《第5章膜反应工程》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章膜反应工程（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章第五章 膜反应过程膜反应过程陈陈 亚亚 中中 合肥工业大学化工学院合肥工业大学化工学院bb概述概述概述概述bb膜的分离功能膜的分离功能膜的分离功能膜的分离功能bb膜的载体功能膜的载体功能膜的载体功能膜的载体功能bb膜反应器的分类膜反应器的分类膜反应器的分类膜反应器的分类bb膜反应器的实用工程和工艺膜反应器的实用工程和工艺膜反应器的实用工程和工艺膜反应器的实用工程和工艺bb膜反应器的设计膜反应器的设计膜反应器的设计膜反应器的设计bb膜反应器的应用膜反应器的应用膜反应器的应用膜反应器的应用内容一、概述一、概述一、概述一、概述bb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。膜与
2、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。bb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。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。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。反应设备或系统，而用
3、于生物反应体系的则称为膜生物反应器。1 1 1 1、膜的分离功能、膜的分离功能、膜的分离功能、膜的分离功能bb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：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：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：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 1 1 1）可逆反应：）可逆反应：）可逆反应：）可逆反应： 依靠膜将产物依靠膜将产物依靠膜将产物依靠膜将产物B B B B从反应区中移走，降低了从反应区中移走，降低了从反应区中移走，降低了从反应区中移走，降低了B B B B在反应器中的浓度，在反应器中的浓度，
4、在反应器中的浓度，在反应器中的浓度，促使平衡向生成促使平衡向生成促使平衡向生成促使平衡向生成B B B B的方向移动，从而在相同反应条件下，获得高于的方向移动，从而在相同反应条件下，获得高于的方向移动，从而在相同反应条件下，获得高于的方向移动，从而在相同反应条件下，获得高于平衡转化的转化率。平衡转化的转化率。平衡转化的转化率。平衡转化的转化率。A B2 2）串联反应：产物）串联反应：产物）串联反应：产物）串联反应：产物B B从反应器中从反应器中从反应器中从反应器中排出，可降低副产物排出，可降低副产物排出，可降低副产物排出，可降低副产物 C C的生成，的生成，的生成，的生成，从而提高产物从而提高
5、产物从而提高产物从而提高产物B B选择性。选择性。选择性。选择性。3 3）催化受产品抑制或毒害的反应：）催化受产品抑制或毒害的反应：）催化受产品抑制或毒害的反应：）催化受产品抑制或毒害的反应：产物产物产物产物B B的及时分离可以消除或部的及时分离可以消除或部的及时分离可以消除或部的及时分离可以消除或部分消除其对催化剂的影响，提分消除其对催化剂的影响，提分消除其对催化剂的影响，提分消除其对催化剂的影响，提高催化剂的表观活性，延长催高催化剂的表观活性，延长催高催化剂的表观活性，延长催高催化剂的表观活性，延长催化剂的寿命。化剂的寿命。化剂的寿命。化剂的寿命。2 2 2 2、膜的载体功能、膜的载体功能
6、、膜的载体功能、膜的载体功能bb利用膜的载体功能可制成催化活性膜。利用膜的载体功能可制成催化活性膜。利用膜的载体功能可制成催化活性膜。利用膜的载体功能可制成催化活性膜。另外有些膜本身具有催化活性，如：苯另外有些膜本身具有催化活性，如：苯另外有些膜本身具有催化活性，如：苯另外有些膜本身具有催化活性，如：苯乙烯磺酸膜可以催化酯化反应。惰性膜乙烯磺酸膜可以催化酯化反应。惰性膜乙烯磺酸膜可以催化酯化反应。惰性膜乙烯磺酸膜可以催化酯化反应。惰性膜材料可以通过浸渍、复合包埋、化学键材料可以通过浸渍、复合包埋、化学键材料可以通过浸渍、复合包埋、化学键材料可以通过浸渍、复合包埋、化学键合等多种方法接枝成催化活
7、性膜。催化合等多种方法接枝成催化活性膜。催化合等多种方法接枝成催化活性膜。催化合等多种方法接枝成催化活性膜。催化膜可兼具分离功能。膜可兼具分离功能。膜可兼具分离功能。膜可兼具分离功能。3 3 3 3、膜反应器的分类、膜反应器的分类、膜反应器的分类、膜反应器的分类bb按膜的形状分：平板膜、管式膜、中空按膜的形状分：平板膜、管式膜、中空按膜的形状分：平板膜、管式膜、中空按膜的形状分：平板膜、管式膜、中空纤维膜；纤维膜；纤维膜；纤维膜；bb按膜的分离属性分：目前已开发的各种按膜的分离属性分：目前已开发的各种按膜的分离属性分：目前已开发的各种按膜的分离属性分：目前已开发的各种分离膜都可根据反应体系的属
8、性和要求分离膜都可根据反应体系的属性和要求分离膜都可根据反应体系的属性和要求分离膜都可根据反应体系的属性和要求构建相应的膜反应器。其中气相催化反构建相应的膜反应器。其中气相催化反构建相应的膜反应器。其中气相催化反构建相应的膜反应器。其中气相催化反应多采用可渗透气体组分的无机膜；液应多采用可渗透气体组分的无机膜；液应多采用可渗透气体组分的无机膜；液应多采用可渗透气体组分的无机膜；液相反应特别是生物反应都采用超滤膜和相反应特别是生物反应都采用超滤膜和相反应特别是生物反应都采用超滤膜和相反应特别是生物反应都采用超滤膜和液膜。液膜。液膜。液膜。A B C一、概述一、概述bb按膜的功能分类：惰性膜反应器
9、和按膜的功能分类：惰性膜反应器和按膜的功能分类：惰性膜反应器和按膜的功能分类：惰性膜反应器和催化膜反应器。前者具备分离功能，催化膜反应器。前者具备分离功能，催化膜反应器。前者具备分离功能，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；对生物后者具有催化和分离功能；对生物后者具有催化和分离功能；对生物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反应可分为组合型膜反应器和一体反应可分为组合型膜反应器和一体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化膜反应器。前者是反应器与分离化膜反应器。前者是反应器与分离化膜反应器。前者是反应器与分离器的耦合，后者是反应
10、器就是分离器的耦合，后者是反应器就是分离器的耦合，后者是反应器就是分离器的耦合，后者是反应器就是分离器。器。器。器。bb按物质传递的方式分：扩散控制型按物质传递的方式分：扩散控制型按物质传递的方式分：扩散控制型按物质传递的方式分：扩散控制型和流动控制型两种，取决于物质在和流动控制型两种，取决于物质在和流动控制型两种，取决于物质在和流动控制型两种，取决于物质在膜中的迁移方式。膜中的迁移方式。膜中的迁移方式。膜中的迁移方式。bb按催化剂形态分类：在膜生物反应器按催化剂形态分类：在膜生物反应器按催化剂形态分类：在膜生物反应器按催化剂形态分类：在膜生物反应器中，生物催化剂有三种形态：溶解酶中，生物催化
11、剂有三种形态：溶解酶中，生物催化剂有三种形态：溶解酶中，生物催化剂有三种形态：溶解酶和悬浮细胞属游离态；膜表面截留细和悬浮细胞属游离态；膜表面截留细和悬浮细胞属游离态；膜表面截留细和悬浮细胞属游离态；膜表面截留细胞团或酶蛋白凝胶属浓集态；以传统胞团或酶蛋白凝胶属浓集态；以传统胞团或酶蛋白凝胶属浓集态；以传统胞团或酶蛋白凝胶属浓集态；以传统方法固定在膜内或膜表面的酶呈固定方法固定在膜内或膜表面的酶呈固定方法固定在膜内或膜表面的酶呈固定方法固定在膜内或膜表面的酶呈固定化态。固定化态难以从反应器中清除，化态。固定化态难以从反应器中清除，化态。固定化态难以从反应器中清除，化态。固定化态难以从反应器中清
12、除，不便于补充和置换，但使用稳定性好；不便于补充和置换，但使用稳定性好；不便于补充和置换，但使用稳定性好；不便于补充和置换，但使用稳定性好；浓集态装填密度高，活力稳定性高于浓集态装填密度高，活力稳定性高于浓集态装填密度高，活力稳定性高于浓集态装填密度高，活力稳定性高于游离态，酶或细胞的置换有一定的难游离态，酶或细胞的置换有一定的难游离态，酶或细胞的置换有一定的难游离态，酶或细胞的置换有一定的难度；游离态不稳定，但便于补充和置度；游离态不稳定，但便于补充和置度；游离态不稳定，但便于补充和置度；游离态不稳定，但便于补充和置换。换。换。换。bb按反应体系分：膜生物反应器、催化按反应体系分：膜生物反应
13、器、催化按反应体系分：膜生物反应器、催化按反应体系分：膜生物反应器、催化反应器。反应器。反应器。反应器。一、概述一、概述1 1、膜选择是膜反应器实用化的核、膜选择是膜反应器实用化的核、膜选择是膜反应器实用化的核、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心问题，一般认为膜反应器中的心问题，一般认为膜反应器中的心问题，一般认为膜反应器中的膜必须具有：膜必须具有：膜必须具有：膜必须具有：bb良好的热和结构稳定性良好的热和结构稳定性良好的热和结构稳定性良好的热和结构稳定性：生物反：生物反：生物反：生物反应的温度、压力较低，一般有机应的温度、压力较低，一般有机应的温度、压力较低，一般有机应
14、的温度、压力较低，一般有机膜和无机膜都可使用，但有机膜膜和无机膜都可使用，但有机膜膜和无机膜都可使用，但有机膜膜和无机膜都可使用，但有机膜必须能耐微生物降解；对于多相必须能耐微生物降解；对于多相必须能耐微生物降解；对于多相必须能耐微生物降解；对于多相催化反应，膜必须经受高温、高催化反应，膜必须经受高温、高催化反应，膜必须经受高温、高催化反应，膜必须经受高温、高压和各种压和各种压和各种压和各种pHpH条件的考验，无机条件的考验，无机条件的考验，无机条件的考验，无机膜比较适合；金属络合催化反应，膜比较适合；金属络合催化反应，膜比较适合；金属络合催化反应，膜比较适合；金属络合催化反应，温度、压力不高
15、，常采用金属合温度、压力不高，常采用金属合温度、压力不高，常采用金属合温度、压力不高，常采用金属合金膜，但在有机溶剂中使用必须金膜，但在有机溶剂中使用必须金膜，但在有机溶剂中使用必须金膜，但在有机溶剂中使用必须无溶胀效应。无溶胀效应。无溶胀效应。无溶胀效应。bb常用的材料中，聚酰亚胺、聚醚常用的材料中，聚酰亚胺、聚醚常用的材料中，聚酰亚胺、聚醚常用的材料中，聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺耐温酰亚胺、聚酰胺酰亚胺耐温酰亚胺、聚酰胺酰亚胺耐温酰亚胺、聚酰胺酰亚胺耐温200200度左右；氧化铝膜和多孔玻璃膜度左右；氧化铝膜和多孔玻璃膜度左右；氧化铝膜和多孔玻璃膜度左右；氧化铝膜和多孔玻璃膜可在可
16、在可在可在800800度左右稳定使用；金属钯度左右稳定使用；金属钯度左右稳定使用；金属钯度左右稳定使用；金属钯膜耐温较高，但多次吸脱氢后会膜耐温较高，但多次吸脱氢后会膜耐温较高，但多次吸脱氢后会膜耐温较高，但多次吸脱氢后会变脆现象。变脆现象。变脆现象。变脆现象。bb催化性能的要求催化性能的要求催化性能的要求催化性能的要求：对于催化膜，：对于催化膜，：对于催化膜，：对于催化膜，催化剂的活性组分必须沉积在反催化剂的活性组分必须沉积在反催化剂的活性组分必须沉积在反催化剂的活性组分必须沉积在反应所需要的位置上，膜材料必须应所需要的位置上，膜材料必须应所需要的位置上，膜材料必须应所需要的位置上，膜材料必
17、须对活性组分无毒。对生物膜反应，对活性组分无毒。对生物膜反应，对活性组分无毒。对生物膜反应，对活性组分无毒。对生物膜反应，膜必须具有良好的生物相容性，膜必须具有良好的生物相容性，膜必须具有良好的生物相容性，膜必须具有良好的生物相容性，对生物体无毒。对生物体无毒。对生物体无毒。对生物体无毒。bb分离特性分离特性分离特性分离特性：具有产物透过，反应：具有产物透过，反应：具有产物透过，反应：具有产物透过，反应物不能透过的分离功能。分离系物不能透过的分离功能。分离系物不能透过的分离功能。分离系物不能透过的分离功能。分离系数尽可能大。数尽可能大。数尽可能大。数尽可能大。二、膜反应器实用化要求二、膜反应器
18、实用化要求2 2、反应物的渗透、反应物的渗透、反应物的渗透、反应物的渗透bb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：高膜的分离系数外还采用如下办法：高膜的分离系数外还采用如下办法：高膜的分离系数外还采用如下办法：bb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；反应侧加入惰性气体使反应物分压降低，减少
19、反应物的渗透量；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；bb反应物循环利用；反应物循环利用；反应物循环利用；反应物循环利用；bb反应物在膜中间位置补料；反应物在膜中间位置补料；反应物在膜中间位置补料；反应物在膜中间位置补料；bb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。应物的渗透。应物的渗透。应物的渗透。二、膜反应器实用化要求二、膜反应器实
20、用化要求3 3、浓差极化和膜污染、浓差极化和膜污染、浓差极化和膜污染、浓差极化和膜污染bb主要针对以超滤膜为主体的膜生物反应器，随着筛分过滤主要针对以超滤膜为主体的膜生物反应器，随着筛分过滤主要针对以超滤膜为主体的膜生物反应器，随着筛分过滤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，的进行，浓差极化和膜污染将导致渗透通量的显著降低，的进行，浓差极化和膜污染将导致渗透通量的显著降低，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、从而使反应器不能稳定操作。主要措施：反应物料预处理、从而使
21、反应器不能稳定操作。主要措施：反应物料预处理、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、使细胞悬浮液膜与生物催化剂的适当配置减轻极化效应、使细胞悬浮液膜与生物催化剂的适当配置减轻极化效应、使细胞悬浮液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。循环流动、控制细胞生长的密度、有效排出死细胞等。循环流动、控制细胞生长的密度、有效排出死细胞等。循环流动、控制细胞生长的密度、有效排出死细胞等。4 4、其他工程工艺问题：、其他工程工艺问题：、其他工程工艺问题：、其他工程工艺问题：bb如何增大膜的装填密度
22、、提高比表面积，减少死体积是膜如何增大膜的装填密度、提高比表面积，减少死体积是膜如何增大膜的装填密度、提高比表面积，减少死体积是膜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；反应器结构设计的一个基本点；反应器结构设计的一个基本点；反应器结构设计的一个基本点；bb膜与反应器壳体的连接；膜与反应器壳体的连接；膜与反应器壳体的连接；膜与反应器壳体的连接；bb反应热如何传递。反应热如何传递。反应热如何传递。反应热如何传递。二、膜反应器实用化要求二、膜反应器实用化要求反应器的设计原理和方法反应器的设计原理和方法反应器的设计原理和方法反应器的设计原理和方法bb反应器设计原
23、则：以强化传质、传热为基础，最有反应器设计原则：以强化传质、传热为基础，最有反应器设计原则：以强化传质、传热为基础，最有反应器设计原则：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效地发挥催化剂的活性，最大限度获得反应器单位效地发挥催化剂的活性，最大限度获得反应器单位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。具体体积的高产率。这些都适合膜反应器的设计。具体体积的高产率。这些都适合膜反应器的设计。具体体积的高产率。这些都适合膜反应器的设计。具体的设计方法和步骤：的设计方法和步骤：的设计方法和步骤：的设计方法和步骤：1 1）反应
24、动力学公式的确定和动力学常数的测定；）反应动力学公式的确定和动力学常数的测定；）反应动力学公式的确定和动力学常数的测定；）反应动力学公式的确定和动力学常数的测定；2 2）反应器中流体流动特性和传递规律的分析；）反应器中流体流动特性和传递规律的分析；）反应器中流体流动特性和传递规律的分析；）反应器中流体流动特性和传递规律的分析；三、膜反应器的设计三、膜反应器的设计3 3）物料衡算方程的建立和边界条件的）物料衡算方程的建立和边界条件的）物料衡算方程的建立和边界条件的）物料衡算方程的建立和边界条件的确立；确立；确立；确立；4 4）方程求解（解析解或精确解），求）方程求解（解析解或精确解），求）方程求
25、解（解析解或精确解），求）方程求解（解析解或精确解），求解结果得到反映反应器行为、特征解结果得到反映反应器行为、特征解结果得到反映反应器行为、特征解结果得到反映反应器行为、特征的操作方程或有关图表。的操作方程或有关图表。的操作方程或有关图表。的操作方程或有关图表。2 2、膜反应器中的反应动力学、膜反应器中的反应动力学、膜反应器中的反应动力学、膜反应器中的反应动力学bb在膜反应器中，化学反应的关键步在膜反应器中，化学反应的关键步在膜反应器中，化学反应的关键步在膜反应器中，化学反应的关键步骤不会改变，其动力学行为也不会骤不会改变，其动力学行为也不会骤不会改变，其动力学行为也不会骤不会改变，其动力学
26、行为也不会发生变化。膜反应器的动力学即原发生变化。膜反应器的动力学即原发生变化。膜反应器的动力学即原发生变化。膜反应器的动力学即原反应的本征动力学。反应的本征动力学。反应的本征动力学。反应的本征动力学。bb对于生物反应，如果酶和细胞以游对于生物反应，如果酶和细胞以游对于生物反应，如果酶和细胞以游对于生物反应，如果酶和细胞以游离态的形式存在，由于其本身的形离态的形式存在，由于其本身的形离态的形式存在，由于其本身的形离态的形式存在，由于其本身的形态无明显得变化，可采用其本征动态无明显得变化，可采用其本征动态无明显得变化，可采用其本征动态无明显得变化，可采用其本征动力学；力学；力学；力学；bb如果细
27、胞以浓集态和固定化相同存如果细胞以浓集态和固定化相同存如果细胞以浓集态和固定化相同存如果细胞以浓集态和固定化相同存在，其本身的形态将因分子间的作在，其本身的形态将因分子间的作在，其本身的形态将因分子间的作在，其本身的形态将因分子间的作用而有所变化，反应动力学也将有用而有所变化，反应动力学也将有用而有所变化，反应动力学也将有用而有所变化，反应动力学也将有所变化，可通过无梯度膜反应器的所变化，可通过无梯度膜反应器的所变化，可通过无梯度膜反应器的所变化，可通过无梯度膜反应器的构建对其动力学的行为和动力学常构建对其动力学的行为和动力学常构建对其动力学的行为和动力学常构建对其动力学的行为和动力学常数进行
28、实测。数进行实测。数进行实测。数进行实测。3 3、膜反应器中的传质、膜反应器中的传质、膜反应器中的传质、膜反应器中的传质bb膜的渗透机理：在气相反应中的气膜的渗透机理：在气相反应中的气膜的渗透机理：在气相反应中的气膜的渗透机理：在气相反应中的气体渗透膜的传递机理有对流扩散、体渗透膜的传递机理有对流扩散、体渗透膜的传递机理有对流扩散、体渗透膜的传递机理有对流扩散、努森扩散、表面扩散、毛细管冷凝、努森扩散、表面扩散、毛细管冷凝、努森扩散、表面扩散、毛细管冷凝、努森扩散、表面扩散、毛细管冷凝、活化扩散和溶解扩散；在液相反应活化扩散和溶解扩散；在液相反应活化扩散和溶解扩散；在液相反应活化扩散和溶解扩散
29、；在液相反应中的液体渗透膜，使用的是超滤膜，中的液体渗透膜，使用的是超滤膜，中的液体渗透膜，使用的是超滤膜，中的液体渗透膜，使用的是超滤膜，渗透机理可按渗透机理可按渗透机理可按渗透机理可按Hagen-PoiseuilleHagen-Poiseuille定律定律定律定律处理。处理。处理。处理。三、膜反应器的设计三、膜反应器的设计bb对流扩散（粘性流）：无分离效应。对流扩散（粘性流）：无分离效应。对流扩散（粘性流）：无分离效应。对流扩散（粘性流）：无分离效应。bb努森扩散：分离系数与分子量大小有关，努森扩散：分离系数与分子量大小有关，努森扩散：分离系数与分子量大小有关，努森扩散：分离系数与分子量大
30、小有关，渗透通量与根号分子量成反比。渗透通量与根号分子量成反比。渗透通量与根号分子量成反比。渗透通量与根号分子量成反比。bb表面扩散：对气体分离影响较大，是膜表面扩散：对气体分离影响较大，是膜表面扩散：对气体分离影响较大，是膜表面扩散：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；催化反应中很重要的一种扩散分离过程；催化反应中很重要的一种扩散分离过程；催化反应中很重要的一种扩散分离过程；bb毛细管冷凝：可用于提高易冷凝相的分毛细管冷凝：可用于提高易冷凝相的分毛细管冷凝：可用于提高易冷凝相的分毛细管冷凝：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离选择性，当易凝集物在
31、膜孔中凝聚阻离选择性，当易凝集物在膜孔中凝聚阻离选择性，当易凝集物在膜孔中凝聚阻碍了气体分子的通过；碍了气体分子的通过；碍了气体分子的通过；碍了气体分子的通过；bb活化扩散：要求膜孔径不超过分子直径活化扩散：要求膜孔径不超过分子直径活化扩散：要求膜孔径不超过分子直径活化扩散：要求膜孔径不超过分子直径的的的的3 3倍，这种膜的孔径很难控制，主要倍，这种膜的孔径很难控制，主要倍，这种膜的孔径很难控制，主要倍，这种膜的孔径很难控制，主要是钯膜，用于透氢。是钯膜，用于透氢。是钯膜，用于透氢。是钯膜，用于透氢。bb溶解扩散：膜厚对渗透通量影响较大。溶解扩散：膜厚对渗透通量影响较大。溶解扩散：膜厚对渗透通
32、量影响较大。溶解扩散：膜厚对渗透通量影响较大。膜反应器中的传质膜反应器中的传质bb膜反应器的操作模式：膜反应器的操作模式：膜反应器的操作模式：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在膜反应器中，物质的传递规律不仅与在膜反应器中，物质的传递规律不仅与在膜反应器中，物质的传递规律不仅与膜的渗透机理有关，而且还与物料在反膜的渗透机理有关，而且还与物料在反膜的渗透机理有关，而且还与物料在反膜的渗透机理有关，而且还与物料在反应器中流动渗透的方式有关，即与操作应器中流动渗透的方式有关，即与操作应器中流动渗透的方式有关，即与操作应器中流动渗透的方式有关，即与操作方式有关。方式有关。方式有关
33、。方式有关。bb在膜催化反应中，膜将反应器分隔为反在膜催化反应中，膜将反应器分隔为反在膜催化反应中，膜将反应器分隔为反在膜催化反应中，膜将反应器分隔为反应腔和渗透腔两部分，反应物料从反应应腔和渗透腔两部分，反应物料从反应应腔和渗透腔两部分，反应物料从反应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，产物透过膜腔室流过，在反应的同时，产物透过膜腔室流过，在反应的同时，产物透过膜腔室流过，在反应的同时，产物透过膜到达渗透腔，由载气流带走。反应物料到达渗透腔，由载气流带走。反应物料到达渗透腔，由载气流带走。反应物料到达渗透腔，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与载体
34、流内存在着同向或逆向两种操作与载体流内存在着同向或逆向两种操作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，反应器内存在地模式，在两种模式中，反应器内存在地模式，在两种模式中，反应器内存在地模式，在两种模式中，反应器内存在地渗透阻力没有差别，但在反应器渗透腔渗透阻力没有差别，但在反应器渗透腔渗透阻力没有差别，但在反应器渗透腔渗透阻力没有差别，但在反应器渗透腔内各物料组分的浓度将有所不同。两种内各物料组分的浓度将有所不同。两种内各物料组分的浓度将有所不同。两种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操作方式对反应器操作行为的影响可通操作方式对反应器操作行为的影
35、响可通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。过物料平衡式的求解获得。过物料平衡式的求解获得。过物料平衡式的求解获得。bb在膜生物反应中，最常见有三种操在膜生物反应中，最常见有三种操在膜生物反应中，最常见有三种操在膜生物反应中，最常见有三种操作模式：错流超滤式、循环式、真作模式：错流超滤式、循环式、真作模式：错流超滤式、循环式、真作模式：错流超滤式、循环式、真空式。由于流动阻力的存在，膜反空式。由于流动阻力的存在，膜反空式。由于流动阻力的存在，膜反空式。由于流动阻力的存在，膜反应器中的渗透通量将低于理论渗透应器中的渗透通量将低于理论渗透应器中的渗透通量将低于理论渗透应器中的渗
36、透通量将低于理论渗透通量，而且与反应器的操作模式有通量，而且与反应器的操作模式有通量，而且与反应器的操作模式有通量，而且与反应器的操作模式有关。关。关。关。错流超滤错流超滤循环式循环式真空式真空式膜反应器中的传质膜反应器中的传质1 1、用于加氢、脱氢反应、用于加氢、脱氢反应、用于加氢、脱氢反应、用于加氢、脱氢反应2 2、氧泵型催化膜反应器、氧泵型催化膜反应器、氧泵型催化膜反应器、氧泵型催化膜反应器3 3、甲烷氧联膜催化反应器、甲烷氧联膜催化反应器、甲烷氧联膜催化反应器、甲烷氧联膜催化反应器4 4、中空纤维细胞高密度培、中空纤维细胞高密度培、中空纤维细胞高密度培、中空纤维细胞高密度培养器养器养器
37、养器5 5、膜循环发酵器、膜循环发酵器、膜循环发酵器、膜循环发酵器6 6、用于生物催化过程的膜、用于生物催化过程的膜、用于生物催化过程的膜、用于生物催化过程的膜生物反应器生物反应器生物反应器生物反应器1 1、用于加氢、脱氢反应、用于加氢、脱氢反应、用于加氢、脱氢反应、用于加氢、脱氢反应bb由于膜对氢具有高渗透率和高分离系由于膜对氢具有高渗透率和高分离系由于膜对氢具有高渗透率和高分离系由于膜对氢具有高渗透率和高分离系数，所以膜反应器在加氢脱氢反应中数，所以膜反应器在加氢脱氢反应中数，所以膜反应器在加氢脱氢反应中数，所以膜反应器在加氢脱氢反应中有良好的效果。对于脱氢反应可将反有良好的效果。对于脱氢
38、反应可将反有良好的效果。对于脱氢反应可将反有良好的效果。对于脱氢反应可将反应器与分离器直径结合，使反应与产应器与分离器直径结合，使反应与产应器与分离器直径结合，使反应与产应器与分离器直径结合，使反应与产物的分离同时进行。对于加氢反应将物的分离同时进行。对于加氢反应将物的分离同时进行。对于加氢反应将物的分离同时进行。对于加氢反应将反应物与氢气分别从膜的两边加入，反应物与氢气分别从膜的两边加入，反应物与氢气分别从膜的两边加入，反应物与氢气分别从膜的两边加入，氢通过膜扩散提高其在反应区的浓度，氢通过膜扩散提高其在反应区的浓度，氢通过膜扩散提高其在反应区的浓度，氢通过膜扩散提高其在反应区的浓度，可有效
39、地提高反应效率。可有效地提高反应效率。可有效地提高反应效率。可有效地提高反应效率。四、膜反应器的应用四、膜反应器的应用2 2、氧泵型催化膜反应器、氧泵型催化膜反应器、氧泵型催化膜反应器、氧泵型催化膜反应器bb以氧离子电导体（氧化钇稳定的氧化锆以氧离子电导体（氧化钇稳定的氧化锆以氧离子电导体（氧化钇稳定的氧化锆以氧离子电导体（氧化钇稳定的氧化锆YSZYSZ）为隔膜，使氧选择性通过；）为隔膜，使氧选择性通过；）为隔膜，使氧选择性通过；）为隔膜，使氧选择性通过；bb采用电阻加热式真空蒸镀法制成金属氧化采用电阻加热式真空蒸镀法制成金属氧化采用电阻加热式真空蒸镀法制成金属氧化采用电阻加热式真空蒸镀法制成
40、金属氧化物催化剂物催化剂物催化剂物催化剂/ /阴极（阴极（阴极（阴极（AuAu）/YSZ/YSZ/阳极（阳极（阳极（阳极（AgAg）积层型膜作为膜反应器，氧从阳极透过积层型膜作为膜反应器，氧从阳极透过积层型膜作为膜反应器，氧从阳极透过积层型膜作为膜反应器，氧从阳极透过YSZYSZ膜输向阴极，在阴极侧的催化膜表面膜输向阴极，在阴极侧的催化膜表面膜输向阴极，在阴极侧的催化膜表面膜输向阴极，在阴极侧的催化膜表面选择性地生成活性氧选择性地生成活性氧选择性地生成活性氧选择性地生成活性氧OO2 2，可以催化原子，可以催化原子，可以催化原子，可以催化原子态氧为活性中心的各类反应，通过改变外态氧为活性中心的各
41、类反应，通过改变外态氧为活性中心的各类反应，通过改变外态氧为活性中心的各类反应，通过改变外加电压可调节氧泵输送速度，进而控制反加电压可调节氧泵输送速度，进而控制反加电压可调节氧泵输送速度，进而控制反加电压可调节氧泵输送速度，进而控制反应选择性。应选择性。应选择性。应选择性。bb可进行可进行可进行可进行COCO2 2或水的高温热分解、各类烯烃或水的高温热分解、各类烯烃或水的高温热分解、各类烯烃或水的高温热分解、各类烯烃的氧化，乙醇、氨的氧化及苯甲基和烯丙的氧化，乙醇、氨的氧化及苯甲基和烯丙的氧化，乙醇、氨的氧化及苯甲基和烯丙的氧化，乙醇、氨的氧化及苯甲基和烯丙基化合物催化氧化脱氢二聚及甲烷氧化偶
42、基化合物催化氧化脱氢二聚及甲烷氧化偶基化合物催化氧化脱氢二聚及甲烷氧化偶基化合物催化氧化脱氢二聚及甲烷氧化偶联或直接氧化制甲醇等反应。联或直接氧化制甲醇等反应。联或直接氧化制甲醇等反应。联或直接氧化制甲醇等反应。O2-Ag(2 m)阳极阳极YSZ(1mm)Au(1 m)阴极阴极催化剂催化剂(4 m)C3H6或或1-C4H8(+O2)eeO2-氧泵型膜反应器氧泵型膜反应器四、膜反应器的应用四、膜反应器的应用3 3、甲烷氧化偶联膜催化反应器、甲烷氧化偶联膜催化反应器、甲烷氧化偶联膜催化反应器、甲烷氧化偶联膜催化反应器bb在平均孔径为在平均孔径为在平均孔径为在平均孔径为50nm50nm的多孔氧化铝的
43、多孔氧化铝的多孔氧化铝的多孔氧化铝管上涂以管上涂以管上涂以管上涂以MgO/PbOMgO/PbO层，涂层区外层，涂层区外层，涂层区外层，涂层区外的部分以焙烧过的硅胶堵死。将膜的部分以焙烧过的硅胶堵死。将膜的部分以焙烧过的硅胶堵死。将膜的部分以焙烧过的硅胶堵死。将膜管封入石英管中构成膜反应器。管封入石英管中构成膜反应器。管封入石英管中构成膜反应器。管封入石英管中构成膜反应器。bb管内通入氧气或空气，管外通入甲管内通入氧气或空气，管外通入甲管内通入氧气或空气，管外通入甲管内通入氧气或空气，管外通入甲烷气，氧气流中通过惰性组分的加烷气，氧气流中通过惰性组分的加烷气，氧气流中通过惰性组分的加烷气，氧气流
44、中通过惰性组分的加入控制氧气的选择性供给，由于甲入控制氧气的选择性供给，由于甲入控制氧气的选择性供给，由于甲入控制氧气的选择性供给，由于甲烷气流中不存在气相氧，烷气流中不存在气相氧，烷气流中不存在气相氧，烷气流中不存在气相氧，C C2 2烃类烃类烃类烃类的选择性可高达的选择性可高达的选择性可高达的选择性可高达9797。CH4PbO/MgO石英管石英管胶态氧化硅胶态氧化硅氧化铝管氧化铝管O2+HeCH4C2烃类烃类甲烷氧化偶联膜反应器甲烷氧化偶联膜反应器四、膜反应器的应用四、膜反应器的应用4 4、中空纤维细胞高密度培养器、中空纤维细胞高密度培养器、中空纤维细胞高密度培养器、中空纤维细胞高密度培养
45、器bb中空纤维超滤膜构成的细胞培养器已用于动物细胞培中空纤维超滤膜构成的细胞培养器已用于动物细胞培中空纤维超滤膜构成的细胞培养器已用于动物细胞培中空纤维超滤膜构成的细胞培养器已用于动物细胞培养生产病毒、激素、单克隆抗体。养生产病毒、激素、单克隆抗体。养生产病毒、激素、单克隆抗体。养生产病毒、激素、单克隆抗体。bb通常的中空纤维培养管中，细胞在中空纤维膜的外腔通常的中空纤维培养管中，细胞在中空纤维膜的外腔通常的中空纤维培养管中，细胞在中空纤维膜的外腔通常的中空纤维培养管中，细胞在中空纤维膜的外腔接种，培养基从膜管内流过，以循环操作模式供给营接种，培养基从膜管内流过，以循环操作模式供给营接种，培养
46、基从膜管内流过，以循环操作模式供给营接种，培养基从膜管内流过，以循环操作模式供给营养，排出废物。这种反应器用于发酵法生产利福霉素：养，排出废物。这种反应器用于发酵法生产利福霉素：养，排出废物。这种反应器用于发酵法生产利福霉素：养，排出废物。这种反应器用于发酵法生产利福霉素：连续发酵连续发酵连续发酵连续发酵5050天，产率是间歇发酵的天，产率是间歇发酵的天，产率是间歇发酵的天，产率是间歇发酵的10102020倍。用于培倍。用于培倍。用于培倍。用于培养紫草属细胞：干生物量达养紫草属细胞：干生物量达养紫草属细胞：干生物量达养紫草属细胞：干生物量达325g/l325g/l，酚类体积产率和比，酚类体积产
47、率和比，酚类体积产率和比，酚类体积产率和比产率是曲颈瓶培养的产率是曲颈瓶培养的产率是曲颈瓶培养的产率是曲颈瓶培养的5858和和和和2 2倍。倍。倍。倍。四、膜反应器的应用四、膜反应器的应用5 5、膜循环发酵器、膜循环发酵器、膜循环发酵器、膜循环发酵器bb这是一种有实用价值的膜反应器这是一种有实用价值的膜反应器这是一种有实用价值的膜反应器这是一种有实用价值的膜反应器系统，发酵罐与膜分离器耦合组系统，发酵罐与膜分离器耦合组系统，发酵罐与膜分离器耦合组系统，发酵罐与膜分离器耦合组成反应中分离的膜生物反应器。成反应中分离的膜生物反应器。成反应中分离的膜生物反应器。成反应中分离的膜生物反应器。细胞生长过
48、程中抑制产物的分离细胞生长过程中抑制产物的分离细胞生长过程中抑制产物的分离细胞生长过程中抑制产物的分离可促进细胞高密生长，同时增加可促进细胞高密生长，同时增加可促进细胞高密生长，同时增加可促进细胞高密生长，同时增加了代谢产物的分泌，提高了反应了代谢产物的分泌，提高了反应了代谢产物的分泌，提高了反应了代谢产物的分泌，提高了反应器的体积产率，并便于实现发酵器的体积产率，并便于实现发酵器的体积产率，并便于实现发酵器的体积产率，并便于实现发酵过程的连续化。是发酵过程当前过程的连续化。是发酵过程当前过程的连续化。是发酵过程当前过程的连续化。是发酵过程当前发展的新方向。发展的新方向。发展的新方向。发展的新
49、方向。bb在这个系统中，膜分离器中的膜在这个系统中，膜分离器中的膜在这个系统中，膜分离器中的膜在这个系统中，膜分离器中的膜可以是超滤膜、渗析膜、渗透汽可以是超滤膜、渗析膜、渗透汽可以是超滤膜、渗析膜、渗透汽可以是超滤膜、渗析膜、渗透汽化膜等。化膜等。化膜等。化膜等。bb与间歇发酵相比，体积产率可提与间歇发酵相比，体积产率可提与间歇发酵相比，体积产率可提与间歇发酵相比，体积产率可提高几倍甚至几十倍。高几倍甚至几十倍。高几倍甚至几十倍。高几倍甚至几十倍。发发酵酵罐罐膜膜分分离离器器膜循环发酵器膜循环发酵器示意图示意图四、膜反应器的应用四、膜反应器的应用6 6、用于生物催化过程的膜生物、用于生物催化
50、过程的膜生物、用于生物催化过程的膜生物、用于生物催化过程的膜生物反应器反应器反应器反应器bb强制流动的膜生物反应器：主要强制流动的膜生物反应器：主要强制流动的膜生物反应器：主要强制流动的膜生物反应器：主要特征为用压力来控制反应速率。特征为用压力来控制反应速率。特征为用压力来控制反应速率。特征为用压力来控制反应速率。用酶作催化剂，酶在膜管内表面用酶作催化剂，酶在膜管内表面用酶作催化剂，酶在膜管内表面用酶作催化剂，酶在膜管内表面形成凝胶层，反应物从膜管内流形成凝胶层，反应物从膜管内流形成凝胶层，反应物从膜管内流形成凝胶层，反应物从膜管内流过，产物透过膜从渗透腔流。在过，产物透过膜从渗透腔流。在过，
51、产物透过膜从渗透腔流。在过，产物透过膜从渗透腔流。在陶瓷超滤膜反应器中用于蔗糖转陶瓷超滤膜反应器中用于蔗糖转陶瓷超滤膜反应器中用于蔗糖转陶瓷超滤膜反应器中用于蔗糖转化，在化，在化，在化，在5 5秒的停留时间下，转化秒的停留时间下，转化秒的停留时间下，转化秒的停留时间下，转化率可接近率可接近率可接近率可接近100100，体积产率是固，体积产率是固，体积产率是固，体积产率是固定化酶的定化酶的定化酶的定化酶的1010倍。倍。倍。倍。bb多相膜反应器和萃取膜反应器：多相膜反应器和萃取膜反应器：多相膜反应器和萃取膜反应器：多相膜反应器和萃取膜反应器：主要用于外消旋混合物的拆分制主要用于外消旋混合物的拆分
52、制主要用于外消旋混合物的拆分制主要用于外消旋混合物的拆分制取光学有机物以及反应物和产物取光学有机物以及反应物和产物取光学有机物以及反应物和产物取光学有机物以及反应物和产物分别溶解于互不溶地水相和有机分别溶解于互不溶地水相和有机分别溶解于互不溶地水相和有机分别溶解于互不溶地水相和有机相的体系中，如酯的水解。反应相的体系中，如酯的水解。反应相的体系中，如酯的水解。反应相的体系中，如酯的水解。反应器最简单的形式是一种亲水性的器最简单的形式是一种亲水性的器最简单的形式是一种亲水性的器最简单的形式是一种亲水性的酶膜将反应器分割成良部分，酶酶膜将反应器分割成良部分，酶酶膜将反应器分割成良部分，酶酶膜将反应
53、器分割成良部分，酶膜的一边流过溶于有机物的反应膜的一边流过溶于有机物的反应膜的一边流过溶于有机物的反应膜的一边流过溶于有机物的反应物，另一边流过水相载体流，反物，另一边流过水相载体流，反物，另一边流过水相载体流，反物，另一边流过水相载体流，反应物流一边压力略高于载体流，应物流一边压力略高于载体流，应物流一边压力略高于载体流，应物流一边压力略高于载体流，使流体与亲水酶膜紧密接触，提使流体与亲水酶膜紧密接触，提使流体与亲水酶膜紧密接触，提使流体与亲水酶膜紧密接触，提高相分配反应物进入酶膜，反应高相分配反应物进入酶膜，反应高相分配反应物进入酶膜，反应高相分配反应物进入酶膜，反应后水溶性的产物扩散离开
54、酶膜由后水溶性的产物扩散离开酶膜由后水溶性的产物扩散离开酶膜由后水溶性的产物扩散离开酶膜由载体流带走。由于膜表面专利形载体流带走。由于膜表面专利形载体流带走。由于膜表面专利形载体流带走。由于膜表面专利形成的阻力，使有机相流体不能进成的阻力，使有机相流体不能进成的阻力，使有机相流体不能进成的阻力，使有机相流体不能进入酶膜。入酶膜。入酶膜。入酶膜。四、膜反应器的应用四、膜反应器的应用bb酶膜有三种功能：两相接触器、两相的分离器、生物反应器。酶膜有三种功能：两相接触器、两相的分离器、生物反应器。酶膜有三种功能：两相接触器、两相的分离器、生物反应器。酶膜有三种功能：两相接触器、两相的分离器、生物反应器。有机相水相酶膜酶膜D-酯酯吹扫介质流吹扫介质流L.D.酯混合物酯混合物浓缩的浓缩的L酸产品酸产品多相膜反应器示意图多相膜反应器示意图四、膜反应器的应用四、膜反应器的应用谢谢 谢谢 ！
