专利名称：混合系统的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及混合系统，更具体地说，涉及用于在一个槽内使液体循环并进行气-液接触的系统(方法和设备)，特别是当这种液体是非牛顿液体并具有剪切变稀粘度特性时。良好的液体循环和混合以及紧密的气-液接触有利于气体成分向液体内的物质传递。
本发明特别适用于生物反应过程，例如通过循环含有微生物和生长培养基的浆料进行发酵，特别是当发酵过程使浆料的粘度增加时。本发明可改善这类液体的充氧条件和混合效果，促进发酵过程。本发明特别适用的一种发酵过程是用于生产多糖例如黄原胶的过程，并通过改善溶液的循环和混合以及充氧，从而改善高浓度黄原胶的发酵过程，其中在这种高浓度黄原胶的情况下，会产生极高的粘度，以致于利用传统的方式无法对其进行有效的循环和混合。因此，采用本发明能够增加作为黄原胶浓度的函数的发酵物的产量或者在一个很短的时间内生产出发酵产品。
采用实施本发明的混合系统可有效地对非牛顿液体进行混合和充氧，该非牛顿液体具有剪切变稀的特性，即在有剪切作用存在的情况下，这种液体的粘度显著降低。为了降低液体的粘度以便使之能够被循环，在传统的系统中把产生剪切力的区域限制在用于循环液体的叶轮附近。这种区域有时被称之为围绕叶轮的剪切变稀洞穴。其余的液体，例如叶轮所处槽内的液体仍然保持高的粘度，因此不能循环或混合到有效地进行气体交换，特别是达到槽内全部液体的充氧所需程度。槽中的液体未混合或未循环部分常常被称之为“死区”，它会大大降低发酵过程的总效率。
根据本发明发现，槽内的一定体积的液体循环可使得槽内的液体能够整体循环。在剪切变稀(非牛顿)液体的情况下，当搅拌的剪切力场或剪切力分布图达到槽内液体的一部分体积时，将引起液体的循环。根据本发明，产生不同于循环方向的液体流动(例如产生涡流)的剪切力场或剪切力分布被抑制。通过液体的一部分体积的流动造成整个槽内的所有部位的流动，从而使全部液体循环以便获得槽内液体从上到下的翻转。因此，可以实现例如在发酵过程等中所需的将气体引入循环液流并进行充气的目的。
已经提出过采用各种手段提高槽内的混合和循环效果的方案。但是，在很多非牛顿剪切变稀液体中，特别是在发酵过程中所存在的苛刻的循环和混合条件下，这些技术不能够保证以促进这些反应过程所必需的足够速度进行适当的循环和混合。
因此，本发明的一个目的是提供一种混合系统，在苛刻的混合条件下，特别是在非牛顿(剪切变稀)液体所表现出来的那种严格混合条件下，该系统可对液体进行有效的循环和混合。
本发明的另一个目的是提供一种改进的涉及液体的循环和充气的系统，它可以有效地用于高粘度、剪切变稀的液体。
本发明的另一个目的是提供一种用于对槽内的液体进行循环的改进的叶轮系统，它可以节约在槽内产生所需流动的能量。
本发明的另一个目的是提供一种改进的叶轮，该叶轮通过在槽中液体表面的上方产生液体喷射流从而有利于表面充气，这种表面充气在这里也称之为表面掺气，这种表面掺气不受槽中液体表面处的气体(不管是空气，氧气或其它气体)的性质的限制。
本发明的另一个目的是提供一种混合环境，它可降低溶液的表观粘度，从而提高液相物质传递，并提高整个气-液物质传递。
本发明的另一个目的是提供一种改进的测定充气效率的方法，所述充气在这里称之为气体向液体内的物质传递，并用总液相物质传递系数KLa表示，特别是提供一种借助非稳态再充气方式测定液体充氧的方法，在由于高粘度以及大量液体相混合时效率较低以及充气液体介质的不透明性而无法采用标准的溶氧探针及标准的Winkler溶氧滴定工艺的情况下，该方法可精确地进行这种测量。
简而言之，本发明可用一个设置在槽中液体表面(当液体不循环而静止时测得的表面)下方的混合器系统并利用多个沿一静止导管的轴线相互分隔开的叶轮来实施，其中叶轮围绕静止导管的轴线旋转。该导管提供一些处于该管内部和外部的同轴区，其中，导管的直径和长度使得导管占据槽内液体的一部分体积。叶轮包括多个，同时叶轮产生一个剪切力场或搅拌力分布图以及一个压力梯度，以便产生通过内部区域向上然后通过外部区域向下的良好循环。叶轮产生多个相互关联的搅拌力场，特别是它们相互交叠。例如，借助从导管壁向内径向伸出并轴向位于叶轮之间(优选地在绝大多数叶轮的上方和下方配置)的隔板来抑制导管内的涡流。
可将气体喷洒(喷射)到进入导管内和/或液体表面的液流中。在这种情况下，通过采用一个表面充气叶轮，夹带着液体表面上方的槽内的空气的充气过程可被加强。同时，借助一个将内部和外部区域连通的套管可增强导管上部的循环。
表面充气叶轮可利用多个沿周向互相分离并与沿叶轮的旋转轴线径向延伸的直线成锐角设置的多个叶片形成。可延伸到表面下方的叶片的下部部分可向外折叠。叶片使液体形成向离开表面向上和向外方向的喷射伞。
通过下面结合附图所进行的说明，本发明的前述目的和其它目的、特征和优点以及其优选实施例、实施本发明的最佳形式将会变得更加清楚，其中
图1是一个根据本发明的含有一个混合叶轮系统的槽的示意性前视剖面图；图2是沿图1的2-2线截取的沿箭头方向观察到的剖视图；图3是类似于图1的根据本发明的叶轮系统的另一个实施例的视图；图4是沿图3的4-4线截取的剖视图；图5是类似于图1所示的本发明的另一个实施例的视图；图6是一个类似于图1的本发明的再一个实施例的视图；图7是一个沿图6的7-7线截取的从箭头方向观察的剖视图；图8是一个类似于图1的本发明的另一个实施例的视图；图9是一个类似于图1的本发明的另一个实施例的视图；图10是沿图9的10-10线截取的从箭头方向观察到的剖视图；图11是沿图9的11-11线截取的剖视图；以及图12是一个曲线图，它示出了在液体内作为时间函数的氧浓度的变化，所述液体己在一个如图1所示的系统内充氧，同时该曲线图对于推导出因液体充氧所造成的物质传递系数KLa是十分有用的。
首先参见图1和2，它示出了一个已经证明可十分有效地用于混合和循环非牛顿液体及液体浆料并对其充气的混合系统。图1所示的系统被证实特别适合于改善包括发酵在内的生物反应过程(并特别适合于生产黄原胶的过程)的混合和物质传递。下面所介绍的是说明混合和充氧过程的例子，在这些过程中，利用空气作为对模拟高浓度(重量百分比为百分之三到百分之四)黄原胶溶液的气体充氧介质。对这种溶液进行有效地混合和充氧的能力以及能够生产在具有提高的商业价值的浓度的发酵产品是本发明的一个重要特征。
非牛顿流体的特征是，它具有一个可变的作为外加剪切力的函数的粘度。诸如水和矿物油等牛顿流体具有恒定的粘度。在处于剪切力场中时，非牛顿流体的粘度发生变化，在该剪切力场中，液体受到一个变化的剪切率(1/sec)。重量百分比在百分之三范围内的黄原胶溶液是一种商业用非牛顿溶液，在静止时其粘度在10,000cp(厘泊)(例如10,000到30,000cp)的数量级，而在高剪切率的情况下为则100cp。这里所采用的所有粘度值全部是用布氏(Brookfield)粘度计测定的。
在充气过程中，例如在发酵过程中的液体培养基的充氧过程中，要求连续地充气直到不能再以足够的速度输入氧气为止，以便供养发酵培养基中的微生物。当在多糖发酵中接近这一条件时，粘度增加到供充氧速度和培养基的循环不能再供应微生物所需的氧的程度。当达到这一条件时，发酵作用不能再继续进行。本发明所提供的混合系统即使在这些条件下(黄原胶浓度高达百分之三或更高)，通过将溶液的大部分保持在高剪切率状态，也可将诸如黄原胶溶液等非牛顿流体保持在低粘度下，从而能够持续有效地进行输氧和混合。因此，这种过程从一开始就可一直持续保持低粘度的初始条件(在黄原胶中为100到200cp)，因为在被混合和循环的液体的绝大部分中都具有高的剪切率。从而在具有高浓度黄原胶的液体中可以进行充气，所述液体的很大部分保持足够的粘度，从而能够在发酵器中对全部体积的液体都能进行良好的循环和供氧。
如图1和2所示，液体位于槽10内，并具有一个液面12，当槽内的液体静止时(即不被循环或翻转时)，该液面位于槽的上部或上缘14之下，位于槽的表面12和底部16之间。槽10通常可以是圆柱形的，槽壁竖直向上设置。一个圆柱形的导管20优选地安装在槽的中央。当槽为圆柱形时，导管20的轴线与槽10的轴线重合。导管的直径及其长度为，由导管20所限定出的内部体积基本上占槽10中液体体积的至少25％，优选地占50％。在槽的底部16和导管的下端22之间具有一个间隙。导管上端24位于液体表面12附近。多个混合叶轮26,28,30和32安装到一个公用轴34上，并由该轴驱动。轴的上端可经由齿轮箱(未示出)连接到一个驱动电动机上，轴34的下端可被支承在一个固定的轴承36上。叶轮全部采用同样的类型，即所谓的倾斜叶片涡轮(PBT)，其具有多组绕旋转轴线周向间隔开的四个叶片，所述轴线为轴34的轴线，所述叶片相对于轴线成45°角设置。这种PBT可从美国的Lightnin Unit of General Signal Corporation购得，其型号为A200。或者，也可采用另外一种轴流式叶轮，例如翼型叶片(有时称之为水翼叶片)。这种轴流式叶轮例如为可从Lightnin Unit购得的A-35型叶轮，它在Weetman的美国专利4,896,971中进行过描述。其它适宜的翼型叶轮在Weetman的美国专利4,468,130中也进行过描述。
导管内的混合系统还包括四个由竖直隔板构成的隔板组38,40,42和44，这些隔板围绕轴34的轴线的外周成90°设置在叶轮之间，如后面所讨论的其它附图所示。另外的隔板组可位于最上部和最下部叶轮32和26的上部，如果需要的话也可设置于其下部。换句话说，在每一组内包含两对相互之间成180°的隔板对(见图2)。叶轮26-32借助于隔板组38-44形成一个搅拌力场或搅拌力分布图，它在导管内的液体中提供一个很强的剪切力。从而，在非牛顿(剪切变稀)液体的情况下，导管内的液体粘度保持在足够低的水平，从而提高物质传递效率并改善在槽内的循环条件。造成最有效混合的循环区域为沿着导管内向上的方向到导管端部32和24的区域，在该区域处，液流改变方向，从而液流在导管20和槽10的侧壁之间的环形区向下流动。
在导管壁20和槽10的侧壁之间的环形区是一个低剪切力区，因此对于剪切变稀的液体是一个高的有效粘度区。尽管如此，借助通过低粘度的导管区所产生的高速液流，会保持不会滞留地向下穿过该高粘度环形区向下的良好的均匀液流。因此，在导管壁20和槽10的侧壁之间的环形区具有较高的平均轴向流体速度，液体很快地循环到高剪切力、低粘度的导管区内。
导管的直径和叶轮的相对尺寸以及叶轮在导管内的位置与液流速度有关，以获得所需的循环和混合。因此，液流速度和包含在导管内的体积以及导管的体积应足以在导管和槽壁之间在一个很宽的粘度范围例如直到高达104cp(布氏粘度)的粘度范围内建立轴向液流。
为了防止在由槽10的侧壁和底部16构成的拐角处形成滞留区，可以安装环形板或者环46，从而形成倒角，以便使液流顺滑地通过拐角。或者，该板可以是向内凸出的曲面状，以便为倒角46提供基本上为圆形的轮廓。为了向液体充气，一个喷管50将气体通入导管的下端，并优选地靠近最下端叶轮26的叶片的末端(径向最向外端或周缘端)。气体导入通常称为喷射。充气一词通常用于指导入包括空气或富氧空气在内的任何气体。也可采用基本上纯的(90至95％)的氧气。在液体表面12处，由于紊流也会向液体内进行气体弥散或气体混入，在该表面12处进行气-液接触并将气体输送到液体内，从而它通过外部环形区向下循环。由于在导管内具有高剪切率，液体处于低粘度状态，使得气体能够从喷管50被打碎成细的气泡，从而形成总量很大的气-液交界面积以促进物质传递。氧气的物质传递率可借助总液相物质传递系数(KLa)来度量。
为了提供高的剪切条件(高的剪切率，以充分降低槽内液体的粘度使之容易且均匀地循环)，叶轮26,28,30和32相距足够近，以使得它们的液流场或流动图相互交叠。当生成交叠的液流场时，不仅产生轴向搅拌，同时产生对液体足够大的径向力。隔板组38,40,42和44抑制这些产生涡流的径向分量，从而使得通过导管向上的液流基本上是轴向的。优选地，隔板向内径向地凸出一定的距离，以足以抑制液体的径向流动。优选地，隔板的高度为，使得隔板的上、下边缘与相邻的叶轮之间的间隔达到为对叶轮26-32提供一个实际运行间隙所需的最小值。
我们发现，下面的参数对于有效地进行液体循环和混合以及充氧提供了合适的条件。应当理解，这里所选择的数值与将被循环和充气的材料(液体，液体浆料或其它介质)有关。下面的一些特征按照它们的重要性排列。本发明的一个特征是，提供一种混合系统，其中，采用所有这些参数通常可确保有效地进行液体混合和循环以及有效地进行气-液接触(物质传递)，特别是在生物反应过程中。所述参数为1、导管直径与槽的直径之比约在0.35到0.75之间，这里，优选的比值约为2/3(0.667)。
2、叶轮直径与导管直径之比约为0.5至0.96。所有叶轮26-32通常在叶片端部之间具有相同的直径。如果采用不同直径的叶轮对，在选择这一参数时，即选择叶轮直径与导管直径之比时选用最大直径的叶轮。
3、叶轮竖直间隔，即，从叶轮前端到尾端测量时叶轮的平均高度，其约在相邻叶轮中最大一个的直径的0.70到1.30倍之间。换句话说，如果相邻的叶轮具有相同的直径，则其间隔在叶轮直径的0.70到1.30倍之间；如果相邻的叶轮具有不同的直径，则利用最大的直径来确定其间隔，使之处于两个相邻叶轮中直径较大的一个的直径的0.70至1.30倍之间的范围内。优选地，使叶轮相互间隔，以使得它们的中线相互分隔开大约1.0个叶轮直径。
4、导管内部的竖直隔板的径向宽度与导管直径之比优选地在0.1至0.4之间。优选地，其径向宽度对导管直径之比为0.33左右。隔板在竖直方向的高度应当能够接近叶轮，并优选地与其贴近，使之仅留出足够的间隙以不妨碍叶轮的旋转。
5、在每组隔板中，优选地有两个或四个隔板。
6、导管的上端部可浸入液体中，其距离液面大约0.3个导管直径。在采用表面充气叶轮或采用换向套管的情况下，如后面将参照图8到图11所描述的那样，导管的没入深度足以使得能够将充气器和/或液流换向器插入到导管的顶部。但是，由导管所占据的槽内的液体的体积应当保持基本上并至少为槽中液体体积(在槽的底部、液面之间并位于槽的侧壁内)的0.25倍。最上部的叶轮距槽内的液体的表面仍应小于约一个叶轮的直径。选择最上部叶轮的位置使之能够产生良好的表面紊流并进而造成良好的气-液接触，以便提高气体输入速度以及系统的物质传递系数。
7、导管底部距离槽的底部的间隙优选地为导管直径的0.3至0.70倍。导管底部或下端距离槽的底部的间隙的距离的优选参数为0.5个导管直径。
参见图3和4，其中示出了一个具有四个叶轮60,62,64和66的叶轮系统。其中具有两个轴流式叶轮60和64及两个径流式叶轮62和66，它们交替地沿旋转轴线(该旋转轴线是对所有叶轮公用的一个轴68的轴线)设置。轴流式叶轮可以是PBT型或翼型叶片叶轮，如结合图1和2所讨论的那样。径流式叶轮62和66可以是所谓的Rushton涡轮，例如R-100类型的径流式叶轮，其目前可从Lightnin Unit ofGeneral Signal Corporation购得。有关径流式叶轮的信息可从Englebrecht和Weetman的美国专利4,454,078和Stanton的美国专利4,207,275中获知。
图3还表示出最下面的一组竖直隔板70，它可从导管的下端22向外延伸，或者该隔板的下边缘与导管的下端重合。
气体被喷射到导管的下端内。径向和轴流式叶轮是紧邻着布置的，以使得它们的搅拌力分布图与剪切力场相互交叠，从而能够产生通过导管进行沿轴向向上的良好液体循环以及通过导管和槽的侧壁之间产生的环形空间的回流循环。
图5所示的系统与图3所示的系统类似，不同之处在于，导管占据槽内液体的一个更大的体积部分，以及隔板相对于较大叶轮(轴流式叶轮60和64)的直径向内延伸的距离比图3和图4所示的系统中的小。
利用交替的轴流式和径流式叶轮可提供充分的混合、循环和充气，即使在围绕导管的环形空间中也能够提供充分的循环速率(例如每秒1/2英尺的流速)，从而产生良好的混合和从顶部到底部的翻转以及大量的气体向液体内的物质传递和气体向液体中的弥散和溶解。图3,4和5中类似于图1和2中的部件采用类似的符号。
参见图6和7，它表示一个槽10中的混合系统80，其具有三个位于导管20内部的轴流式叶轮82,84和86以及一个位于对所有叶轮公用的轴34上的径流式叶轮88。径流式叶轮88位于导管下方液流向上流入导管内的区域内。在导管内的叶轮的情况下，隔板，特别是位于导管最上端和最下端的隔板组(图6中的隔板组90,92)可减少涡流，并促进通过导管向上接着向下进入槽的侧壁和导管20之间的环形空间内的循环。径流式叶轮具有一个功率(驱动该叶轮所需的功率匹数对叶轮速度的立方和叶轮直径五次幂的乘积之比)，它远大于或优选地大约等于导管内的各叶轮的功率的总和从而径流式叶轮88具有至少和导管内所有三个叶轮82,84和86同样大的功率。来自径流式叶轮88的搅拌力场延伸到导管的下端，以利于在槽内的一个足够大的体积中产生一个搅拌力分布图和剪切力场，从而促使槽10内的液体完全翻转或循环(从顶部到底部的混合)。同时，径流式叶轮可促进气体从导管向混合系统的高效弥散。为了抑制径流式叶轮88的混合分布图中的涡流，沿槽10的侧壁设置多个(至少两对)竖直隔板96和98，对于待混合、循环和充气的液体介质，这些隔板至少延伸到从槽的底部到导管的底部的一半的距离。
当用除空气以外的气体进行充气时，特别是在整个发酵过程中，要求上部的气体空间(图1中用100表示的从槽的上缘到液面12之间的距离)用盖102密封。例如，当利用氧气作为充气气体时，其上部需要密封。氧气可借助经过槽的侧壁进入上部100的管道被导入。
参见图8，其中表示采用混合系统200的本发明的另一个实施例，它具有一个径流式表面充气叶轮202，其带有沿周向间隔地围绕叶轮202的四个轴流式45°PBT叶轮208,210,212和214的公用轴206的旋转轴线204设置的叶片。一种Lightnin 335型的叶轮可适用作为表面充气叶轮202，并通过生成一个喷射伞提供额外的气-液交界面，从而把更多的空气带回到向下并在导管220和槽222侧壁之间的环形空间内再循环的表面液体内。表面充气叶轮202还提供附加的通过导管220将液体向上泵取的作用。在利用表面充气叶轮的情况下，导管的上端224可与液面226(槽内静止液面)相重合。
在图8所示的系统中，设置沿槽的侧壁向最低的隔板组230向下延伸的分离喷管228。该喷管向上弯入导管内，以便于将气体直接引入导管中。本发明的特征是，喷射气体进入导管内或者进入上部气体空间内或者两者兼备。在采用基本上纯氧气的情况下，将氧气导入到上部空间内，或者导入到诸如一组管道228内，或同时导入上部和所述管道内。
参见图9,10和11，其中表示出一个叶轮系统300，除在导管302内叶轮和隔板的设置与叶轮208,210,212和214及与它们相关的隔板的设置相似之外，它具有一个套管304，以用于促使流出导管向上的液流转向流入到导管302和槽306的侧壁之间的环形区内。该套管可以是一个半环形外壳，并具有至少一对(但优选地为两对)成180°分开的隔板310，用于抑制径向流返回到导管内。这些隔板从导管附近径向地向内延伸到套管304的内周。套管304可由一个杆或角铁312加强，并可通过沿隔板310的下边缘和导管的上边缘进行焊接连接到导管上。
一个改进的表面充气叶轮延伸通过槽306内的液体的静止液面316。该叶轮具有多个竖直延伸的叶片320。每个叶片以一个相对于绕叶轮轴线(公用轴322的轴线)依次沿周向间隔开的径向线成约30°的角(α)设置。这些叶片在其上端具有竖直部分324。叶片320还具有优选地在液面316下方延伸的部分326，这些部分向外弯折相对于其竖直部分构成大约为120至135度的钝角。这些叶片起着戽斗的作用，用于从表面充气器将足够的液流提供给喷射伞。喷射液体落回到套管304上并进入槽306的侧壁和导管302之间的环形区内，从而进一步促进从液体上部的空间夹带气体并提供一个更大的物质传递系数KLa。图9-11所示的实施例优选地用于在槽306内用纯氧作为充气气体所进行的过程中。
参见图12，它表示溶氧(D.O.)浓度随时间变化的测量曲线，可用于确定总的液相物质传递系数KLa。该物质传递系数可通过非稳态再充气测试方法来确定，它利用溶液中的溶氧探针或直接的液体样品的滴定来测量溶氧浓度随时间的变化。但是，对于高粘度的不透明介质，例如，黄原胶溶液，精确地测量D.O．(溶氧)浓度随时间的变化曲线是极其困难的。精确地运用非稳态充气测试方法还要求整个液相区进行良好的液体混合，且其中没有死区。同时要想利用D.O探针并进行精确地标定还要求具有液体高速流动区。本发明提供一种有效的液体混合和循环系统，该系统可满足对精确使用非稳态充气测试方法所提出的全部要求。对于高粘度、剪切变稀的液体，传统的液体混合系统无法利用非稳态测试方法进行有效的评价，因为在槽内整个液体的混合和翻转水平非常差。
非稳态充气测试通过首先在待测试的实际混合和充气系统中进行混合和充气以生成一批黄原胶溶液的方式进行。这将需要几个小时，从而确保达到溶氧量的平衡状态。然后从批料中提取测试样品，利用特别适合于高粘度不透明溶液的经改型的Winkler溶氧滴定法测量达到平衡的溶氧含量。然后利用饱和时的溶氧含量校准溶液中的平衡-溶氧量(每升溶液氧毫克数)的溶氧探针。
在完成上述D.O.探针的校准程序后，通过在槽内的批料中通以非反应性气体，如氮气以除去槽内液体中的溶氧。这可以通过在混合系统中用氮气作为充入气体代替空气或氧气来进行。利用溶氧探针进行测量以便表明溶氧已被从液体中除净。这种清除可能需要10到15分钟。然后用空气或其它含氧的气体进行再充气，直到整个液相达到氧饱和为止。在再充气过程中在连续的时间区间内测量D.O.(溶氧)浓度。然后绘制图12所示的曲线，其中t0是充气开始时刻，C0是初始D.O浓度。
任意时刻的氧传递率(OTR)是图12中的曲线的斜率或dC/dt。也被定义为KLa(C*-C)，其中C*对应于平衡时的D.O.含量，例如，从槽的中间取出的样品。所得微分方程的解等于C=C*-(C*-C0)exp[-(KLa)]。D.O.浓度对时间的方程的统计解提供一个对于氧的物质传递过程的总参数KLa。该物质传递系数KLa是混合过程中充气效率的度量，并用于在下面所述的例子中表明不同过程和参数条件下的效率。
在例子1至5中，采用了如图1和图2所示的系统，其中叶轮为17英寸的PBTS。采用如图8所示的四管喷气系统，而不是采用单个的气体喷管50。在样品中被测试的液体是模拟的黄原胶发酵培养基溶液，其包含重量百分比为百分之三到百分之四的黄原胶。
该模拟溶液为百分之二(重量百分比)的黄原胶和0.5M(摩尔)硫酸钠的水溶液。在各例子中所给出的物质传递系数是作为整个槽的体积的液相物质传递系数，并利用非稳态再充气技术所测得的，所述技术是专门开发用于直接和精确地测定如上面所讨论的黄原胶液相物质传递系数的。
例1导管直径 18″槽直径 36″液面高度 72″槽高 84″输入功率 23.6HP/kgal
喷气速率0.5vvm通过导管向上和通过环形区向下的液流速度3/2升/秒整个槽的液体的翻转时间 3.9秒整个槽体积的液相物质传递系数(KLa) 18.9秒-1例2导管直径24″槽直径 36″液面高度72″槽高84″输入功率23.6HP/kgal喷气速率0.5vvm通过导管向上和通过环形区向下的液流速度5/6升/秒整个槽的液体的翻转时间 2.3秒整个槽体积的液相物质传递系数(KLa) 16.5hr-1例3导管直径18″槽直径 36″液面高度72″槽高84″输入功率23.6HP/kgal喷气速率0.1vvm
通过导管向上和通过环形区向下的液流速度444升/秒整个槽的液体的翻转时间 2.7秒整个槽体积的液相物质传递系数(KLa) 10.3hr-1例4导管直径24″槽直径 36″液面高度72″槽高84″输入功率23.6HP/kgal喷气速率0.1vvm通过导管向上和通过环形区向下的液流速度456升/秒整个槽的液体的翻转时间 2.3秒整个槽体积的液相物质传递系数(KLa) 9.2hr-1例5导管直径18″槽直径 36″液面高度72″槽高84″输入功率15.75HP/kgal喷气速率0.5vvm通过导管向上和通过环形区向下的液流速度240升/秒整个槽的液体的翻转时间 5.1秒整个槽体积的液相物质传递系数(KLa) 16.5hr-1例6导管直径24″槽直径 36″液面高度72″输入功率15.75HP/kgal喷气速率0.5vvm通过导管向上和通过环形区向下的液流速度276升/秒整个槽的液体的翻转时间 4.4秒整个槽体积的液相物质传递系数(KLa) 12.5hr-1除上面各例中所给出的性能数据之外，这种新的混合系统在整个槽系统的液相中没有死区，同时在整个槽中也可达到非常有效的气体弥散。从液体表面逸出的平均气泡尺寸的直径范围为1/4″至1/2″，而传统结构的系统中则为8″至12″。同时，整个混合器和槽系统的机械稳定性获得极大的改善，特别是，混合器和槽系统没有故障和不规则运动。
从上面的描述中可以理解，这里提供了一种改进的混合系统，所述系统特别适合于进行高效的液体混合以及气一液接触并改善了对于非牛顿剪切变稀液体的物质传递。对于熟悉本领域的人员来说，会很自然地想到在本发明的范围内对这里所描述的系统的各种改进和变型。因此，上面的描述应理解为只是为了说明的目的，而非对本发明的范围的限定。
权利要求
1.一种用于在一槽内循环液体介质的系统，该系统可促进气体成分向所述液体介质中的传递，所述系统包括多个叶轮，这些叶轮在所述槽内产生反向液流的区域之间产生沿相反方向的液流；一个管，该管具有一个轴线和相对的两端，所述相对两端中的每一个靠近所述区域中的一个，所述叶轮设置在所述管内并可围绕所述轴线旋转，所述叶轮中的每一个产生一个搅拌场或搅拌分布图，它剪切所述液体介质，所述叶轮以充分靠近的间隔沿所述轴线设置并沿所述轴线的径向延伸横贯所述管，以使得基本上在所述管的整个体积内产生所述搅拌；用于抑制由所述搅拌引起的围绕所述轴线的涡流的装置；以及所述沿相反方向中的一个方向流动的液流位于所述管的内部，而沿所述相反方向中的另一个方向流动的液体位于所述管的外部。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述槽是竖直设置的，并且所述位于管内部的液流沿向上的方向流动。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述管是一个导管，它具有一个壁，同时所述槽也具有一个壁，所述管壁和所述槽壁限定出一个沿所述轴线延伸的环形空间，所述液流在所述环形空间中向下方流动。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，它进一步包括用于向所述径流式叶轮喷气的装置。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，位于所述管内的所有叶轮是位于一个公用轴上的轴流式叶轮。
6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述区域中的一个位于所述槽内的液体介质的表面与所述管的所述相对端中的上端部之间，所述区域中的另一个位于所述管的底部和所述槽的底部之间，所述上部区域和下部区域分别具有一个轴向长度，其分别为所述管的直径的0.3倍以及所述管直径的0.3至1.0倍。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述搅拌力分布至少借助于所述管内的叶轮被促进，所述叶轮在管内沿轴向产生液流，并与所述管的直径之比在0.4至0.98的范围内。
8.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述用于抑制在所述管内产生围绕轴线的涡流的装置由在管内沿所述轴线径向延伸的多个隔板构成，这些隔板设置在所述叶轮之间，其中，所述隔板具有一个从所述导管向所述轴线延伸的径向宽度，该径向宽度与所述导管直径之比在0.1至0.4的范围内。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述管内，相邻的叶轮沿所述轴线相互隔开，其间距约为具有最大直径的叶轮的直径的0.60到1.40倍，从而使得它们相互足够靠近，以便产生所述搅拌场。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，在所述导管内的叶轮包括轴流式叶轮，它们具有相同的直径，同时其直径与所述导管的直径之比约在0.4到0.98之间。
全文摘要
一种用于改善液体混合和高效地进行气－液接触的系统,用于在一个槽内将气体向液体特别是非牛顿液体内进行物质传递,所述非牛顿液体在剪切力的条件下可降低粘度。在该槽内可以进行诸如黄原胶等多糖的商业化生产。在槽内设置一个竖直向上的导管,该导管具有一个与槽的底部隔离的下端部,以及一个在槽内液体表面以下的上端部。在导管内设置相互足够靠近的混合叶轮,以便建立一个搅拌场或搅拌分布图,用于引起剪切变稀和通过导管向上的液流,并可在液体表面产生紊流。多个径向向内凸出的沿周向间隔开的隔板从导管上延伸出来,并靠近混合叶轮设置,用于防止在导管内产生涡流。可在导管的下端部或靠近下端部处将气体喷射到槽内。产生一个通过导管向上并从导管的上端流出的气体和液体的混合流,从而提供一个从气体向液体内的高速物质传递。夹带有气体的液流转而向下通过槽壁和导管之间的区域,用于对液体表面上方的液体和气体进行再循环。溶气浓度和系统的液相物质传递效率借助一个测试液体样品的再充气方法进行测定。
文档编号C12M1/08GK1323352SQ99812008
公开日2001年11月21日 申请日期1999年9月28日 优先权日1998年9月28日
发明者约翰·麦克沃特, 布拉德利·多米尼克, 普拉卡什·巴兰 申请人:宾州研究基金会