《膜反應工程》PPT課件

《《膜反應工程》PPT課件》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。

1、第五章膜反應過程陳亞中合肥工業(yè)大學化工學院概述膜的分離功能膜的載體功能膜反應器的分類膜反應器的實用工程和工藝膜反應器的設計膜反應器的應用內(nèi)容一、概述膜與化學反應或生物反應相結(jié)合，構(gòu)成了膜反應和膜生物反應過程。膜反應器是依靠膜的功能、特點來改變反應進程，提高反應效率的反應設備或系統(tǒng)，而用于生物反應體系的則稱為膜生物反應器。1、膜的分離功能利用膜的分離功能可以實現(xiàn)產(chǎn)物在反應過程中的分離。主要有：1）可逆反應：依靠膜將產(chǎn)物B從反應區(qū)中移走，降低了B在反應器中的濃度，促使平衡向生成B的方向移動，從而在相同反應條件下，獲得高于平衡轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率。AB2）串聯(lián)反應：產(chǎn)物B從反應器中排出，可降低副

2、產(chǎn)物C的生成，從而提高產(chǎn)物B選擇性。3）催化受產(chǎn)品抑制或毒害的反應：產(chǎn)物B的及時分離可以消除或部分消除其對催化劑的影響，提高催化劑的表觀活性，延長催化劑的壽命。2、膜的載體功能利用膜的載體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應。惰性膜材料可以通過浸漬、復合包埋、化學鍵合等多種方法接枝成催化活性膜。催化膜可兼具分離功能。3、膜反應器的分類按膜的形狀分：平板膜、管式膜、中空纖維膜；按膜的分離屬性分：目前已開發(fā)的各種分離膜都可根據(jù)反應體系的屬性和要求構(gòu)建相應的膜反應器。其中氣相催化反應多采用可滲透氣體組分的無機膜；液相反應特別是生物反應都采用超濾

3、膜和液膜。ABC一、概述按膜的功能分類：惰性膜反應器和催化膜反應器。前者具備分離功能，后者具有催化和分離功能；對生物反應可分為組合型膜反應器和一體化膜反應器。前者是反應器與分離器的耦合，后者是反應器就是分離器。按物質(zhì)傳遞的方式分：擴散控制型和流動控制型兩種，取決于物質(zhì)在膜中的遷移方式。按催化劑形態(tài)分類：在膜生物反應器中，生物催化劑有三種形態(tài)：溶解酶和懸浮細胞屬游離態(tài)；膜表面截留細胞團或酶蛋白凝膠屬濃集態(tài)；以傳統(tǒng)方法固定在膜內(nèi)或膜表面的酶呈固定化態(tài)。固定化態(tài)難以從反應器中清除，不便于補充和置換，但使用穩(wěn)定性好；濃集態(tài)裝填密度高，活力穩(wěn)定性高于游離態(tài)，酶或細胞的置換有一定的難度；游離態(tài)不

4、穩(wěn)定，但便于補充和置換。按反應體系分：膜生物反應器、催化反應器。一、概述1、膜選擇是膜反應器實用化的核心問題，一般認為膜反應器中的膜必須具有：良好的熱和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：生物反應的溫度、壓力較低，一般有機膜和無機膜都可使用，但有機膜必須能耐微生物降解；對于多相催化反應，膜必須經(jīng)受高溫、高壓和各種pH條件的考驗，無機膜比較適合；金屬絡合催化反應，溫度、壓力不高，常采用金屬合金膜，但在有機溶劑中使用必須無溶脹效應。常用的材料中，聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、聚酰胺－酰亞胺耐溫200度左右；氧化鋁膜和多孔玻璃膜可在800度左右穩(wěn)定使用；金屬鈀膜耐溫較高，但多次吸脫氫后會變脆現(xiàn)象。催化性能的要求：對于催化

5、膜，催化劑的活性組分必須沉積在反應所需要的位置上，膜材料必須對活性組分無毒。對生物膜反應，膜必須具有良好的生物相容性，對生物體無毒。分離特性：具有產(chǎn)物透過，反應物不能透過的分離功能。分離系數(shù)盡可能大。二、膜反應器實用化要求2、反應物的滲透膜反應器的效率將因反應物的滲透而受到影響。為解決這一問題除提高膜的分離系數(shù)外還采用如下辦法：反應側(cè)加入惰性氣體使反應物分壓降低，減少反應物的滲透量；反應物循環(huán)利用；反應物在膜中間位置補料；使反應物在經(jīng)過一段固定床后進入膜反應分離區(qū)，避免了在反應初期高濃度反應物的滲透。二、膜反應器實用化要求3、濃差極化和膜污染主要針對以超濾膜為主體的膜生物反應器，隨著

6、篩分過濾的進行，濃差極化和膜污染將導致滲透通量的顯著降低，從而使反應器不能穩(wěn)定操作。主要措施：反應物料預處理、膜與生物催化劑的適當配置減輕極化效應、使細胞懸浮液循環(huán)流動、控制細胞生長的密度、有效排出死細胞等。4、其他工程工藝問題：如何增大膜的裝填密度、提高比表面積，減少死體積是膜反應器結(jié)構(gòu)設計的一個基本點；膜與反應器殼體的連接；反應熱如何傳遞。二、膜反應器實用化要求反應器的設計原理和方法反應器設計原則：以強化傳質(zhì)、傳熱為基礎，最有效地發(fā)揮催化劑的活性，最大限度獲得反應器單位體積的高產(chǎn)率。這些都適合膜反應器的設計。具體的設計方法和步驟：1）反應動力學公式的確定和動力學常數(shù)的測定；2）反

7、應器中流體流動特性和傳遞規(guī)律的分析；三、膜反應器的設計3）物料衡算方程的建立和邊界條件的確立；4）方程求解（解析解或精確解），求解結(jié)果得到反映反應器行為、特征的操作方程或有關(guān)圖表。2、膜反應器中的反應動力學在膜反應器中，化學反應的關(guān)鍵步驟不會改變，其動力學行為也不會發(fā)生變化。膜反應器的動力學即原反應的本征動力學。對于生物反應，如果酶和細胞以游離態(tài)的形式存在，由于其本身的形態(tài)無明顯得變化，可采用其本征動力學；如果細胞以濃集態(tài)和固定化相同存在，其本身的形態(tài)將因