《膜反应工程》PPT课件

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1、第五章膜反应过程陈亚中 合肥工业大学化工学院概述膜的分离功能膜的载体功能膜反应器的分类膜反应器的实用工程和工艺膜反应器的设计膜反应器的应用内容一、概述膜与化学反应或生物反应相结合,构成了膜反应和膜生物反应过程。膜反应器是依靠膜的功能、特点来改变反应进程,提高反应效率的反应设备或系统,而用于生物反应体系的则称为膜生物反应器。1、膜的分离功能利用膜的分离功能可以实现产物在反应过程中的分离。主要有:1)可逆反应:依靠膜将产物B从反应区中移走,降低了B在反应器中的浓度,促使平衡向生成B的方向移动,从而在相同反应条件下,获得高于平衡转化的转化率。AB2)串联反应:产物B从反应器中排出,可降低副

2、产物C的生成,从而提高产物B选择性。3)催化受产品抑制或毒害的反应:产物B的及时分离可以消除或部分消除其对催化剂的影响,提高催化剂的表观活性,延长催化剂的寿命。2、膜的载体功能利用膜的载体功能可制成催化活性膜。另外有些膜本身具有催化活性,如:苯乙烯磺酸膜可以催化酯化反应。惰性膜材料可以通过浸渍、复合包埋、化学键合等多种方法接枝成催化活性膜。催化膜可兼具分离功能。3、膜反应器的分类按膜的形状分:平板膜、管式膜、中空纤维膜;按膜的分离属性分:目前已开发的各种分离膜都可根据反应体系的属性和要求构建相应的膜反应器。其中气相催化反应多采用可渗透气体组分的无机膜;液相反应特别是生物反应都采用超滤

3、膜和液膜。ABC一、概述按膜的功能分类:惰性膜反应器和催化膜反应器。前者具备分离功能,后者具有催化和分离功能;对生物反应可分为组合型膜反应器和一体化膜反应器。前者是反应器与分离器的耦合,后者是反应器就是分离器。按物质传递的方式分:扩散控制型和流动控制型两种,取决于物质在膜中的迁移方式。按催化剂形态分类:在膜生物反应器中,生物催化剂有三种形态:溶解酶和悬浮细胞属游离态;膜表面截留细胞团或酶蛋白凝胶属浓集态;以传统方法固定在膜内或膜表面的酶呈固定化态。固定化态难以从反应器中清除,不便于补充和置换,但使用稳定性好;浓集态装填密度高,活力稳定性高于游离态,酶或细胞的置换有一定的难度;游离态不

4、稳定,但便于补充和置换。按反应体系分:膜生物反应器、催化反应器。一、概述1、膜选择是膜反应器实用化的核心问题,一般认为膜反应器中的膜必须具有:良好的热和结构稳定性:生物反应的温度、压力较低,一般有机膜和无机膜都可使用,但有机膜必须能耐微生物降解;对于多相催化反应,膜必须经受高温、高压和各种pH条件的考验,无机膜比较适合;金属络合催化反应,温度、压力不高,常采用金属合金膜,但在有机溶剂中使用必须无溶胀效应。常用的材料中,聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺耐温200度左右;氧化铝膜和多孔玻璃膜可在800度左右稳定使用;金属钯膜耐温较高,但多次吸脱氢后会变脆现象。催化性能的要求:对于催化

5、膜,催化剂的活性组分必须沉积在反应所需要的位置上,膜材料必须对活性组分无毒。对生物膜反应,膜必须具有良好的生物相容性,对生物体无毒。分离特性:具有产物透过,反应物不能透过的分离功能。分离系数尽可能大。二、膜反应器实用化要求2、反应物的渗透膜反应器的效率将因反应物的渗透而受到影响。为解决这一问题除提高膜的分离系数外还采用如下办法:反应侧加入惰性气体使反应物分压降低,减少反应物的渗透量;反应物循环利用;反应物在膜中间位置补料;使反应物在经过一段固定床后进入膜反应分离区,避免了在反应初期高浓度反应物的渗透。二、膜反应器实用化要求3、浓差极化和膜污染主要针对以超滤膜为主体的膜生物反应器,随着

6、筛分过滤的进行,浓差极化和膜污染将导致渗透通量的显著降低,从而使反应器不能稳定操作。主要措施:反应物料预处理、膜与生物催化剂的适当配置减轻极化效应、使细胞悬浮液循环流动、控制细胞生长的密度、有效排出死细胞等。4、其他工程工艺问题:如何增大膜的装填密度、提高比表面积,减少死体积是膜反应器结构设计的一个基本点;膜与反应器壳体的连接;反应热如何传递。二、膜反应器实用化要求反应器的设计原理和方法反应器设计原则:以强化传质、传热为基础,最有效地发挥催化剂的活性,最大限度获得反应器单位体积的高产率。这些都适合膜反应器的设计。具体的设计方法和步骤:1)反应动力学公式的确定和动力学常数的测定;2)反

7、应器中流体流动特性和传递规律的分析;三、膜反应器的设计3)物料衡算方程的建立和边界条件的确立;4)方程求解(解析解或精确解),求解结果得到反映反应器行为、特征的操作方程或有关图表。2、膜反应器中的反应动力学在膜反应器中,化学反应的关键步骤不会改变,其动力学行为也不会发生变化。膜反应器的动力学即原反应的本征动力学。对于生物反应,如果酶和细胞以游离态的形式存在,由于其本身的形态无明显得变化,可采用其本征动力学;如果细胞以浓集态和固定化相同存在,其本身的形态将因

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