外环流气升式陶瓷膜反应器的基础研究

气升式环流反应器在化学反应、生物发酵等领域应用前景广阔，反应过程与分离过程的耦合可以实现过程的连续化。本项目提出将陶瓷膜与外环流反应器耦合构成外环流气升式陶瓷膜反应器，实现反应与分离的一体化。主要研究内容：以环己酮氨肟化反应为模型体系，以氨气为环流的动力源并参与反应，通过陶瓷膜微孔实现产物和催化剂的连续分离；采用计算流体力学（CFD）模拟反应器中三相流的状态，研究陶瓷膜结构对三相流传质系数的影响；通过陶瓷膜微孔二次曝气，加强气液传质，获得传质动力学以及反应动力学方程；利用气液两相流在膜面上的不稳定流动，控制膜污染，构建膜传质过滤模型。通过以上研究，探讨外环流气升式陶瓷膜反应器用于化学反应过程的可行性，同时也推进其在生物发酵过程中的应用。

本项目将陶瓷膜与外环流反应器耦合构建了气升式陶瓷膜反应器。采用计算流体力学（CFD）模拟计算了反应器中气液两相流的状态，研究了反应器结构、操作条件对气液两相流传质系数的影响；通过陶瓷膜微孔二次曝气，加强气液传质，建立了传质动力学方程。选取颗粒悬浮液体系、葡聚糖体系、蛋白质体系以及活性污泥体系等为研究对象，将气升引入膜过滤过程，利用气液两相流在膜面上的不稳定流动，有效控制了膜污染，推进了陶瓷膜的工业应用。以环己酮氨肟化反应为模型反应，考察了不同气体为环流的动力源及氨气补入方式对反应和分离过程的影响，优化了反应条件和膜分离条件，并进行了100小时稳定性考察，分析了膜污染形成机理和催化剂失活机理，对气液固三相反应过程的发展具有重要意义。项目执行期间，项目负责人入选中组部万人计划中青年科技领军人才等，获国家科技进步二等奖（排名1），何梁何利基金科学与技术创新奖等；发表期刊论文14篇（SCI、EI收录8篇），申请中国发明专利5项（其中授权专利1项）。开展了广泛的学术交流合作，培养博、硕士研究生8名。