第五章 间歇式操作反应器

化学与生命科学学院生化工程电子教案上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19生化反应器设计概论间歇式操作反应器的设计（BSTR）第5章间歇式操作反应器氧的传递特性机械搅拌反应器的结构与计算反应过程的流体力学反应过程的传热特性上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论1、生化反应器？——利用生物催化剂进行生化反应的设备。回顾一下：生化反应器中可进行的反应类型？再想想：反应器可采取的操作方式？2、研究反应器的目的？◆研究生化反应器的基本反应规律◆研究生化反应器的基本传递规律◆研究生化反应器的设计内容及方法上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论5.1.1生化反应器的分类（生化反应器可从不同角度分类）1、按催化剂类型分类■酶反应器■细胞生化反应器上述两类反应有什么区别？◆酶反应器相对比较简单，酶促反应与一般的化学催化反应相同，在反应的过程中酶本身无变化；◆细胞生化反应器相对比较复杂，因涉及到避免外界各种杂菌污染、有适应细胞生长繁殖以及维持其活性的要求。上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论5.1.1生化反应器的分类（生化反应器可从不同角度分类）2、按操作方式分类■间歇反应器(分批操作反应器)：底物一次加入反应器，在反应过程中无底物和产物的输入和输出，底物和产物的浓度随反应时间变化。■连续反应器：底物等连续输入反应器产物连续从反应器输出，反应器的任何部位的各组分均不随反应时间变化（稳定态）。■半间歇反应器：半连续反应器在一次反应的过程中，底物分次补入的操作。上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论5.1.1生化反应器的分类（生化反应器可从不同角度分类）2、按反应器结构分类有釜式、管式、塔式、膜式等反应器3、按反应体系的相态分类均相反应器、非均相反应器4、根据催化剂在反应器的分布方式分类生物团块(包括细胞、絮状物、菌丝体)反应器；生物膜反应器上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论BatchoperationContinuous返混——将不同停留时间的物料之间的混合重要概念：Packedbed全混流——完全返混理想流动模型（全混、活塞流）与非理想流动模型——活塞流——（完全无返混）在反应器内反应液象活塞样流动。活塞流反应器内的物料停留时间一致。上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论间歇全混型反应器（batchstirred-tankreactor，BSTR）连续全混型反应器（continuousstirred-tankreactor，CSTR）活塞流反应器（plugflowreactor，PFR）5.1.1生化反应器的分类5、按流动方式分类全混型反应器活塞流反应器间歇全混型反应器连续全混型反应器这是两类典型的理想反应器上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论BatchoperationContinuousMulti-cascadereactorFluidflowbedStirvessel—super-filterintegrationsetMulti-cascadesemi-operationLoopflowreactorCoilmembranereactorPackedbedCycleimmobilizedbedPipingimmobilizedbed常见反应器类型上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19反应器计算的基本内容选择合适的反应器型式根据生物催化剂和生物反应动力学特性，如反应过程的浓度效应、温度效应及反应的热效应，结合反应器的流动特征和传递特性，如反应器的返混程度，选择合适的反应器，以满足反应过程的需要，使反应结果最优。第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论5.1.2生化反应器的基本设计方程上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19确定最佳操作条件与控制方式操作条件，如反应器的进口物料配比、流量、温度、压力和最终转化率等工艺条件，直接影响反应器的反应结果，也影响反应器的生产能力。对正在运行的装置，因原料组成的改变，工艺参数调整是常有的事。现代化大型化工厂工艺参数的调整，是通过计算机集散控制完成的。计算机收到参数变化的信息，并根据已输入的数学模型和程序，计算出结果，送给相应的执行机构，完成参数的调整。第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论5.1.2生化反应器的基本设计方程反应器计算的基本内容上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19•计算完成生产任务所需的反应器体积•反应器体积的确定是反应器计算的核心内容。根据所确定的操作条件，针对所选定的反应器型式，计算完成规定生产能力所需的反应器有效体积，同时由此确定反应器的结构和尺寸。第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论5.1.2生化反应器的基本设计方程反应器计算的基本内容上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19反应器计算的基本方程包括：描述浓度变化的物料衡算式；描述温度变化的能量衡算式；描述压力变化的动量衡算式；描述反应速率变化的动力学方程式。第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论5.1.2生化反应器的基本设计方程上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论5.1.2生化反应器的基本设计方程++=Inputcomponents/unitvolumeconvertedcomponents/unitvolumeOutputcomponents/unitvolumeAccumulationofcomponents/unitvolume1、Massbalance（Accumulatnis0understeadystate)CalculationofMassbalanceforsubstratesandproducts+++=Growncells/unitvolumeAccumulatedcells/unitvolumeDiedcells/unitvolumeOutputcells/unitvolumeInputcells/unitvolumeCalculationofMassbalanceforcells上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论++=2、Energybalance(Heatbalance)Inadefinitetime:Inputheat/unittimeOutputheat/unittimeReactionheat/unittimeAccumulatedheat/unittime3、MomentumbalanceItisusuallynegligibleforbioreactorsbecauseofoperationconductedunderconstantpressure.5.1.2生化反应器的基本设计方程Inconclusion,eachbalanceinthesamemodelasfollows:Input=output+consumption+accumulation上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论底物量消耗的体系内底物量生成的体系内物质量系的底离开体物质量系的底进入体底物质量体系内累积耗组分量体系内消组分量离开体系的组分量进入体系积组分量体系内累1、物料衡算式5.1.2生化反应器的基本设计方程对底物，有上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章间歇式操作反应器5.1生化反应器设计概论成产物质量体系内生产物质量离开体系产物质量进入体系积产物质量体系内累长细胞质量体系内生细胞质量离开体系细胞质量进入体系积细胞质量体系内累对产物，有对细胞，有5.1.2生化反应器的基本设计方程上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章生化反应器设计与分析5.1生化反应器设计概论2、能量衡算式累的热量体系内积单位时间热内的反应单位时间的热量输出体系单位时间的热量输入体系单位时间上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章5.2间歇式操作反应器设计（BSTR）一、BSTR的反应时间（操作时间=反应时间tr+辅助时间tb）BSTR特征：在反应的过程中，无物料的输入和输出；物料的各组分的浓度在反应体系内是均一的；物料的各组分的浓度仅随反应时间变化。BSTR的底物的物料衡算式为:内积累的速率底物在反应消耗速率的底物在BSTRBSTRdtdNrVSSRdtdCdtdNVrSSRS1或Batchoperation式中NS——底物的质量，g或molVR——BSTR的有效体积，VR=常数上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章5.2间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）SSCCSSrrdCt00001SSSSSSCCCCCX一、BSTR的反应时间对上式积分，B.C.t=0，CS=CS0，t=tr，CS=CS，反应时间为:令底物转化率:有:SXSSSrrdXCt00上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章5.2间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）一、BSTR的反应时间（1）BSTR的均相酶促反应的反应时间SXSSSrrdXCt00计算BSTR反应时间的通式若酶促反应符合M-M反应，SXSSmSCCSmSSCCSSRdXXCKrCCKCrdCVdCtSSSSS00max0max1100)1(0SSSXCC上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章5.2间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）SmSSRXKXCrt11ln0maxSSmSSRCCKCCrt00maxln一、BSTR的反应时间积分得：或SSmSmRCCKXKrt0maxln11lnSSSSRCCXCrt00max当CsoKm时，当CsoKm时，（1）BSTR的均相酶促反应的反应时间上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章5.2间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）11010010000.1110100CS0/KmtRXS=0.98XS=0.60XS=0.10一、BSTR的反应时间（1）BSTR的均相酶促反应的反应时间不同转化率下间歇反应时间与Cs0/Km的关系上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19•P123•例5-1第5章5.2间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）一、BSTR的反应时间上一内容下一内容回主目录返回2020/1/19第5章5.2间歇操作搅拌槽式反应器（BSTR）L内积累的速率底物在反应消耗速率的底物在