第七章 加压反应器

时间的进程而改变，就产生了一个如何控制反应过程
使其最优化的问题。
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③对生长细胞来说，要考虑到如何维持发酵的最佳
条件，主要包括细胞营养、代谢的调控以及反应 产物的干扰。 ④由于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 ⑤大多数生化反应都在水相中进行，相对来说产物
4NH 3 6NO 5N2 6H 2O
催化剂200-300℃：Pt (Pd,Fe,Cu,Mn)/Al2O3 (TiO2,V2O5)
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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 • 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
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6.3 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。 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wk.baidu.com应器：利用酶或生物体（如微生物）所具有的
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。
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• （五）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这两种作 用的一类反应器。是有气体参与的酶催化反应中 常用的一种反应器。 适用于：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、
•
适用的酶：游离酶、固定化酶
Reactor, CSTR)
• 2）连续流搅拌罐反应器(Continuous Flow Stirred Tank • 适用的酶：固定化酶
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• 2. 适用的操作方式：
• 分批式、半分批式、连续式 • 3.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 易控制，能处理胶体状底物、不溶性底物。
气三相，又称为三相流化床反
应器 。
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• 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 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， 还可减少底物，特别使产物对酶的抑制作用。
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• 缺点：①温度和pH难以控制； • ②底物和产物会产生轴向浓度分布； • ③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。
•
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• （三）流化床型(Fludized Bed
Reactor, 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
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• 目前，在精细化学品生产上，加氢工艺普遍采用高压釜
间歇式加氢，操作繁琐，生产规模受限制，催化剂不能
长周期使用，生产成本较高。
• 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。）
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6.2 催化反应器
一、物料预处理设备 1、熔化设备：锅式、箱式， 无搅拌装置，可用任 何加热剂加热。
• （四）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 反应器。 • 适用于：游离酶、固定化酶。 • 1. 游离酶膜反应器
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• 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
应器 。
• 分类：
• 1）平板状或螺旋状反应器
• 2）转盘型反应器
SO2 1/ 2O2 Vanadium SO3
SO3 H 2O H 2 SO4
SO2单级和二级净化工艺的流程图 催化反应：420－550℃
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催化净化工艺
NOx NH3 filter
Combustor Mixer
Reactor
NOx的选择性催化还原（SCR）
8NH 3 6NO2 7 N2 12H 2O
④储存容器
——各种型式的储罐
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安全附件
• • • • • • 压力表 温度计 安全阀 爆破片 紧急切断装置 安全联锁装置
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• 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。
• 固定化多酶反应器
• 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，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，用小型柱式反应器取代庞大的微 生物发酵罐。
•
在其横截面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(Plug Flow Reactor, PFR)
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• 适用于：固定化酶。
• 优点：可使用高浓度的催化剂 。
• 与CSTR相比，可减少产物的抑制作用（产物浓
度沿反应器长度逐渐增高 ）。
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催化净化工艺
来自冶炼厂或硫磺 燃 烧 的 富 含 SO2 的 尾气 含有约为初始 进 气 SO2 浓 度 3% 的尾气 水 段间冷却 的四层催 化床 填充床 吸收塔 含有约为初 始 进 气 SO2 浓 度 0.3% 的 尾 气 水
预除尘和 水分
第二级 催化床
填充床 吸收塔
单级吸收工艺 二级吸收工艺
浓度较低，这就产生了一个产物回收工艺及成本
的问题。
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• 二、 酶反应器的特点与类型
• 定义：以酶或固定化酶作为催化剂进行酶促反应的装置
称为酶反应器(Enzyme reactor)。
• 特点：以尽可能低的成本，按一定的速度由规定的反应
物制备特定的产物。
• 与化学反应器相比：在低温、低压下发挥作用，反应时 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 再生）。
• 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。
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•
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。 2.固定化酶 颗粒状或片状——CSTR、PBR 膜状和纤维状——PBR 小颗粒状——FBR 连续搅拌罐式反应器 超滤反应器
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①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、……
②换热容器 加热器、消毒锅、烘缸、蒸炒锅、预热锅…… ③分离容器
• 管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、
• 分离器、过滤器、集油器、缓冲器、洗涤器、吸收塔、
干燥塔、除氧器、……
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• 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
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• （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
装置组成。
• 1. 分类： • 1）分批搅拌罐式反应器(Batch Stirred Tank Reactor, BSTR)
生物功能，在体外进行生化反应的装置系统。
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根据生物反应过程中所使用的生物催化剂不同可将
生物反应器分为：酶反应器和细胞生物反应器。 生物反应器应具备的条件： 能维持一定的温度、pH、反应物(如营养物质、溶解 氧等)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 除菌及密封设备，以防止生产过程中因微生物侵入造成 的杂菌污染。 14
• 4. 缺点:
• 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。 在反应器出口装上滤器 ,或用尼龙网罩住固定化酶 ,或制 成磁性固定化酶，或多个搅拌罐串联。
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• 5. 改进：
•
• （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。
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• 底物的物理性质 • 溶解性物质 ——任何类型反应器 • 底物 颗粒物质 CSTR、PBR • 胶体物质
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• 反应操作要求
• 1.若酶受高浓度底物抑制
• 例如：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、
化工、树脂合成、橡胶助剂工业的理想选择。
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催化加氢优点:
• 1. 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，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90%以上，有效地保护了生态环境。
一、生化反应器的特点
①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，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。
②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
2、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
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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NOx – 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
于CSTR和PFR之间。
• 适用于：固定化酶。
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• 优点：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，可适用于处理黏度高的液体； • 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。
• 缺点：需保持一定的流速，运转成本高，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； • 流化床的空隙体积大，酶的浓度不高； • 底物高速流动使酶冲出，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 26 化床。
第六章 加压反应器与 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
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6.1 加压反应器 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、支座以及接管座等部件构成。
• 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。
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• 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。多与自动分析
仪等组装在一起，用于定量分析。
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• 4）中空纤维膜反应器
• 由外壳和数以千计的醋酸纤维制成的中空纤维(内径 200μm -500μm，外径300μm -900μm)。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 固定在海绵状支持层中 。
• 3）空心酶管反应器
• 4）中空纤维膜反应器
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• 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。
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• 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。