5. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIÁ TRỊ KLA TRONG BỒN LÊN MEN
5.1.2BỒN PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN KHÔNG CƠ HỌC
a Cột bọt khí
Mô hình dòng chảy của các bọt khí thông qua các phản ứng cột bọt khí phụ thuộc vào vận tốc bề mặt khí (cm/s). Tại vận tốc dưới 1-4 cm/s các bọt khí sẽ tăng một cách có hệ thống qua môi trường (Van’t Riet and Tramber, 1991) và quá trình khuấy trộn chỉ được thực hiện duy nhất ở bubble wake. Loại dòng chảy này được xem là đồng nhất. Bọt khí được tạo ra ở tốc độ khí cao thì không bằng với bọt được tạo ở đáy của bình lên men và các bọt khí sẽ kết hợp lại với nhau dẫn đến sự khác biệt trong mật độ chất lỏng. Sự khác nhau về mật độ chất lỏng tạo ra những dòng lưu thông và dòng chảy dưới những điều kiện này được coi là không đồng nhất và được biểu diễn ở hình 9.14.
Hình 9.14: Biểu đồ thể hiện chế độ dòng chảy không đồng nhất trong cột bọt khí.
Flooding trong những cột bọt khí là hiện tượng mà dòng khí thổi môi trường tràn ra khỏi bình lên men. Nó đòi hỏi vận tốc bề mặt khí phải đạt gần đến
1m/s nhưng điều này không thể đạt được trong quy mô thương mại.( Van’t Riet and Tramber, 1991)
Hệ số truyền khối theo thể tích (KLa) trong 1 cột bọt khí chủ yếu phụ thuộc vào vận tốc khí bề mặt. Heijnen và Van’t Riet (1984) đã cùng nhau nghiên cứu về vấn đề này và chứng minh các mối tương quan toán học giữa KLa và vận tốc khí bề mặt phụ thuộc vào sự kết hợp các thuộc tính của môi trường, các loại dòng chảy và kích thước bọt khí. Thật không may, các đặc điểm này hiếm khi được biết đến trong quy mô công nghiệp, nơi mà ứng dụng những phương trình toán học phức tạp. Tuy nhiên, Van’t Riet and Tramber, (1991) đã công bố mối tương quan này bắt nguồn từ những bọt khí không coalesting, không nhớt, kích thước bọt khí lớn (đường kính 6mm), điều này đã giúp cho việc ước tính khá chính xác cho các vùng không nhớt:
KLa = 0.32 ( Vsc)0.7 (9.13)
Trong đó ( Vsc) là vận tốc khí bề mặt ở điều kiện áp suất thường.
Tuy nhiên, độ nhớt có ảnh hưởng rất lớn đến KLa trong một cột khí. Deckwer và các cộng sự đã biểu diễn như sau:
KLa =c-0.84(9.14 ) Trong đó là độ nhớt động học chất lỏng ( N.s.m-2 )
Ý nghĩa thực tiễn của phương trình này là không thể sử dụng cột bọt khí với chất lỏng có độ nhớt cao. Van’t Riet va Tramper ( 1991 ) đã đưa ra giới hạn cao nhất của độ nhớt đối với một cột khí là 100x10-3 N.S.m-2 ngay tại điểm này KLa sẽ giảm 50 lần so với 1 mẻ khi phản ứng với nước.
b Bình phản ứng air-lift
Cấu trúc của 1 bình phản ứng air-lift đã được thảo luận ở chương 7. Sự khác nhau giữa cột bọt khí và bình phản ứng air-lift là chất lỏng có thể lưu thông được trong bình phản ứng air-lift. Những bình phản ứng này bao gồm 1 vòng lặp theo chiều dọc của hai ngăn được kết nối giữa riser và downcomer. Không khí vào
ở dưới đáy của riser và ra ở phần đỉnh. Chất lỏng sẽ nặng hơn hơi nước trong riser và sẽ chảy xuống downcomer. Do đó, mô hình tuần hoàn đã được thiết lập trong bình lên men: hơi nước sẽ đi lên phía trên riser và chất lỏng sẽ chảy xuống dowcomer.
Đối với một bình phản ứng air-lift cho trước và môi trường KLa thay đổi tuyến tính với tốc độ khí bề mặt theo 1 hàm log, quy mô log-log này lớn hơn phạm vi bình thường của vận tốc. Tuy nhiên, chúng ta biết được rằng sự thông khí khi thổi khí sẽ tạo nên các bọt khí, chúng sẽ tiếp xúc với chất lỏng trong 1 thời gian ngắn hơn so với cột bọt khí tương ứng. Do đó KLa trong bình phản ứng air-lift sẽ nhỏ hơn trong cột bọt khí với cùng một vận tốc khí bề mặt, tức là nhỏ hơn 0.32 ( Vsc)0.7. Ưu điểm của bình phản ứng air-lift nằm ở chỗ là nó có thể tuần hoàn được, nhưng nó chỉ có giá trị khi KLa thấp hơn.
Một cột bọt khí sẽ không xảy ra flooding khi vận tốc khí bề mặt vận hành bình thường và đây không nên là vấn đề trong quy mô lớn.