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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;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。;2）串联反应：产物B从反应器中排出，可降低副产物 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。;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。; 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。;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。;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。;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）反应器中流体流动特性和传递规律的分析；;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；;对流扩散（粘性流）：无分离效应。 努森扩散：分离系数与分子量大小有关，渗透通量与根号分子量成反比。 表面扩散：对气体分离影响较大，是膜催化反应中很重要的一种扩散分离过程； 毛细管冷凝：可用于提高易冷凝相的分离选择性，当易凝集物在膜孔中凝聚阻碍了气体分子的通过； 活化扩散：要求膜孔径不超过分子直径的3倍，这种膜的孔径很难控制，主要是钯膜，用于透氢。 溶解扩散：膜厚对渗透通量影响较大。;膜反应器的操作模式： 在膜反应器中，物质的传递规律不仅与膜的渗透机理有关，而且还与物料在反应器中流动渗透的方式有关，即与操作方式有关。 在膜催化反应中，膜将反应器分隔为反应腔和渗透腔两部分，反应物料从反应腔室流过，在反应的同时，产物透过膜到达渗透腔，由载气流带走。反应物料与载体流内存在着同向或逆向两种操作模式，在两种模式中，反应器内存在地渗透阻力没有差别，但在反应器渗透腔内各物料组分的浓度将有所不同。两种操作方式对反应器操作行为的影响可通过物料平衡式的求解获得。;1、用于加氢、脱氢反应 2、氧泵型催化膜反应器 3、甲烷氧联膜催化反应器 4、中空纤维细胞高密度培养器 5、膜循环发酵器 6、用于生物催化过程的膜生物反应器;Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright