第七章加压反应器

1、1 第六章第六章 加压反应器与加压反应器与 其它反应器其它反应器参考书: 濮存恬编.精细化工过程及设备.北京：化学工业出版社2基本概念压力容器是指盛装一定工作介质，能够承受压力（包括内压和外压）载荷作用的密闭容器。这是一个泛指的概念。压力容器的基本构成:典型的压力容器的基本结构形式比较简单，主要由壳体、封头、法兰、支座以及接管座壳体、封头、法兰、支座以及接管座等部件构成。 6.1 加压反应器加压反应器3反应容器 反应器、反应釜、分解锅、硫化罐、分解塔、聚合釜、高压釜、合成塔、交换炉、蒸煮锅、蒸球、蒸压釜、煤气发生炉、换热容器 管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、加热器、消毒锅、烘

2、缸、蒸炒锅、预热锅分离容器 分离器、过滤器、集油器、缓冲器、洗涤器、吸收塔、干燥塔、除氧器、储存容器 各种型式的储罐4安全附件 压力表 温度计 安全阀安全阀 爆破片爆破片 紧急切断装置紧急切断装置 安全联锁装置安全联锁装置5 高压釜：搅拌转速可控制高压釜：搅拌转速可控制、运行平稳、噪音小、适用范围广、使用简单、操作方便等特点，是进行各种搅拌反应的理想装置。 轴套采用自润滑的石墨、陶瓷、聚四氟乙烯石墨、陶瓷、聚四氟乙烯填充碳纤维等材料，适用于各种物料在不同的反应条件下进行搅拌反应。 例如：气液反应、气液固反应、液固反应气液反应、气液固反应、液固反应等。该反应釜为催化加氢、聚合、酯化、冶金、制药、

3、化工、树脂合成、橡胶助剂工业的理想选择。 6 1. 催化加氢属于绿色还原技术催化加氢属于绿色还原技术。应用催化加氢技术代替铁粉、硫化碱、水合肼铁粉、硫化碱、水合肼等传统还原法，不仅可以提高原料利用率和产品的质量，降低生产成本，增强产品的竞争力； 2. 充分利用了氢气资源，又调整了产品结构，充分利用了氢气资源，又调整了产品结构，提高企业的经济效益(同时可利用氮肥厂、氯碱厂和炼油厂回收的氢气生产加氢产品) 3. 三废能减少三废能减少90%以上，有效地保护了生态环境。 催化加氢优点催化加氢优点:7 目前，在精细化学品生产上，加氢工艺普遍采用高压釜高压釜间歇式加氢，操作繁琐，生产规模受限制，催化剂不能

4、长周期使用，生产成本较高。 固定床固定床连续加氢工艺克服了间歇式加氢的缺点，具有显著的优越性。 （固定床氧化反应器转化率很高。）86.2 催化反应器一、物料预处理设备物料预处理设备1、熔化设备：、熔化设备：锅式、箱式， 无搅拌装置，可用任何加热剂加热。2、气体净化和压缩装置：、气体净化和压缩装置：进入催化反应器的气体为克服阻力，需先经压缩，气体压缩前先采用过滤器除去其中悬浮状的固体杂质。3、液态组分汽化和蒸气混合物制备所用设备液态组分汽化和蒸气混合物制备所用设备9气体催化净化气体催化净化 含尘气体通过催化床层发生催化反应，使污染物转化为无害或易于处理的物质 应用 工业尾气和烟气去除SO2和NO

5、x 有机挥发性气体(VOCs)和臭气的催化燃烧净化 汽车尾气的催化净化10催化净化工艺段间冷却的四层催化床第二级催化床预除尘和水分填充床吸收塔填充床吸收塔来自冶炼厂或硫磺燃烧的富含SO2的尾气水含有约为初始进气SO2浓度3%的尾气含 有 约 为 初始进气SO2浓度0.3%的尾气水单级吸收工艺二级吸收工艺SO2单级和二级净化工艺的流程图催化反应：4205503222/ 1SOOSOVanadium4223SOHOHSO11催化净化工艺NOxNH3 filter Combustor MixerReactorNOx的选择性催化还原（的选择性催化还原（SCR）OHNNONH222312768OHNNO

6、NH2236564催化剂200-300：Pt (Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3 (TiO2,V2O5)12催化反应器的设计 设计基础 反应器的流动模型 活塞流、混合流 实际流态介于两者之间 反应器内每一点的流态各不相同，停留时间各异 不同停留时间的物料在总量中所占的分率具有相应的统计分布停留时间分布函数停留时间分布函数 工业上，连续釜式反应器理想混合反应器；径高比大的固定床活塞流反应器136.3 6.3 生物反应器生物反应器利用生物工程技术进行生产的过程统称为生物反应过程。利用生物工程技术进行生产的过程统称为生物反应过程。采用活细胞(包括微生物、动植物细胞)作为生物催化剂的生物反应过程称

7、为发酵过程或细胞培养过程。 采用游离或固定化酶作为生物催化剂的生物反应过程，则称为酶反应过程。 生物反应器：生物反应器：利用酶或生物体（如微生物）所具有的利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统。生物功能，在体外进行生化反应的装置系统。14能维持一定的温度、温度、pHpH、反应物(如营养物质、溶解氧等)浓度浓度应具备良好的传质、传热和混合性能，以便为生物反应的顺利进行提供适宜的环境条件。细胞生物反应器除具备上述特性外，还要求有一定的除菌及密封除菌及密封设备，以防止生产过程中因微生物侵入造成的杂菌污染。 根据生物反应过程中所使用的生物催化剂不同可将根据生物反应过程

8、中所使用的生物催化剂不同可将生物反应器分为：生物反应器分为：酶反应器和细胞生物反应器。酶反应器和细胞生物反应器。生物反应器应具备的条件：生物反应器应具备的条件：15一、生化反应器的特点其反应皆由生物催化剂-酶来催化的。决定了酶反应必须在比较温和的条件下进行比较温和的条件下进行，也就是在接近中性的pH、较低的温度及近似细胞生理条件下进行。生物的酶系是非常复杂的生物的酶系是非常复杂的，在活细胞中它们是相互协调而处于最优化的状态，故活细胞常被用来合成一些代谢产物如多糖及蛋白质等。由于反应的环境会随着时间的进程而改变，就产生了一个如何控制反应过程控制反应过程使其最优化使其最优化的问题。16对生长细胞来

9、说，要考虑到如何维持发酵的最佳维持发酵的最佳条件条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应产物的干扰。由于酶作用对底物的高度特异性酶作用对底物的高度特异性，它可以定向的产生一些用一般化学方法难以甚至无法得到的产品大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物产物浓度较低浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及成本的问题。171819 二、二、 酶反应器的特点与类型酶反应器的特点与类型 定义：定义：以以酶或固定化酶酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置作为催化剂进行酶促反应的装置称为酶反应器称为酶反应器(Enzyme reactor)。 特点：特点：以尽可能低的成本，按以尽可能低的成本，按一定的一定

10、的速度由速度由规定的反应规定的反应物物制备制备特定的产物特定的产物。 与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作用，反应时与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作用，反应时的耗能和产能较少。的耗能和产能较少。 与发酵反应器相比：不表现自催化方式（即细胞的连续与发酵反应器相比：不表现自催化方式（即细胞的连续再生）。再生）。20 酶反应器的类型 搅拌罐型反应器 固定床型反应器 流化床型反应器 膜式反应器 鼓泡塔型反应器21 （一）搅拌罐型（一）搅拌罐型（Stirred Tank Reacter, STR） 有搅拌装置的、传统形式的反应器。由反应罐、搅拌器和保温有搅拌装置的、传统形式的反应器。由反应罐、搅

11、拌器和保温装置组成。装置组成。 1. 分类：分类： 1）分批搅拌罐式反应器）分批搅拌罐式反应器(Batch Stirred Tank Reactor, BSTR) 适用的酶：游离酶、固定化酶适用的酶：游离酶、固定化酶 2）连续流搅拌罐反应器）连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank Reactor, CSTR) 适用的酶：固定化酶适用的酶：固定化酶22 2. 适用的操作方式：适用的操作方式： 分批式、半分批式、连续式分批式、半分批式、连续式 3.优点：优点： 结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，反应条件结构简单，酶与底物混合充分均匀，传质阻力小，反应

12、条件易控制，能处理胶体状底物、不溶性底物。易控制，能处理胶体状底物、不溶性底物。 4. 缺点缺点: 反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大，回收过程反应效率低，载体易被破坏，搅拌动力消耗大，回收过程酶易损失。酶易损失。 5. 改进：改进： 在反应器出口装上滤器在反应器出口装上滤器 ,或用尼龙网罩住固定化酶或用尼龙网罩住固定化酶 ,或制或制成磁性固定化酶，或多个搅拌罐串联。成磁性固定化酶，或多个搅拌罐串联。 23 （二）固定床型（二）固定床型（也称填充床，Packed Bed Reactor, PBR ） 把颗粒状或片状等固定化酶填充于固定床内，底物按一定方向以恒定速度通过反应床。 在其横截面

13、上液体流动速度完全相同，沿流动方向底物及产物的浓度逐渐变化，但同一横切面上浓度一致。又称活塞流反应器活塞流反应器(Plug Flow Reactor, PFR) 适用于：固定化酶。24 优点：可使用高浓度的催化剂使用高浓度的催化剂 。 与CSTR相比，可减少产物的抑制作用可减少产物的抑制作用（产物浓度沿反应器长度逐渐增高 ）。 缺点：温度和温度和pH难以控制难以控制； 底物和产物会产生轴向浓度分布底物和产物会产生轴向浓度分布； 清洗和更换部分固定化酶较麻烦清洗和更换部分固定化酶较麻烦。床内压力降大，底物必须在加压下才能进入。 25 （三）流化床型流化床型(Fludized Bed Reacto

14、r, FBR) 装有较小颗粒的垂直塔式反应器(形状可为柱形、锥形等)。底物以一定速度由下向上流过，使固定化酶颗粒在浮动状态下进行反应。流体的混合程度介于CSTR和PFR之间。 适用于：固定化酶。 26 优点：具有良好的传质及传热性能具有良好的传质及传热性能，pH、温度控制及气体的供给比较容易； 不易堵塞不易堵塞，可适用于处理黏度高的液体； 能处理粉末状底物能处理粉末状底物； 即使应用细颗粒的催化剂，压力降也不会很高压力降也不会很高。 缺点：需保持一定的流速，运转成本高，难于放大；转成本高，难于放大； 由于颗粒酶处于流动状态，易导致颗粒的机械破损易导致颗粒的机械破损； 流化床的空隙体积大，酶的浓

15、度不高；酶的浓度不高； 底物高速流动使酶冲出，降低了转化率降低了转化率。 改进：使底物进行循环，避免催化剂损失。 使用几个流态化床组成的反应器组，或使用锥形流态化床。 27 （四）膜式反应器膜式反应器(Membrane Reactor) 将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的将酶催化反应与半透膜的分离作用组合在一起的反应器。反应器。 适用于：游离酶、固定化酶。 1. 游离酶膜反应器28 2. 固定化酶膜反应器 由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的反由膜状或板状固定化酶或固定化微生物组装的反应器应器 。 分类： 1）平板状或螺旋状反应器 2）转盘型反应器 3）空心酶管反应器 4）中空纤维

16、膜反应器 29 1）平板状或螺旋状反应器 特点： 压力降小； 膜面积清晰； 放大容易 。 单位体积催化剂有效面积小单位体积催化剂有效面积小。30 2）转盘型反应器 以包埋法为主，制备成固定化酶凝胶薄板（成型为圆盘状或叶片状），然后装配在转轴上，并把整个装置浸在底物溶液中，更换催化剂方便。 有立式和卧式两种，卧式适用于需氧反应或产物有挥发性物，广泛应用于水处理装置。31 3）空心酶管反应器 酶固定在细管的内壁上，底物溶液流经细管时，只有与管壁接触的部分进行酶反应。 管内径1mm，管内流动属于层流。多管内流动属于层流。多与自动分析仪等组装在一起，用于定量分析。32 4）中空纤维膜反应器 由外壳和数

17、以千计的醋酸纤维制成的中空纤维(内径200m -500m，外径300m -900m)。组成。内层紧密、光滑，具有一定分子量截流值，可截留大分子物质而允许不同的小分子物质通过。 外层为多孔的海绵状支持层，酶被酶被固定在海绵状支持层中固定在海绵状支持层中 。反应器的形状为管式或列管式，中空纤维可承受较大压力，通过正常超滤程序将底物压入内壁与海绵状介质上的酶起反应。 3334 （五）鼓泡塔型反应器鼓泡塔型反应器 利用从反应器底部通入的气体产生的大量气泡，在上升过程中起到提供反应底物和混和提供反应底物和混和这两种作用的一类反应器。是有气体参与的酶催化反应中气体参与的酶催化反应中常用的一种反应器。适用于

18、：游离酶、固定化酶在使用固定化酶进行催化反应时，反应系统中存在固、液、气三相，又称为三相流化床反应器 。3536 两相或多相反应器 许多底物不溶于水或微溶于水，如脂肪、类脂肪或极性较低的物质，进行酶反应时有浓度低，反进行酶反应时有浓度低，反应体积大，分离困难、能耗大的缺点。应体积大，分离困难、能耗大的缺点。 解决办法： 使酶反应在有机相中进行，可增加反应物浓度，使酶反应在有机相中进行，可增加反应物浓度，还可减少底物，特别使产物对酶的抑制作用。还可减少底物，特别使产物对酶的抑制作用。37 固定化多酶多酶反应器 将多种酶固定化后，制成多酶反应器，模拟微生物细胞的多酶系统，进行多种酶的顺序反应多种酶

19、的顺序反应，来合成各种产物，目前此技术还处于实验阶段，但发展前景良好。 1）可组成高效率，巧妙的多酶反应器。 2）构建全新的酶化学合成酶化学合成路线，生产人类所需的、自然界不存在的物质。 3）代替微生物发酵代替微生物发酵，用小型柱式反应器小型柱式反应器取代庞大的微生物发酵罐。 4）化工厂、制药厂高大反应塔和密如蛛网的管道液将由简单巧妙的生物反应器取代简单巧妙的生物反应器取代。38酶的应用形式 1.游离酶：回收困难，除了BSTR 外，其它反应器不适用。 连续搅拌罐式反应器 超滤反应器2.固定化酶颗粒状或片状CSTR、PBR膜状和纤维状PBR小颗粒状FBR39 底物的物理性质 溶解性物质 任何类型

20、反应器 底物 颗粒物质 胶体物质 CSTR、PBR40 反应操作要求 1.若酶受高浓度底物抑制 需要不断调整pH 搅拌罐型反应器。 2.若反应耗氧 鼓泡塔型反应器。41 酶的稳定性 固定化酶在反应器中催化活性的损失可能有如下固定化酶在反应器中催化活性的损失可能有如下三种原因：三种原因： 酶本身失效；酶本身失效； 酶从载体上脱落；酶从载体上脱落； 载体肢解载体肢解。 在各种类型的反应器中，CSTR最易引起这类损失。42 应用的可塑性及成本 CSTR类型的反应器应用的可塑性较大，结构简单，成本也较低； 综上所述，酶反应器的选择没有一个简单的法则或标准可以遵循，必须根据具体情况进行全面的分析和衡量。 43 三、酶反应器的操作三、酶反应器的操作 （一）反应温度的确定与调节控制（一）反应温度的确定与调节控制 （二）（二）pH值的确定与调控值的确定与调控 （三）底物浓度（三）底物浓度 （四）酶浓度（四）酶浓度 （五）搅拌速度（五）搅拌速度 （六