第七章加壓反應(yīng)器

基本概念—壓力容器是指盛裝一定工作介質(zhì)，能夠承受壓力（包括內(nèi)壓和外壓）載荷作用的密閉容器。這是一個泛指的概念。壓力容器的基本構(gòu)成:典型的壓力容器的基本結(jié)構(gòu)形式比較簡單，主要由殼體、封頭、法蘭、支座以及接管座等部件構(gòu)成。6.1加壓反應(yīng)器當(dāng)前1頁，總共56頁。1①反應(yīng)容器反應(yīng)器、反應(yīng)釜、分解鍋、硫化罐、分解塔、聚合釜、高壓釜、合成塔、交換爐、蒸煮鍋、蒸球、蒸壓釜、煤氣發(fā)生爐、……②換熱容器管殼式余熱鍋爐、熱交換器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、加熱器、消毒鍋、烘缸、蒸炒鍋、預(yù)熱鍋……③分離容器分離器、過濾器、集油器、緩沖器、洗滌器、吸收塔、干燥塔、除氧器、……④儲存容器——各種型式的儲罐當(dāng)前2頁，總共56頁。2安全附件壓力表溫度計安全閥爆破片緊急切斷裝置安全聯(lián)鎖裝置當(dāng)前3頁，總共56頁。3高壓釜：攪拌轉(zhuǎn)速可控制、運行平穩(wěn)、噪音小、適用范圍廣、使用簡單、操作方便等特點，是進(jìn)行各種攪拌反應(yīng)的理想裝置。軸套采用自潤滑的石墨、陶瓷、聚四氟乙烯填充碳纖維等材料，適用于各種物料在不同的反應(yīng)條件下進(jìn)行攪拌反應(yīng)。例如：氣液反應(yīng)、氣液固反應(yīng)、液固反應(yīng)等。該反應(yīng)釜為催化加氫、聚合、酯化、冶金、制藥、化工、樹脂合成、橡膠助劑工業(yè)的理想選擇。當(dāng)前4頁，總共56頁。41.催化加氫屬于綠色還原技術(shù)。應(yīng)用催化加氫技術(shù)代替鐵粉、硫化堿、水合肼等傳統(tǒng)還原法，不僅可以提高原料利用率和產(chǎn)品的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，增強產(chǎn)品的競爭力；2.充分利用了氫氣資源，又調(diào)整了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益(同時可利用氮肥廠、氯堿廠和煉油廠回收的氫氣生產(chǎn)加氫產(chǎn)品)3.三廢能減少90%以上，有效地保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

催化加氫優(yōu)點:當(dāng)前5頁，總共56頁。5目前，在精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)上，加氫工藝普遍采用高壓釜間歇式加氫，操作繁瑣，生產(chǎn)規(guī)模受限制，催化劑不能長周期使用，生產(chǎn)成本較高。固定床連續(xù)加氫工藝克服了間歇式加氫的缺點，具有顯著的優(yōu)越性。（固定床氧化反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率很高。）當(dāng)前6頁，總共56頁。66.2催化反應(yīng)器一、物料預(yù)處理設(shè)備1、熔化設(shè)備：鍋式、箱式，無攪拌裝置，可用任何加熱劑加熱。2、氣體凈化和壓縮裝置：進(jìn)入催化反應(yīng)器的氣體為克服阻力，需先經(jīng)壓縮，氣體壓縮前先采用過濾器除去其中懸浮狀的固體雜質(zhì)。3、液態(tài)組分汽化和蒸氣混合物制備所用設(shè)備當(dāng)前7頁，總共56頁。7氣體催化凈化含塵氣體通過催化床層發(fā)生催化反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)化為無害或易于處理的物質(zhì)應(yīng)用工業(yè)尾氣和煙氣去除SO2和NOx有機揮發(fā)性氣體(VOCs)和臭氣的催化燃燒凈化汽車尾氣的催化凈化當(dāng)前8頁，總共56頁。8催化凈化工藝段間冷卻的四層催化床第二級催化床預(yù)除塵和水分填充床吸收塔填充床吸收塔來自冶煉廠或硫磺燃燒的富含SO2的尾氣水含有約為初始進(jìn)氣SO2濃度3%的尾氣含有約為初始進(jìn)氣SO2濃度0.3%的尾氣水單級吸收工藝二級吸收工藝SO2單級和二級凈化工藝的流程圖催化反應(yīng)：420－550℃當(dāng)前9頁，總共56頁。9催化凈化工藝NOxNH3filterCombustorMixerReactorNOx的選擇性催化還原（SCR）催化劑200-300℃：Pt(Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3(TiO2,V2O5)當(dāng)前10頁，總共56頁。10催化反應(yīng)器的設(shè)計設(shè)計基礎(chǔ)反應(yīng)器的流動模型活塞流、混合流實際流態(tài)介于兩者之間反應(yīng)器內(nèi)每一點的流態(tài)各不相同，停留時間各異不同停留時間的物料在總量中所占的分率具有相應(yīng)的統(tǒng)計分布－停留時間分布函數(shù)工業(yè)上，連續(xù)釜式反應(yīng)器－理想混合反應(yīng)器；徑高比大的固定床－活塞流反應(yīng)器當(dāng)前11頁，總共56頁。116.3生物反應(yīng)器利用生物工程技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的過程統(tǒng)稱為生物反應(yīng)過程。采用活細(xì)胞(包括微生物、動植物細(xì)胞)作為生物催化劑的生物反應(yīng)過程稱為發(fā)酵過程或細(xì)胞培養(yǎng)過程。采用游離或固定化酶作為生物催化劑的生物反應(yīng)過程，則稱為酶反應(yīng)過程。

生物反應(yīng)器：利用酶或生物體（如微生物）所具有的生物功能，在體外進(jìn)行生化反應(yīng)的裝置系統(tǒng)。當(dāng)前12頁，總共56頁。12能維持一定的溫度、pH、反應(yīng)物(如營養(yǎng)物質(zhì)、溶解氧等)濃度應(yīng)具備良好的傳質(zhì)、傳熱和混合性能，以便為生物反應(yīng)的順利進(jìn)行提供適宜的環(huán)境條件。細(xì)胞生物反應(yīng)器除具備上述特性外，還要求有一定的除菌及密封設(shè)備，以防止生產(chǎn)過程中因微生物侵入造成的雜菌污染。根據(jù)生物反應(yīng)過程中所使用的生物催化劑不同可將生物反應(yīng)器分為：酶反應(yīng)器和細(xì)胞生物反應(yīng)器。生物反應(yīng)器應(yīng)具備的條件：當(dāng)前13頁，總共56頁。13一、生化反應(yīng)器的特點①其反應(yīng)皆由生物催化劑-酶來催化的。決定了酶反應(yīng)必須在比較溫和的條件下進(jìn)行，也就是在接近中性的pH、較低的溫度及近似細(xì)胞生理條件下進(jìn)行。②生物的酶系是非常復(fù)雜的，在活細(xì)胞中它們是相互協(xié)調(diào)而處于最優(yōu)化的狀態(tài)，故活細(xì)胞常被用來合成一些代謝產(chǎn)物如多糖及蛋白質(zhì)等。由于反應(yīng)的環(huán)境會隨著時間的進(jìn)程而改變，就產(chǎn)生了一個如何控制反應(yīng)過程使其最優(yōu)化的問題。當(dāng)前14頁，總共56頁。14③對生長細(xì)胞來說，要考慮到如何維持發(fā)酵的最佳條件，主要包括細(xì)胞營養(yǎng)、代謝的調(diào)控以及反應(yīng)產(chǎn)物的干擾。④由于酶作用對底物的高度特異性，它可以定向的產(chǎn)生一些用一般化學(xué)方法難以甚至無法得到的產(chǎn)品⑤大多數(shù)生化反應(yīng)都在水相中進(jìn)行，相對來說產(chǎn)物濃度較低，這就產(chǎn)生了一個產(chǎn)物回收工藝及成本的問題。當(dāng)前15頁，總共56頁。15當(dāng)前16頁，總共56頁。16當(dāng)前17頁，總共56頁。17二、酶反應(yīng)器的特點與類型定義：以酶或固定化酶作為催化劑進(jìn)行酶促反應(yīng)的裝置稱為酶反應(yīng)器(Enzymereactor)。特點：以盡可能低的成本，按一定的速度由規(guī)定的反應(yīng)物制備特定的產(chǎn)物。與化學(xué)反應(yīng)器相比：在低溫、低壓下發(fā)揮作用，反應(yīng)時的耗能和產(chǎn)能較少。與發(fā)酵反應(yīng)器相比：不表現(xiàn)自催化方式（即細(xì)胞的連續(xù)再生）。當(dāng)前18頁，總共56頁。18酶反應(yīng)器的類型攪拌罐型反應(yīng)器固定床型反應(yīng)器流化床型反應(yīng)器膜式反應(yīng)器鼓泡塔型反應(yīng)器當(dāng)前19頁，總共56頁。19（一）攪拌罐型（StirredTankReacter,STR）有攪拌裝置的、傳統(tǒng)形式的反應(yīng)器。由反應(yīng)罐、攪拌器和保溫裝置組成。1.分類：1）分批攪拌罐式反應(yīng)器(BatchStirredTankReactor,BSTR)適用的酶：游離酶、固定化酶2）連續(xù)流攪拌罐反應(yīng)器(ContinuousFlowStirredTankReactor,CSTR)適用的酶：固定化酶當(dāng)前20頁，總共56頁。202.適用的操作方式：分批式、半分批式、連續(xù)式3.優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，酶與底物混合充分均勻，傳質(zhì)阻力小，反應(yīng)條件易控制，能處理膠體狀底物、不溶性底物。4.缺點:反應(yīng)效率低，載體易被破壞，攪拌動力消耗大，回收過程酶易損失。5.改進(jìn)：在反應(yīng)器出口裝上濾器,或用尼龍網(wǎng)罩住固定化酶,或制成磁性固定化酶，或多個攪拌罐串聯(lián)。

當(dāng)前21頁，總共56頁。21（二）固定床型（也稱填充床，PackedBedReactor,PBR）把顆粒狀或片狀等固定化酶填充于固定床內(nèi)，底物按一定方向以恒定速度通過反應(yīng)床。在其橫截面上液體流動速度完全相同，沿流動方向底物及產(chǎn)物的濃度逐漸變化，但同一橫切面上濃度一致。又稱活塞流反應(yīng)器(PlugFlowReactor,PFR)適用于：固定化酶。當(dāng)前22頁，總共56頁。22優(yōu)點：可使用高濃度的催化劑。與CSTR相比，可減少產(chǎn)物的抑制作用（產(chǎn)物濃度沿反應(yīng)器長度逐漸增高）。缺點：①溫度和pH難以控制；②底物和產(chǎn)物會產(chǎn)生軸向濃度分布；③清洗和更換部分固定化酶較麻煩。床內(nèi)壓力降大，底物必須在加壓下才能進(jìn)入。

當(dāng)前23頁，總共56頁。23（三）流化床型(FludizedBedReactor,FBR)裝有較小顆粒的垂直塔式反應(yīng)器(形狀可為柱形、錐形等)。底物以一定速度由下向上流過，使固定化酶顆粒在浮動狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)。流體的混合程度介于CSTR和PFR之間。適用于：固定化酶。當(dāng)前24頁，總共56頁。24優(yōu)點：具有良好的傳質(zhì)及傳熱性能，pH、溫度控制及氣體的供給比較容易；不易堵塞，可適用于處理黏度高的液體；能處理粉末狀底物；即使應(yīng)用細(xì)顆粒的催化劑，壓力降也不會很高。缺點：需保持一定的流速，運轉(zhuǎn)成本高，難于放大；由于顆粒酶處于流動狀態(tài)，易導(dǎo)致顆粒的機械破損；流化床的空隙體積大，酶的濃度不高；底物高速流動使酶沖出，降低了轉(zhuǎn)化率。改進(jìn)：使底物進(jìn)行循環(huán)，避免催化劑損失。使用幾個流態(tài)化床組成的反應(yīng)器組，或使用錐形流態(tài)化床。當(dāng)前25頁，總共56頁。25（四）膜式反應(yīng)器(MembraneReactor)將酶催化反應(yīng)與半透膜的分離作用組合在一起的反應(yīng)器。適用于：游離酶、固定化酶。1.游離酶膜反應(yīng)器當(dāng)前26頁，總共56頁。262.固定化酶膜反應(yīng)器由膜狀或板狀固定化酶或固定化微生物組裝的反應(yīng)器。分類：1）平板狀或螺旋狀反應(yīng)器2）轉(zhuǎn)盤型反應(yīng)器3）空心酶管反應(yīng)器4）中空纖維膜反應(yīng)器當(dāng)前27頁，總共56頁。271）平板狀或螺旋狀反應(yīng)器特點：壓力降小；膜面積清晰；放大容易。單位體積催化劑有效面積小。當(dāng)前28頁，總共56頁。282）轉(zhuǎn)盤型反應(yīng)器以包埋法為主，制備成固定化酶凝膠薄板（成型為圓盤狀或葉片狀），然后裝配在轉(zhuǎn)軸上，并把整個裝置浸在底物溶液中，更換催化劑方便。有立式和臥式兩種，臥式適用于需氧反應(yīng)或產(chǎn)物有揮發(fā)性物，廣泛應(yīng)用于水處理裝置。當(dāng)前29頁，總共56頁。293）空心酶管反應(yīng)器酶固定在細(xì)管的內(nèi)壁上，底物溶液流經(jīng)細(xì)管時，只有與管壁接觸的部分進(jìn)行酶反應(yīng)。管內(nèi)徑1mm，管內(nèi)流動屬于層流。多與自動分析儀等組裝在一起，用于定量分析。當(dāng)前30頁，總共56頁。304）中空纖維膜反應(yīng)器由外殼和數(shù)以千計的醋酸纖維制成的中空纖維(內(nèi)徑200μm-500μm，外徑300μm-900μm)。組成。內(nèi)層緊密、光滑，具有一定分子量截流值，可截留大分子物質(zhì)而允許不同的小分子物質(zhì)通過。

外層為多孔的海綿狀支持層，酶被固定在海綿狀支持層中。反應(yīng)器的形狀為管式或列管式，中空纖維可承受較大壓力，通過正常超濾程序?qū)⒌孜飰喝雰?nèi)壁與海綿狀介質(zhì)上的酶起反應(yīng)。當(dāng)前31頁，總共56頁。31當(dāng)前32頁，總共56頁。32（五）鼓泡塔型反應(yīng)器利用從反應(yīng)器底部通入的氣體產(chǎn)生的大量氣泡，在上升過程中起到提供反應(yīng)底物和混和這兩種作用的一類反應(yīng)器。是有氣體參與的酶催化反應(yīng)中常用的一種反應(yīng)器。適用于：游離酶、固定化酶在使用固定化酶進(jìn)行催化反應(yīng)時，反應(yīng)系統(tǒng)中存在固、液、氣三相，又稱為三相流化床反應(yīng)器。當(dāng)前33頁，總共56頁。33當(dāng)前34頁，總共56頁。34兩相或多相反應(yīng)器許多底物不溶于水或微溶于水，如脂肪、類脂肪或極性較低的物質(zhì)，進(jìn)行酶反應(yīng)時有濃度低，反應(yīng)體積大，分離困難、能耗大的缺點。解決辦法：使酶反應(yīng)在有機相中進(jìn)行，可增加反應(yīng)物濃度，還可減少底物，特別使產(chǎn)物對酶的抑制作用。當(dāng)前35頁，總共56頁。35固定化多酶反應(yīng)器將多種酶固定化后，制成多酶反應(yīng)器，模擬微生物細(xì)胞的多酶系統(tǒng)，進(jìn)行多種酶的順序反應(yīng)，來合成各種產(chǎn)物，目前此技術(shù)還處于實驗階段，但發(fā)展前景良好。1）可組成高效率，巧妙的多酶反應(yīng)器。2）構(gòu)建全新的酶化學(xué)合成路線，生產(chǎn)人類所需的、自然界不存在的物質(zhì)。3）代替微生物發(fā)酵，用小型柱式反應(yīng)器取代龐大的微生物發(fā)酵罐。4）化工廠、制藥廠高大反應(yīng)塔和密如蛛網(wǎng)的管道液將由簡單巧妙的生物反應(yīng)器取代。當(dāng)前36頁，總共56頁。36酶的應(yīng)用形式1.游離酶：回收困難，除了BSTR外，其它反應(yīng)器不適用。連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器超濾反應(yīng)器2.固定化酶顆粒狀或片狀——CSTR、PBR膜狀和纖維狀——PBR小顆粒狀——FBR當(dāng)前37頁，總共56頁。37底物的物理性質(zhì)溶解性物質(zhì)——任何類型反應(yīng)器底物顆粒物質(zhì)膠體物質(zhì)CSTR、PBR當(dāng)前38頁，總共56頁。38反應(yīng)操作要求1.若酶受高濃度底物抑制需要不斷調(diào)整pH——攪拌罐型反應(yīng)器。2.若反應(yīng)耗氧——鼓泡塔型反應(yīng)器。當(dāng)前39頁，總共56頁。39酶的穩(wěn)定性固定化酶在反應(yīng)器中催化活性的損失可能有如下三種原因：酶本身失效；酶從載體上脫落；載體肢解。在各種類型的反應(yīng)器中，CSTR最易引起這類損失。當(dāng)前40頁，總共56頁。40應(yīng)用的可塑性及成本CSTR類型的反應(yīng)器應(yīng)用的可塑性較大，結(jié)構(gòu)簡單，成本也較低；綜上所述，酶反應(yīng)器的選擇沒有一個簡單的法則或標(biāo)準(zhǔn)可以遵循，必須根據(jù)具體情況進(jìn)行全面的分析和衡量。

當(dāng)前41頁，總共56頁。41三、酶反應(yīng)器的操作（