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(gè)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(jiǎn)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)器現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一1①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(guò)濾器、集油器、緩沖器、洗滌器、吸收塔、干燥塔、除氧器、……④儲(chǔ)存容器——各種型式的儲(chǔ)罐現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一2安全附件壓力表溫度計(jì)安全閥爆破片緊急切斷裝置安全聯(lián)鎖裝置現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一3高壓釜：攪拌轉(zhuǎn)速可控制、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小、適用范圍廣、使用簡(jiǎn)單、操作方便等特點(diǎn)，是進(jìn)行各種攪拌反應(yīng)的理想裝置。軸套采用自潤(rùn)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(shù)脂合成、橡膠助劑工業(yè)的理想選擇?，F(xiàn)在是4頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一41.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(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)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(diǎn):現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一5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(zhǎng)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(diǎn)，具有顯著的優(yōu)越性。（固定床氧化反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率很高。）現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一66.2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(wú)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(guò)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)備現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一7氣體催化凈化含塵氣體通過(guò)催化床層發(fā)生催化反應(yīng)，使污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)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(jī)揮發(fā)性氣體(VOCs)和臭氣的催化燃燒凈化汽車(chē)尾氣的催化凈化現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一8催化凈化工藝段間冷卻的四層催化床第二級(jí)催化床預(yù)除塵和水分填充床吸收塔填充床吸收塔來(lái)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(jí)吸收工藝二級(jí)吸收工藝SO2單級(jí)和二級(jí)凈化工藝的流程圖催化反應(yīng)：420－550℃現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一9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)現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一10催化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)反應(yīng)器的流動(dòng)模型活塞流、混合流實(shí)際流態(tài)介于兩者之間反應(yīng)器內(nèi)每一點(diǎn)的流態(tài)各不相同，停留時(shí)間各異不同停留時(shí)間的物料在總量中所占的分率具有相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分布－停留時(shí)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)器現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一116.3生物反應(yīng)器利用生物工程技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程統(tǒng)稱為生物反應(yīng)過(guò)程。采用活細(xì)胞(包括微生物、動(dòng)植物細(xì)胞)作為生物催化劑的生物反應(yīng)過(guò)程稱為發(fā)酵過(guò)程或細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程。采用游離或固定化酶作為生物催化劑的生物反應(yīng)過(guò)程，則稱為酶反應(yīng)過(guò)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)?，F(xiàn)在是12頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一12能維持一定的溫度、pH、反應(yīng)物(如營(yíng)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(guò)程中因微生物侵入造成的雜菌污染。根據(jù)生物反應(yīng)過(guò)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：現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一13一、生化反應(yīng)器的特點(diǎn)①其反應(yīng)皆由生物催化劑-酶來(lái)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?xiàng)l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(lái)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(huì)隨著時(shí)間的進(jìn)程而改變，就產(chǎn)生了一個(gè)如何控制反應(yīng)過(guò)程使其最優(yōu)化的問(wèn)題?，F(xiàn)在是14頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一14③對(duì)生長(zhǎng)細(xì)胞來(lái)說(shuō)，要考慮到如何維持發(fā)酵的最佳條件，主要包括細(xì)胞營(yíng)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(duì)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(wú)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(duì)來(lái)說(shuō)產(chǎn)物濃度較低，這就產(chǎn)生了一個(gè)產(chǎn)物回收工藝及成本的問(wèn)題。現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一15現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一16現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一17二、酶反應(yīng)器的特點(diǎn)與類(lèi)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(diǎn)：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(shí)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）?，F(xiàn)在是18頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一18酶反應(yīng)器的類(lèi)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)器現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一19（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(lèi)：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：固定化酶現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一202.適用的操作方式：分批式、半分批式、連續(xù)式3.優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn):反應(yīng)效率低，載體易被破壞，攪拌動(dòng)力消耗大，回收過(guò)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(gè)攪拌罐串聯(lián)。

現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一21（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(guò)反應(yīng)床。在其橫截面上液體流動(dòng)速度完全相同，沿流動(dòng)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。現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一22優(yōu)點(diǎn)：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(zhǎng)度逐漸增高）。缺點(diǎn)：①溫度和pH難以控制；②底物和產(chǎn)物會(huì)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。

現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一23（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(guò)，使固定化酶顆粒在浮動(dòng)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?，F(xiàn)在是24頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一24優(yōu)點(diǎn)：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(huì)很高。缺點(diǎn)：需保持一定的流速，運(yùn)轉(zhuǎn)成本高，難于放大；由于顆粒酶處于流動(dòng)狀態(tài)，易導(dǎo)致顆粒的機(jī)械破損；流化床的空隙體積大，酶的濃度不高；底物高速流動(dòng)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(gè)流態(tài)化床組成的反應(yīng)器組，或使用錐形流態(tài)化床。現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一25（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)器現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一262.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(lèi)：1）平板狀或螺旋狀反應(yīng)器2）轉(zhuǎn)盤(pán)型反應(yīng)器3）空心酶管反應(yīng)器4）中空纖維膜反應(yīng)器現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一271）平板狀或螺旋狀反應(yīng)器特點(diǎn)：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?，F(xiàn)在是28頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一282）轉(zhuǎn)盤(pán)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(pán)狀或葉片狀），然后裝配在轉(zhuǎn)軸上，并把整個(gè)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?，F(xiàn)在是29頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一293）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(shí)，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(dòng)屬于層流。多與自動(dòng)分析儀等組裝在一起，用于定量分析?，F(xiàn)在是30頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一304）中空纖維膜反應(yīng)器由外殼和數(shù)以千計(jì)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(guò)。

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(guò)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)。現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一31現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一32（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(guò)程中起到提供反應(yīng)底物和混和這兩種作用的一類(lèi)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(shí)，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?，F(xiàn)在是33頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一33現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一34兩相或多相反應(yīng)器許多底物不溶于水或微溶于水，如脂肪、類(lèi)脂肪或極性較低的物質(zhì)，進(jìn)行酶反應(yīng)時(shí)有濃度低，反應(yīng)體積大，分離困難、能耗大的缺點(diǎn)。解決辦法：使酶反應(yīng)在有機(jī)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(duì)酶的抑制作用。現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一35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(lái)合成各種產(chǎn)物，目前此技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)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(lèi)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(jiǎn)單巧妙的生物反應(yīng)器取代?，F(xiàn)在是36頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一36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現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一37底物的物理性質(zhì)溶解性物質(zhì)——任何類(lèi)型反應(yīng)器底物顆粒物質(zhì)膠體物質(zhì)CSTR、PBR現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一38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。現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一39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(lèi)型的反應(yīng)器中，CSTR最易引起這類(lèi)損失?，F(xiàn)在是40頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一40應(yīng)用的可塑性及成本CSTR類(lèi)型的反應(yīng)器應(yīng)用的可塑性較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本也較低；綜上所述，酶反應(yīng)器的選擇沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)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。

現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有56頁(yè)\編輯于星期一41三、酶反應(yīng)器的操作（一）反應(yīng)溫度的確定與調(diào)節(jié)控制（二）pH值的確定與調(diào)控（三）底物濃度（四）酶濃度（五）攪拌速度（六）流動(dòng)速度

現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有5