生物技术在现代生活中扮演着举足轻重的角色，尤其是在食品、抗生素、疫苗、基因产品以及生物制药等多个领域。在这些行业中，搅拌釜式生物反应器因其结构简单、操作便捷和混合性能优越，成为了不可或缺的生产设备。

搅拌釜式反应器在化工生产中发挥着关键作用，它通过搅拌器的作用，确保物料在釜内均匀分布，并减少物料间的温度差异。搅拌过程中，流体的流动与热量的传递紧密相连，形成了一种热流耦合现象。因此，深入研究搅拌流体流动与传热的耦合关系，对于提高生产效率和确保产品质量至关重要。

搅拌器作为搅拌釜内的核心部件，其性能直接影响到物料的混合效果和热量传递效率。如果物料混合不均匀或温度分布不均，不仅会降低生产效率，还可能引发生产事故。在实际生产中，搅拌器的选型、操作参数的选择以及搅拌桨型、数量和尺寸参数的确定都是影响搅拌效果的关键因素。因此，在选择搅拌器时，需要综合考虑搅拌效果和功耗，以确保在搅拌性能优良的同时，实现节能降耗。

搅拌器是搅拌釜中实现搅拌功能的核心部件。搅拌桨的选择和设计在优化搅拌设备的实际应用中扮演着关键角色。搅拌的主要目标是确保釜内的物料能够充分混合，同时实现热量的均衡分布和浓度的均匀性。为了满足不同的搅拌需求，搅拌器有多种分类方式：

(1)从搅拌桨的结构来看，搅拌器可以分为直叶桨、斜叶桨、弯叶桨和螺旋叶片桨等不同类型，它们还可以进一步细分为桨式、涡轮式、推进式和螺旋式等。例如，桨式搅拌器适合液体的循环，但对于气体的分散效果不佳；涡轮式搅拌器具有强大的剪切力；推进式搅拌器则具有出色的循环能力；而螺旋式搅拌器在层流搅拌中表现出色。

(2)从搅拌的应用场合来看，搅拌器可以分为适用于低粘度流体和高粘度流体的两大类。当被搅拌物料的粘度较低时，可以选择桨式、推进式或涡轮式等搅拌器；而当被搅拌物料的粘度较高时，则更适合选择框式、锚式或螺带式等搅拌器。

(3)从搅拌桨产生的流型来看，流体在搅拌桨的旋转作用下会在釜内形成不同的流型，主要包括轴向流、径向流和混向流。推进式搅拌器主要产生轴向流，直叶涡轮搅拌器是典型的径向流型搅拌器，而斜叶涡轮搅拌器则能够产生混合流。

径向流搅拌桨产生水平射流撞击釜壁后沿釜壁分别向上、向下运动后流回叶轮根部，以搅拌桨为界形成对称的流动循环。

轴流型搅拌桨产生沿轴向流动的流体，搅拌桨沿轴向下排出流体撞击釜底后反向沿轴向上运动，在釜内形成一个整体的循环流动。切向流运动方向与桨叶旋转方向相反，以搅拌轴为中心做回转运动，阻碍流体被卷吸到叶轮区进行混合。

传热元件

在搅拌过程中，热量传递是一个常见的现象。为了确保某些特定反应在恒温环境下进行，搅拌设备通常需要配备换热设施。常用的换热设施主要包括夹套和盘管。在选择这些设施时，一般遵循以下原则：对于换热要求不高的搅拌操作，夹套是一个优先的选择；然而，当换热面积不足以满足需求时，就需要考虑在釜内安装盘管。特别地，横式盘管除了其换热功能外，还可以作为导流筒使用，而竖式盘管则能够替代挡板，起到扰流的作用。

以大肠杆菌发酵罐为例，这种搅拌釜式生物反应器具有特定的尺寸规格，如直径为300mm，釜高为740mm，且液位高度达到660mm。对于这类高径比较大的搅拌釜，多层搅拌桨是一个常见的选择。在发酵罐中，多层径流桨和轴流桨的组合搅拌型式尤为常用。其中，圆盘涡轮桨因其强大的剪切力常被用作下层桨，而轴流桨则位于上层，以增大釜内的循环量。在本文中，我们选择了一个三层组合搅拌桨的设计，下层为六直叶圆盘涡轮桨，而上两层则采用了结构相同的六斜叶圆盘涡轮桨。

由于发酵过程对换热要求不高，传热部件选择圆筒形整体夹套，夹套进出口为圆截面管，与釜体相切，分上下布置。釜体材质为316L不锈钢，釜壁厚度为3mm，饱和蒸汽从夹套上部入口进入，由下部出口流出，对釜内物料进行加热。

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