第5章 膜反應(yīng)工程.ppt

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1、第五章膜反應(yīng)過(guò)程陳亞中合肥工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院概述膜的分離功能膜的載體功能膜反應(yīng)器的分類(lèi)膜反應(yīng)器的實(shí)用工程和工藝膜反應(yīng)器的設(shè)計(jì)膜反應(yīng)器的應(yīng)用內(nèi)容一、概述膜與化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)相結(jié)合，構(gòu)成了膜反應(yīng)和膜生物反應(yīng)過(guò)程。膜反應(yīng)器是依靠膜的功能、特點(diǎn)來(lái)改變反應(yīng)進(jìn)程，提高反應(yīng)效率的反應(yīng)設(shè)備或系統(tǒng)，而用于生物反應(yīng)體系的則稱(chēng)為膜生物反應(yīng)器。1、膜的分離功能利用膜的分離功能可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物在反應(yīng)過(guò)程中的分離。主要有：1）可逆反應(yīng)：依靠膜將產(chǎn)物B從反應(yīng)區(qū)中移走，降低了B在反應(yīng)器中的濃度，促使平衡向生成B的方向移動(dòng)，從而在相同反應(yīng)條件

2、下，獲得高于平衡轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率。AB2）串聯(lián)反應(yīng)：產(chǎn)物B從反應(yīng)器中排出，可降低副產(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(yīng)：產(chǎn)物B的及時(shí)分離可以消除或部分消除其對(duì)催化劑的影響，提高催化劑的表觀活性，延長(zhǎng)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(yīng)。惰性膜材料可以通過(guò)浸漬、復(fù)合包埋、化學(xué)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(yīng)器的分類(lèi)按膜的形狀分：平板膜、管式膜、中空纖維膜；按膜的分離

3、屬性分：目前已開(kāi)發(fā)的各種分離膜都可根據(jù)反應(yīng)體系的屬性和要求構(gòu)建相應(yīng)的膜反應(yīng)器。其中氣相催化反應(yīng)多采用可滲透氣體組分的無(wú)機(jī)膜；液相反應(yīng)特別是生物反應(yīng)都采用超濾膜和液膜。ABC一、概述按膜的功能分類(lèi)：惰性膜反應(yīng)器和催化膜反應(yīng)器。前者具備分離功能，后者具有催化和分離功能；對(duì)生物反應(yīng)可分為組合型膜反應(yīng)器和一體化膜反應(yīng)器。前者是反應(yīng)器與分離器的耦合，后者是反應(yīng)器就是分離器。按物質(zhì)傳遞的方式分：擴(kuò)散控制型和流動(dòng)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(lèi)：在膜生物反應(yīng)器中，生物催化劑有三種形態(tài)：溶解酶和懸浮

4、細(xì)胞屬游離態(tài)；膜表面截留細(xì)胞團(tuán)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(yīng)器中清除，不便于補(bǔ)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(xì)胞的置換有一定的難度；游離態(tài)不穩(wěn)定，但便于補(bǔ)充和置換。按反應(yīng)體系分：膜生物反應(yīng)器、催化反應(yīng)器。一、概述1、膜選擇是膜反應(yīng)器實(shí)用化的核心問(wèn)題，一般認(rèn)為膜反應(yīng)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(yīng)的溫度、壓力較低，一般有機(jī)膜和無(wú)機(jī)膜都可使用，但有機(jī)膜必須能耐微生物降解；對(duì)于多相催化反應(yīng)，膜必須經(jīng)受高溫

5、、高壓和各種pH條件的考驗(yàn)，無(wú)機(jī)膜比較適合；金屬絡(luò)合催化反應(yīng)，溫度、壓力不高，常采用金屬合金膜，但在有機(jī)溶劑中使用必須無(wú)溶脹效應(yīng)。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(huì)變脆現(xiàn)象。催化性能的要求：對(duì)于催化膜，催化劑的活性組分必須沉積在反應(yīng)所需要的位置上，膜材料必須對(duì)活性組分無(wú)毒。對(duì)生物膜反應(yīng)，膜必須具有良好的生物相容性，對(duì)生物體無(wú)毒。分離特性：具有產(chǎn)物透過(guò)，反應(yīng)物不能透過(guò)的分離功能。分離系數(shù)盡可能大。

6、二、膜反應(yīng)器實(shí)用化要求2、反應(yīng)物的滲透膜反應(yīng)器的效率將因反應(yīng)物的滲透而受到影響。為解決這一問(wèn)題除提高膜的分離系數(shù)外還采用如下辦法：反應(yīng)側(cè)加入惰性氣體使反應(yīng)物分壓降低，減少反應(yīng)物的滲透量；反應(yīng)物循環(huán)利用；反應(yīng)物在膜中間位置補(bǔ)料；使反應(yīng)物在經(jīng)過(guò)一段固定床后進(jìn)入膜反應(yīng)分離區(qū)，避免了在反應(yīng)初期高濃度反應(yīng)物的滲透。二、膜反應(yīng)器實(shí)用化要求3、濃差極化和膜污染主要針對(duì)以超濾膜為主體的膜生物反應(yīng)器，隨著篩分過(guò)濾的進(jìn)行，濃差極化和膜污染將導(dǎo)致滲透通量的顯著降低，從而使反應(yīng)器不能穩(wěn)定操作。主要措施：反應(yīng)物料預(yù)處理、膜與生物催化

7、劑的適當(dāng)配置減輕極化效應(yīng)、使細(xì)胞懸浮液循環(huán)流動(dòng)、控制細(xì)胞生長(zhǎng)的密度、有效排出死細(xì)胞等。4、其他工程工藝問(wèn)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(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本點(diǎn)；膜與反應(yīng)器殼體的連接；反應(yīng)熱如何傳遞。二、膜反應(yīng)器實(shí)用化要求反應(yīng)器的設(shè)計(jì)原理和方法反應(yīng)器設(shè)計(jì)原則：以強(qiáng)化傳質(zhì)、傳熱為基礎(chǔ)，最有效地發(fā)揮催化劑的活性，最大限度獲得反應(yīng)器單位體積的高產(chǎn)率。這些都適合膜反應(yīng)器的設(shè)計(jì)。具體的設(shè)計(jì)方法和步驟：1）反應(yīng)動(dòng)力學(xué)公式的確定和動(dòng)力學(xué)常數(shù)的測(cè)定；2）反應(yīng)器中流體流動(dòng)特性和傳遞規(guī)律的分析；三、膜反

8、應(yīng)器的設(shè)計(jì)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(yīng)器行為、特征的操作方程或有關(guān)圖表。2、膜反應(yīng)器中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在膜反應(yīng)器中，化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵步驟不會(huì)改變，其動(dòng)力學(xué)行為也不會(huì)發(fā)生變化。膜反應(yīng)器的動(dòng)力學(xué)即原反應(yīng)的本征動(dòng)力學(xué)。對(duì)于生物反應(yīng)，如果酶和細(xì)胞以游離態(tài)的形式存在，由于其本身的形態(tài)無(wú)明顯得變化，可采用其本征動(dòng)力學(xué)；如果細(xì)胞以濃集態(tài)和固定化相同存在，其本身的形態(tài)將因