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新型转鼓式生物浸出反应器的放大研究
其他题名Researches on Scale up of a Novel Rotating Drum Bioleaching Reactor
刘国梁
学位类型博士
导师丛威
2011-06-10
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位专业生物化工
关键词生物浸出   放大   转鼓生物反应器   功耗   质量传递   颗粒碰撞强度
摘要矿物生物浸出由于能充分利用资源、低环境污染等优势,已成为矿物加工领域中研究最为活跃的领域之一。现有搅拌式生物浸出反应器存在能耗较高、剪切强度较大以及矿浆浓度受限制(~200 g/L)等问题。本文以转鼓式生物浸出反应器为研究对象,在一定规模范围内,进行了转鼓式生物反应器的逐级放大,并对放大转鼓反应器的特性进行研究,以期为转鼓反应器的进一步放大提供基础数据和理论依据。 首先设计加工了环隙式转桶反应器,考察了流体剪切和固体颗粒浓度对At.f生长和氧化活性的影响。然后在实验室18 L新型转鼓式反应器基础上,根据几何相似的放大原则,逐级放大至100 L和700 L,并对放大后转鼓反应器中流体流动、气液传质、混合以及功耗等进行了实验研究,主要取得了如下结果: (1)实验研究了不同操作条件下100 L转鼓中流体流动、气体分布、气液传质、功耗以及固体分布等性能,发现转鼓中流场稳定后形成一个大漩涡占主导,数个小漩涡并存的流动状态;转鼓中气体分布是不对称的,曝气管正上方和挡板入水区域气含率最高,挡板出水区域气含率最低;随着转速和通气增加,氧的体积传质系数kLa随之提高;转鼓转速和功耗成正相关,而通气对功耗影响很小;反应器内固体颗粒达到充分悬浮后,其浓度在反应器径向上的分布是不对称的,挡板入水区域的固含率比平均固含率低,出水区域的比平均值高,中心区域和正下方挡板区域固含率接近平均值。 (2)放大至总容量约为700 L的转鼓生物反应器中,提高了曝气面积比,加强了同轴性设计,解决了转鼓轴承处易泄漏的问题。研究了转鼓中操作条件对流体流动、气体分布、气液传质、功耗等性能的影响,结果表明操作条件对700 L转鼓中流场和气体分布的影响规律同100 L转鼓类似;由于转鼓曝气面积比增加,相同操作条件下氧传质能力得到改善;增加挡板数目和提高挡板宽度,都能提高转鼓kLa,挡板垂直于内壁时,传质效果最好,左右偏转45?,会略有降低;在固含率0~0.075范围内,固含率对kLa影响很小,当通气0.28 vvm、固含率0.1时,kLa下降了30%左右;气体分布器结构、空间布局和安装位置是影响转鼓kLa的决定因素;700 L转鼓中径向混合效果好,轴向混合效率低;操作条件对功耗的影响规律与100 L转鼓类似,转鼓体积功耗与自身装液量成负相关,转鼓净体积功耗与反应器直径成正相关,700 L转鼓功耗比传统搅拌罐低得多,71%装液量时,对于固含率0.1的氧化铝粉体系,在转速为6.3 r/min时,转鼓总体积功耗为0.242 WL-1,不到同等规格搅拌罐的1/3;增加挡板数目和提高挡板宽度,都会引起功耗增加,转速高时更加明显,挡板左右偏转45?对功耗影响较小,挡板垂直于内壁时,功耗稍高;转鼓径向上固体颗粒分布,同100 L转鼓具有类似的规律。 (3)通过以上研究,初步得出转鼓式反应器的一般设计方法:反应器放大的基本原则是几何相似,长径比根据工况要求确定,宜着重考虑沿轴向放大;挡板应垂直于内壁安装,挡板与内壁间隙要合理;挡板数目8块,宽度与内径比满足0.1~0.15;气体分布器决定了转鼓式反应器气液传质能力,在转鼓反应器放大设计中,在保证曝气面积比不变的同时,曝气管应保持合理的间距,曝气管长度应接近转鼓长度,曝气管应尽可能降低安装高度。曝气管间距d约为50 mm,曝气面积比AG/AR约为0.3,装液量在70%左右,转速为3~7 r/min。 (4)最后,在大转鼓和搅拌罐中进行了不同浓度氧化铝颗粒和含砷金矿的At.f菌生长和氧化实验,结果表明细菌在转鼓式反应器中有更好的生长和氧化活性,并且能够耐受更高的固体颗粒浓度,这体现了转鼓式生物反应器中碰撞强度低、混合温和的特点。
其他摘要Bioleaching of minerals has been one of the most active research fields in mineral processing for relatively high recovery of metal and low environmental pollution. In bioleaching practice with stirred tank bioreactor (abbr. STB), the problems such as higher energy consumption and shear intensity and the limitation of pulp density (~200 g/L) still remain unresolved. In this work the rotating drum bioreactor (abbr. RDB) chosen as research object was scaled up step by step to a certain size range, and researches on the characteristics and performance of which were carried out in order to provide basic data and theoretical basis for future further scale up. Firstly a concentric cylinder device was set up, in which batch experiments were conducted in order to study the effect of fluid shear and particles collision on the oxidation of Fe2+ by At.f. Based on the design of the 18 L RDB in our laboratory, two sizes of RDB of the volume of about 100 L and 700 L were scaled up according to the principle of geometrical similarity, and in which the characteristics of fluid flow, gas-liquid mass transfer, mixing, power consumption and so on were investigated, and the major results were as follows: (1) Researches on the characteristics of fluid flow, gas and solid distribution, gas-liquid mass transfer, power consumption in the RDB of the volume of 100 L (abbr. RDB100) under different aeration rates and rotation speeds showed that a flow field consisting of a relatively big whirlpool and lots of relatively small whirlpools was formed after the flow field in RDB100 reaching a stable condition, and the gas distribution in RDB100 was asymmetrical and the maximum gas holdup was obtained in the areas of the right top of gas spargers and the battle entering into the liquid, while the minimum gas holdup was obtained in the area of the baffle getting out of the liquid. It was found that the kLa increased with rotation speed and aeration rate.
页数149
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/8284
专题研究所(批量导入)
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GB/T 7714
刘国梁. 新型转鼓式生物浸出反应器的放大研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2011.
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