套而可靠的檢測(cè)及控制儀表?！蕴峁┖线m的環(huán)境條件，確保生物反應(yīng)順利進(jìn)行；——判斷生物反應(yīng)進(jìn)行的情況。優(yōu)良的生物反應(yīng)器特性大型機(jī)械攪拌反應(yīng)器某味精廠發(fā)酵車(chē)間一角發(fā)酵車(chē)間南陽(yáng)天冠酒精集團(tuán)公司酒精發(fā)酵罐

珠江啤酒發(fā)酵群丹麥嘉士伯啤酒發(fā)酵群是通過(guò)攪拌器對(duì)罐內(nèi)的液體進(jìn)行攪拌，以提供動(dòng)力，并達(dá)到傳質(zhì)、傳熱和液體混合的目的和要求，通過(guò)攪拌提高通入的氧氣的溶解，保證供給微生物生長(zhǎng)繁殖、發(fā)酵所需要的氧氣。1機(jī)械攪拌微生物反應(yīng)器1.罐體2.攪拌器和檔板

3.密封裝置

4.消泡器

5.空氣分布裝置6.變速裝置、軸承、聯(lián)軸器7.傳熱裝置機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

大型攪拌通風(fēng)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)罐體結(jié)構(gòu):筒身、上封頭、下封頭構(gòu)成。材料及要求:1.罐體耐高溫高壓玻璃反應(yīng)器正在加工的罐身和封頭罐體的厚度計(jì)算根據(jù)工藝條件，筒體材料、內(nèi)壓力已確定的內(nèi)徑等參數(shù)，按強(qiáng)度計(jì)算公式確定筒體的設(shè)計(jì)厚度。其中td設(shè)計(jì)厚度，mm；p為設(shè)計(jì)壓力，MPa；D1為發(fā)酵罐罐體內(nèi)徑,mm[σ]τ材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；厚度附加量封頭（罐蓋）厚度

封頭的設(shè)計(jì)已標(biāo)準(zhǔn)化，內(nèi)徑與筒體的內(nèi)徑一致，標(biāo)準(zhǔn)錐形封頭、橢圓標(biāo)準(zhǔn)封頭尺寸可查設(shè)計(jì)資料。封頭設(shè)計(jì)厚度按工藝條件，用強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。對(duì)橢圓形封頭:

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭:K=1罐身和罐蓋的連接某廠抗生素生產(chǎn)車(chē)間的種子罐和發(fā)酵罐法蘭連接整體焊接罐蓋上的部件配置圖2-14小型發(fā)酵罐罐頂部件布置圖

圖2-15大中型發(fā)酵罐罐頂部件布置圖

生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

裝于罐身的接管有：冷卻水進(jìn)出口、空氣進(jìn)口、溫度和其他測(cè)控儀表的接口。罐身的接管愈少愈好。

不影響無(wú)菌操作條件下將接管加以歸并。

罐身的部件配置生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

(1)攪拌器作用：增加氧的溶解速率;促進(jìn)液-氣-固三相混合;加強(qiáng)傳熱。

2.攪拌器和檔板生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

軸向流攪拌器徑向流攪拌器切向流攪拌器攪拌器與流型徑向流——渦輪攪拌器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

在渦輪攪拌器中液體出口的絕對(duì)速度很大，槳葉外緣附近造成激烈的漩渦運(yùn)動(dòng)和很大的剪切力，可將通入的氣體分散得更細(xì)，并可提高溶氧傳質(zhì)系數(shù)。徑向流——渦輪攪拌器軸向流攪拌器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

促進(jìn)總體混合效果較好，但對(duì)溶解氧效果不如渦輪攪拌器。無(wú)擋板的容器內(nèi)，流體繞軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，流速高時(shí)液體表面會(huì)形成漩渦，流體從槳葉周?chē)芟蚓砦翗~區(qū)的流量很小，混合效果很差。切向流切向流攪拌器錨式框式框錨式其他攪拌器形式對(duì)于大型發(fā)酵罐，為了同時(shí)滿足混合、溶氧以及傳熱的需求，可以采用多種不同的攪拌器的組合方式實(shí)現(xiàn)。攪拌器的組合（2）檔板

擋板的作用：a、改變液流的方向，由切向流改為徑向流和軸向流;

b、提高液流湍流程度，促使液體激烈翻動(dòng)，增加溶解氧。c、防止攪拌過(guò)程中漩渦的產(chǎn)生，而導(dǎo)致攪拌器露在料液以上，起不到攪拌作用。

豎立的蛇管、列管、排管、進(jìn)空氣管等也可以起擋板作用擋板可以消除打漩現(xiàn)象檔板的寬度W=（0.1~0.12）D；檔扳的高度H自罐底起至設(shè)計(jì)液面高度止；檔板與罐壁保持一定間隙，防止死角的形成；檔板的塊數(shù)Z一般為4~6塊，不超過(guò)8塊，以接近消除旋渦為宜。檔板有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

全擋板條件

全擋板條件下的攪拌流型

在一定轉(zhuǎn)速下，再增加罐內(nèi)附件而軸功率保持不變、旋渦基本消失的檔板數(shù)。3.密封裝置（軸封）發(fā)酵罐的攪拌軸與不運(yùn)動(dòng)的罐體之間的密封是確保不泄漏和不污染雜菌的關(guān)鍵部件之一。軸封是安裝在旋轉(zhuǎn)軸與發(fā)酵罐體之間的部件。軸封的作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止工作介質(zhì)（液體、氣體）沿轉(zhuǎn)動(dòng)軸伸出設(shè)備之處泄漏和污染雜菌。1)填料函軸封結(jié)構(gòu)：由軸、填料壓蓋、壓緊螺栓、填料箱體、銅環(huán)和填料組成。主要缺點(diǎn)：①內(nèi)部存在很多死角，蒸汽不易達(dá)到，很難徹底滅菌；②軸的磨損較為嚴(yán)重，如軸磨損過(guò)多；就難以達(dá)到密封要求；③填料壓緊后摩擦功率損失較大；1-軸2-填料壓蓋3-壓緊螺栓4-填料箱體5-銅環(huán)6-填料生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

④經(jīng)常維修填料函，攪拌軸拆出磨光磨損部分，消耗工時(shí)多，影響生產(chǎn)。2)端面軸封（機(jī)械軸封）單端面機(jī)械軸封1-彈簧2-動(dòng)環(huán)3-硬質(zhì)合金4-靜環(huán)5-O形密封圈分為單端面密封和雙端面密封；結(jié)構(gòu)主要由彈性壓緊元件、動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、O型密封圈等組成。機(jī)械密封三個(gè)密封點(diǎn)位。下伸軸通風(fēng)發(fā)酵罐上伸軸機(jī)械攪拌反應(yīng)器3）全封閉密封(磁力攪拌)⒈適用:介質(zhì)為劇毒、易然、易爆、昂貴的物料，高純度物料以及在高真空下操作；密封要求很高，采用填料密封和機(jī)械密封均無(wú)法滿足時(shí)的場(chǎng)合。⒉工作原理:套裝在輸入機(jī)械能轉(zhuǎn)子上的外磁轉(zhuǎn)子，和套裝在攪拌軸上的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子，用隔離套使內(nèi)外轉(zhuǎn)子隔離，靠?jī)?nèi)外磁場(chǎng)進(jìn)行傳動(dòng)，隔離套起到全封閉密封作用。套在內(nèi)外軸上的渦磁轉(zhuǎn)子稱(chēng)為磁力聯(lián)軸器。磁力聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)平面式聯(lián)軸器套筒式聯(lián)軸器由裝在攪拌軸上的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子和裝在電機(jī)軸上的外磁轉(zhuǎn)子組成。1－外軸2－外磁轉(zhuǎn)子3－隔離套4－內(nèi)磁轉(zhuǎn)子5－內(nèi)軸

平面式聯(lián)軸器平面隔離套1－外磁轉(zhuǎn)子2－內(nèi)磁轉(zhuǎn)子3－隔離套4－反應(yīng)器筒體5－軸承套筒隔離套圖2—38套筒式聯(lián)軸器

①

密封可靠。

②

使用壽命長(zhǎng)。

③

維修周期長(zhǎng)。

④軸或軸套不受磨損。

⑤摩擦功率耗損少，一般約為填料函密封的10～50％

⑥機(jī)械軸封對(duì)軸的精度和光潔度沒(méi)有填料函要求那么嚴(yán)格。⑦

適用范圍廣。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要一定的加工精度和安裝技術(shù)。機(jī)械軸封與填料函軸封相比優(yōu)缺點(diǎn)作用:消除泡沫。消泡方法:化學(xué)法消泡;機(jī)械法消泡機(jī)械消泡裝置類(lèi)型：耙式、離心式、刮板式、渦輪式、碟片式消泡器等。4.消泡器①耙式消泡器耙式消泡器安裝在發(fā)酵罐內(nèi)的攪拌軸的上部②離心式消泡器

安裝在反應(yīng)器外部,類(lèi)似于離心式旋風(fēng)分離器。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

安裝在反應(yīng)器的外部，利用刮板旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用將氣液分離而消泡。③刮板式消泡器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

④機(jī)械方法和化學(xué)方法聯(lián)合消泡

生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

吹入無(wú)菌空氣，使空氣分布均勻。單管式分布裝置：管口正對(duì)罐底中央，與罐底的距離約40mm，這樣的空氣分散效果較好。環(huán)形管的分布裝置：5.空氣分布裝置單管式空氣分布管環(huán)管式空氣分布管生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

三角皮帶與圓柱齒輪變速裝置小型試驗(yàn)罐采用無(wú)級(jí)變速在罐內(nèi)裝有底軸承，大型發(fā)酵罐裝有中間軸承，底軸承和中間軸承的水平位置應(yīng)能適當(dāng)調(diào)節(jié)。罐內(nèi)軸承不能加潤(rùn)滑油，應(yīng)采用液體潤(rùn)滑的塑料軸瓦（如石棉酚醛塑料，聚四氟乙烯等）。軸瓦與軸之間的間隙常取軸徑的0.4~0.7%，以適應(yīng)溫度差的變化。軸承大型發(fā)酵罐攪拌軸較長(zhǎng)，為了加工和安裝的方便，常分為二至三段，用聯(lián)軸器使上下攪拌軸成牢固的剛性聯(lián)接。常用的聯(lián)軸器有鼓形及夾殼形兩種。軸的連接應(yīng)垂直，中心線對(duì)正。聯(lián)軸器夾殼形聯(lián)軸器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

夾套式、內(nèi)蛇管式、內(nèi)列管式和外盤(pán)管式優(yōu)先采用夾套。7.傳熱裝置多種換熱方式的組合容積：擴(kuò)大至100-500m3;材質(zhì)：由碳鋼改為不銹鋼（304,306L);傳熱：由單一罐內(nèi)蛇管傳熱改為罐內(nèi)直管和罐壁半圓管相組合換熱；減速：將皮帶傳動(dòng)改為齒輪式減速；攪拌：從單一徑向渦輪式攪拌改為徑、軸雙向流式攪拌。機(jī)械攪拌反應(yīng)器發(fā)展趨勢(shì)發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)：公稱(chēng)直徑D、罐體高度H;高徑比H/D、公稱(chēng)容積V0等。二、發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

通用發(fā)酵罐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)1.通用發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)比例尺寸H/D=1.7~4d/D=1/2~1/3W/D=1/8~1/12B/d=0.8~1.0s/d=1.5~2.5S1/d=1~2發(fā)酵罐參數(shù)的確定要適應(yīng)不同的菌種和發(fā)酵產(chǎn)物要求。2.發(fā)酵罐裝料容積的計(jì)算（1）全容積：罐的圓柱部分體積和上下封頭體積之和。

V=Vc+2Vb(2)公稱(chēng)容積：罐的圓柱部分和底封頭容積之和（取整數(shù)）。

非機(jī)械攪拌生物反應(yīng)器。利用空氣的噴射功能和流體重度差造成反應(yīng)液循環(huán)流動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)液體的攪拌、混合和傳遞氧不用機(jī)械攪拌，完全依靠氣體的帶動(dòng)上升使液體產(chǎn)生循環(huán)并發(fā)生湍動(dòng)，達(dá)到氣液混合和傳遞的目的。類(lèi)型：氣升環(huán)流式、鼓泡式、空氣噴射式等。其中氣升內(nèi)環(huán)流發(fā)酵罐、氣液雙噴射氣升環(huán)流發(fā)酵罐、設(shè)有多層分布板的塔式氣升發(fā)酵罐已在工業(yè)上應(yīng)用。2氣升式發(fā)酵罐生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

氣升式發(fā)酵罐蓮花味精氣升式發(fā)酵罐實(shí)驗(yàn)室小型氣升式發(fā)酵罐1.帶升式生物反應(yīng)器2.氣升及外循環(huán)生物反應(yīng)器3.氣升環(huán)流生物反應(yīng)器4.塔式生物反應(yīng)器氣升式生物反應(yīng)器主要類(lèi)型及結(jié)構(gòu)生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

1）內(nèi)循環(huán)式在反應(yīng)器內(nèi)部裝設(shè)上升管?？諝鈬娮彀惭b在反應(yīng)器底部。利用空氣壓力和速度帶升發(fā)酵液上升；在頂部利用液體本身的重力下降實(shí)現(xiàn)循環(huán)。1.帶升式生物反應(yīng)器增加了液體噴射泵。無(wú)菌空氣通過(guò)噴嘴噴射進(jìn)入發(fā)酵液中，通過(guò)氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細(xì)碎，同時(shí)由于形成的氣液混合物密度降低故向上運(yùn)動(dòng)，而氣含率小的發(fā)酵液則下沉，形成循環(huán)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)混合與溶氧傳遞。汽液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

氣-液雙噴射氣升環(huán)流反應(yīng)器為多層空氣分布板（多孔篩板）的氣升環(huán)流反應(yīng)器。底部有新鮮空氣分布管；在反應(yīng)器外部裝設(shè)循環(huán)管。3）篩板外循環(huán)式外循環(huán)帶外部換熱生物反應(yīng)器器內(nèi)部裝設(shè)氣液上升管，在外部裝設(shè)帶冷卻裝置的循環(huán)管。⑴反應(yīng)溶液分布均勻，氣液固三相均勻混合；⑵較高氣含率和比氣液接觸截面，因而有較高的傳質(zhì)速率和溶氧效率；⑶無(wú)機(jī)械攪拌葉輪，剪切力小，對(duì)生物細(xì)胞損傷??；⑷

傳熱良好。液體綜合循環(huán)速率高，便于在外循環(huán)管路加裝換熱器；⑸

無(wú)密封裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造；⑹操作和維修方便。缺點(diǎn)：不適于固形物含量高、黏度大的發(fā)酵液。二、氣升式反應(yīng)器特點(diǎn)1）反應(yīng)器高徑比：一般為5-9,有的更大；

2）導(dǎo)流筒直徑與罐徑比：0.6-0.8；3）空氣噴嘴直徑與反應(yīng)器直徑之比D1/D以及導(dǎo)流筒上下端面到罐頂、罐底間距離對(duì)發(fā)酵液混合、溶氧有影響。三、氣升式生物反應(yīng)器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（1）氣含率同軸導(dǎo)流筒的內(nèi)循環(huán)氣升式發(fā)酵罐中，氣含率的定義為：VG為通風(fēng)量，VL培養(yǎng)液量，vG為氣速，K，n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。氣含率是氣升式發(fā)酵罐的重要參數(shù)。氣含率太低，氧傳遞不夠，反之，太高則反應(yīng)器的利用率太低。2．流動(dòng)與傳遞特性參數(shù)膜生物反應(yīng)器

（MembraneBioreactor）

一、MBR的原理膜生物反應(yīng)器(MembraneBioreactor，MBR)。MBR將生物反應(yīng)器和膜分離過(guò)程相結(jié)合的工藝，最大的特點(diǎn)就是采用膜組件將產(chǎn)物分離。目前在水處理中應(yīng)用廣泛。水和小于膜孔徑的小分子溶質(zhì)透過(guò)膜，即為處理后出水。微生物及大分子溶質(zhì)被膜截留，從而替代沉淀池完成其與處理出水的分離過(guò)程。二、MBR工藝類(lèi)型

優(yōu)點(diǎn)：(1)膜組件與生物反應(yīng)器之間的相互影響小

(2)單位面積膜的水通量大

(3)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，操作管理容易

(4)易于膜的清冼、更換和增設(shè)缺點(diǎn)：

(1)為減少污染物在膜表面的沉積，需要較高的膜面流速，因而配置的超濾循環(huán)泵需要較高的流量，能耗很高，一般為6～8Kw?h/m3

(2)循環(huán)泵內(nèi)的高剪切力會(huì)引起生物絮體的破壞，導(dǎo)致生物活性的降低二、MBR工藝類(lèi)型優(yōu)點(diǎn)：(1)體積小，整體性強(qiáng)。

(2)運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)用低。膜表面的錯(cuò)流是靠空氣攪動(dòng)產(chǎn)生的，混合液隨氣流向上流動(dòng)，在膜表面產(chǎn)生剪切應(yīng)力，不需要功率較大的循環(huán)泵

缺點(diǎn)：

(1)需要定期化學(xué)清洗，

(2)出水不連續(xù)；(3)單位膜面積膜的產(chǎn)水量較低，一般僅為5-10L/m2?h。二、MBR工藝類(lèi)型MBR處理系統(tǒng)實(shí)景照片二、MBR工藝類(lèi)型MBR處理系統(tǒng)實(shí)景照片二、MBR工藝類(lèi)型MBR系統(tǒng)中所用的膜MBR工藝設(shè)計(jì)反應(yīng)器主體

膜材料與組件

附屬裝置與系統(tǒng)預(yù)處理系統(tǒng)污泥處理設(shè)施自控系統(tǒng)MBR六、MBR應(yīng)用1、北小河再生水廠（6萬(wàn)噸/日）曝氣池膜處理車(chē)間原水出水晶瑩剔透，雜質(zhì)比自來(lái)水還少1、北小河再生水廠（6萬(wàn)噸/日）2、密云再生水廠（4.5萬(wàn)噸/日）MBR反應(yīng)器出水水質(zhì)8、河南華蘭生物工程有限公司制藥廢水MBR處理工程廢水量：300m3／d膜組件：SMBR150型膜元件500片，總膜面積750米2，裝配成10個(gè)膜組件。水質(zhì)情況：進(jìn)水BOD2000mg／L，出水達(dá)二級(jí)排放水標(biāo)準(zhǔn)。效果：達(dá)標(biāo)排放。在動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)方面用途較廣可培養(yǎng)懸浮生長(zhǎng)的細(xì)胞,又可培養(yǎng)貼壁依賴性細(xì)胞，細(xì)胞密度高達(dá)109個(gè)／mL數(shù)量級(jí)。如果能控制系統(tǒng)不受污染，則能長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，具有很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。中空纖維是用聚礬或丙烯的聚合物制成。管壁的厚度約50-75μm，直徑為2OOμm。管壁是半透膜管，能截留住大分子物質(zhì)，小分子物質(zhì)可自由通過(guò)。膜反應(yīng)器之二：中空纖維細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器中空纖維細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器圖3-38一種中空纖維細(xì)胞培養(yǎng)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖1-中空纖維束；2-2'-反應(yīng)器外殼；3-3'-中空纖維束固定板；4-4'-中空纖維內(nèi)腔進(jìn)出口；5-5'-中空纖維外表面進(jìn)出口；6-6'-密封板培養(yǎng)筒內(nèi)由數(shù)千根中空纖維所組成，然后封存在特制的圓筒里，圓筒內(nèi)形成了2個(gè)空間：每根纖維的管內(nèi)成為“內(nèi)室”，管與管之間的間隙就成為“外室”。進(jìn)行貼壁細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)，細(xì)胞和培養(yǎng)液放在中空纖維外表面區(qū)，細(xì)胞可沿著中空纖維外表面生長(zhǎng)，新鮮的培養(yǎng)液可由接口5進(jìn)出。細(xì)胞培養(yǎng)需要的氧氣和二氧化碳通過(guò)接口4進(jìn)入中空纖維內(nèi)腔區(qū)，經(jīng)過(guò)纖維壁上大量的小孔供給細(xì)胞生長(zhǎng)需要。構(gòu)造由于細(xì)胞分泌產(chǎn)物（如單克隆抗體）的分子質(zhì)量大而無(wú)法穿透到“內(nèi)室”去，只能留在“外室”并且不斷被濃縮。當(dāng)需要收集這些產(chǎn)物時(shí)，只要把管與管之間的“外室”總出口打開(kāi)，產(chǎn)物就能流出來(lái)。細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中的代謝廢物，因?yàn)槎紝傩》肿游镔|(zhì)，可以從管壁滲進(jìn)“內(nèi)室”,最后從“內(nèi)室”總出口排出,不會(huì)對(duì)“外室”細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用。特點(diǎn)一、固態(tài)發(fā)酵的特點(diǎn)二、固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器類(lèi)型三、固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用固態(tài)通風(fēng)發(fā)酵生物反應(yīng)器固態(tài)發(fā)酵（solidstatefermentation）又稱(chēng)固體發(fā)酵，是指微生物在濕的固體培養(yǎng)基上生長(zhǎng)、繁殖、代謝的發(fā)酵過(guò)程。固態(tài)的濕培養(yǎng)基一般含水量在50%左右，但也有的固態(tài)發(fā)酵的培養(yǎng)基含水量為30%或70%。

固態(tài)發(fā)酵特點(diǎn)固態(tài)發(fā)酵與液態(tài)發(fā)酵的比較優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 1.培養(yǎng)基含水量少，廢水廢渣少，環(huán)境污染少，容易處理；1.菌種限于耐低水活性的微生物，菌種選擇性少2.消耗低，供能設(shè)備簡(jiǎn)易；2.發(fā)酵速度慢，周期較長(zhǎng)3.培養(yǎng)基原料多為天然基質(zhì)或廢渣，廣泛易得，價(jià)格低廉3.天然原料成分復(fù)雜，有時(shí)變化，影響發(fā)酵產(chǎn)物的質(zhì)和量4.設(shè)備和技術(shù)較簡(jiǎn)易，不需嚴(yán)格無(wú)菌操作，后處理方便。4.工藝參數(shù)難檢測(cè)和控制5.產(chǎn)物濃度較高，后處理方便5.產(chǎn)品少，工藝操作消耗勞力多，強(qiáng)度大一、固態(tài)發(fā)酵的類(lèi)型（一）淺盤(pán)式生物反應(yīng)器（trayfermentor)（二）填充床生物反應(yīng)器（packedbedbioreactor，PBB）（三）流化床生物反應(yīng)器（四）轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器(rotarybioreactorRDB)（五）攪拌式固態(tài)生物反應(yīng)器（六）壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器

Trayfermentor由一個(gè)密室和許多可移動(dòng)的托盤(pán)組成，培養(yǎng)基經(jīng)滅菌、冷卻、接種后裝入托盤(pán)，托盤(pán)放在密室的架子上。一般地托盤(pán)在架上層層放置，兩托盤(pán)間有適當(dāng)空間，保證通風(fēng)。發(fā)酵過(guò)程在可控制濕度的密室中進(jìn)行，培養(yǎng)溫度由循環(huán)的冷(熱)空氣來(lái)調(diào)節(jié)。淺盤(pán)式生物反應(yīng)器托盤(pán)由木材、金屬(鋁或鐵)、塑料等制成，底部打孔，保證底部通風(fēng)良好。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

采用動(dòng)力通風(fēng)，可更好地控制反應(yīng)床中的環(huán)境條件，它能調(diào)節(jié)溫度及空氣風(fēng)速，反應(yīng)床邊緣對(duì)流熱量的去除效果比淺盤(pán)發(fā)酵好，更易控制發(fā)酵參數(shù)。填充床（固定床）生物反應(yīng)器填充床發(fā)酵設(shè)備——通風(fēng)曲槽培養(yǎng)室通風(fēng)曲槽培養(yǎng)室屬于典型的填充床反應(yīng)器。由密閉的曲室、曲槽循環(huán)風(fēng)道、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成。接種的固體培養(yǎng)基支撐在假底上，新鮮空氣從底部經(jīng)過(guò)假底進(jìn)入曲槽，實(shí)現(xiàn)氧的傳遞和溫度調(diào)節(jié)。

1一輸送帶2一高位料斗3一送料小車(chē)4一曲料室5一進(jìn)出料機(jī)6一料斗7一輸送帶8一鼓風(fēng)機(jī)9一空調(diào)室10一循環(huán)風(fēng)道11-室閘門(mén)機(jī)械通風(fēng)固體曲發(fā)酵設(shè)備特點(diǎn)：自動(dòng)化程度較高，溫度、濕度較易控制。液體從設(shè)備底部的一個(gè)穿孔的分布器流入，其流速足以使固體顆粒流態(tài)化。流出物從設(shè)備的頂部連續(xù)地流出?？諝猓ê醚酰┖偷?dú)猓▍捬酰┛梢灾苯訌姆磻?yīng)器的底部或者通風(fēng)槽引入。流化床生物反應(yīng)器不存在床層堵塞、高的壓力降、混合不充分等問(wèn)題。在反應(yīng)器里，固體顆?？梢院蜌庀喑浞纸佑|。（三）流化床固態(tài)反應(yīng)器固體顆粒與流體的混合較充分，傳熱傳質(zhì)性能好，床層壓力降小，但是固體顆粒的磨損較大。可用于絮凝微生物、固定化酶、固定化細(xì)胞反應(yīng)過(guò)程以及固體基質(zhì)的發(fā)酵。實(shí)例：固體基質(zhì)制曲過(guò)程（氣固流化床），乙醇生產(chǎn)，廢水的硝化和反硝化，用絮凝性酵母釀造啤酒（液固流化床），以及用固定化α-胰凝乳蛋白酶分離D-，L-苯丙氨酸。流化床特點(diǎn)及應(yīng)用生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

RotatingDrumBiofilter有低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓，內(nèi)部有空氣分布管。（四）轉(zhuǎn)鼓式生物反應(yīng)器(RDB)通過(guò)反應(yīng)器回轉(zhuǎn)使固體培養(yǎng)基處于不斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以防止菌絲體與反應(yīng)器壁的粘連，有利于熱質(zhì)的傳遞和溫度濕度的控制。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

反應(yīng)器固定，屬于轉(zhuǎn)軸式固態(tài)反應(yīng)器，夾套換熱。電機(jī)帶動(dòng)多個(gè)攪拌槳葉，槳葉平均分布于軸上，葉面與軸平行，相鄰兩葉相隔180度。為減少剪切力的影響，采用間歇攪拌的方式，而且攪拌轉(zhuǎn)速較低，15～40r/min。（五）攪拌式固態(tài)生物反應(yīng)器采用夾套換熱，換熱效果較差。生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

較先進(jìn)的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，強(qiáng)調(diào)生物反應(yīng)器是一個(gè)非線性系統(tǒng)，活細(xì)胞與周?chē)h(huán)境不斷進(jìn)行質(zhì)量、熱量、能量、信息交換的動(dòng)態(tài)生態(tài)體系，是由生命系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)組成的特定空間，而不是單一的裝置。發(fā)酵參數(shù)不能固定不變，利用無(wú)菌空氣對(duì)密閉低壓容器的氣相壓力施以周期性脈動(dòng)。

壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵生物反應(yīng)器生物工程設(shè)備——第2章生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與計(jì)算

由空氣調(diào)節(jié)罐和發(fā)酵罐組成，通入發(fā)酵罐的無(wú)菌空氣作周期性脈動(dòng)變化。壓力脈動(dòng)固態(tài)發(fā)酵系統(tǒng)生物工程設(shè)備——第