CN105441323B - 基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器 - Google Patents

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Abstract

一种基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器，有设置在底座上的柱状反应腔体，盖在其上端口的盖板，底座上成有进气孔，柱状反应腔体的顶部有吸收液进口，底部设置有反应产物出口，内部由下至上设置有强氧化吸附膜和多孔板，沿柱状反应腔体内的中心轴线上设置有有机玻璃棒，有机玻璃棒的上端连接盖板，下端连接多孔板，柱状反应腔体内位于多孔板的上方设置有两级以上的固定化酶载体结构，柱状反应腔体内分别设置有压力传感器、pH电极、气体采样吸气管和气体采样回气管，盖板上分别形成有对应压力传感器、pH电极、气体采样吸气管和气体采样回气管的压力信号输出孔、pH电极输出孔、吸气孔和回气孔。本发明显著提CO2吸收的反应速率，减少能耗。

Description

基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器
技术领域
本发明涉及一种用于燃烧后烟气中CO2捕集的装置。特别是涉及一种利用固定化碳酸酐酶加快烟气中CO2吸收的基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器。
背景技术
CO2的捕集和封存技术可有效解决碳排放和温室效应问题，燃烧后烟气中CO2的捕集主要是通过物理和化学吸收法，但存在成本过高和能耗大等问题。碳酸酐酶能够将CO2快速催化转换成为HCO3 -,反应速率可由6.2×10-3s-1提高到106s-1，是至今发现的最有效的CO2水合酶催化剂。将烟气中的CO2利用CA酶催化吸收分离出来，可有效促进CO2的吸收，加快CO2的捕集速率，是具有前景的CO2捕集应用技术。酶在高温、强酸碱和有机溶剂等条件下易失活，限制了其被广泛应用。固定化技术不仅可使酶易于分离，也利于酶稳定性的提高，且固定化酶具有一定形状和机械强度，可装填于反应器中，便于连续生产。利用固定化碳酸酐酶在反应器捕集燃烧后的CO2主要存在的问题是：由于烟气中含有粉尘颗粒和SO2等污染物，降低固定化酶的活力，且阻碍CO2在吸收液中的传质吸收；吸收液吸收烟气中CO2的反应速率低且能耗高；气液两相流动中，CO2在反应器的流程短，不能充分与固定化酶接触，催化反应效率低；为提高反应速率，反应器内布置磁力搅拌器，但增加了能耗且***复杂；不能在线收集有效的反应参数，反应过程控制不易控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够解决燃烧后CO2捕集存在的CO2吸收速率低和能耗高等问题的基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器。
本发明所采用的技术方案是：一种基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器，包括有底座、设置在底座上的透明的柱状反应腔体和盖在柱状反应腔体上端口的盖板，所述底座上贯通的形成有用于向柱状反应腔体输入外部气体的进气孔，所述柱状反应腔体的顶部侧壁上设置有吸收液进口，底部侧壁上设置有反应产物出口，所述柱状反应腔体内的底部由下至上依次设置有用于对从进气孔进入的外部气体过滤的强氧化吸附膜和多孔板，沿柱状反应腔体内的中心轴线上设置有有机玻璃棒，所述有机玻璃棒的上端连接盖板，下端连接多孔板，所述柱状反应腔体内位于多孔板的上方通过有机玻璃棒设置有两级以上用于对进入柱状反应腔体内的烟气进行催化反应的固定化酶载体结构，所述柱状反应腔体内分别设置有压力传感器、pH电极、气体采样吸气管和气体采样回气管，所述盖板上分别形成有用于贯穿压力传感器输出导线的压力信号输出孔，用于贯穿所述的pH电极输出导线的pH电极输出孔，与所述的气体采样吸气管相连通的吸气孔，以及与所述气体采样回气管相连通的回气孔。
所述的柱状反应腔体的外侧壁上设置有用于读取内部液位的刻度。
所述的柱状反应腔体的外侧还套有用于通过循环水控制柱状反应腔体内部温度的水浴套筒，所述水浴套筒的上端侧壁上设置有出水口，下端侧壁上设置有进水口。
所述的柱状反应腔体内的底部设置有2层以上的强氧化吸附膜。
所述的固定化酶载体结构包括有多孔陶瓷体，所述多孔陶瓷体的孔内载有固定化酶，在所述多孔陶瓷体的上端面和下端面上分别设置有用于防止多孔陶瓷体孔内的固定化酶流失的上滤网和下滤网。
所述的固定化酶载体结构套在有机玻璃棒上，并通过设置在上滤网上端面上且套在所述的有机玻璃棒上的上树脂环，以及设置在下滤网下端面上且套在所述的有机玻璃棒上的下树脂环固定在所述机玻璃棒上。
所述的强氧化吸附膜和多孔板是通过套在所述有机玻璃棒上的树脂环进行固定。
所述的进气孔在所述的底座设置有2个，所述进气孔在位于柱状反应腔体的一端形成渐扩的喇叭形结构。
所述的压力信号输出孔、pH电极输出孔、吸气孔和回气孔在盖板上为分开设置，其中，所述的压力信号输出孔、吸气孔和回气孔在盖板上对应临近柱状反应腔体的内侧壁处设置，所述pH电极输出孔在盖板上对应临近柱状反应腔体的中轴线处设置。
本发明的基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器，用于燃烧后CO2的捕集，底部布置强氧化吸附膜和多孔板，有效去除烟气中的粉尘颗粒和SO2等污染物，增强气液扰动，促进CO2传质吸收，基于多孔陶瓷的固定化酶在反应段梯级布置，显著提CO2吸收的反应速率，减少能耗，延长固定化酶与烟气中CO2的接触面积和接触时间，提高酶促反应效率，有利于产物分离，可在线收集有效反应参数，反应过程容易控制。
附图说明
图1是本发明基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器的整体结构示意图；
图2是图1中固定化酶载体结构部分的放大示意图；
图3是图1的仰视图；
图4是图1的俯视图。
图中：
1：底座 2：水浴套筒
3：柱状反应腔体 4：盖板
5：进气孔 6：强氧化吸附膜
7：多孔板 8：固定化酶载体结构
81：多孔陶瓷体 82：上滤网
83：下滤网 9：树脂环
10a：上树脂环 10b：下树脂环
11：有机玻璃棒 12：进水口
13：出水口 14：反应产物出口
15：吸收液进口 16：刻度
17：压力传感器 18：pH电极
19：气体采样吸气管 20：气体采样回气管
21a：压力信号输出孔 21b：pH电极输出孔
21c：吸气孔 21d：回气孔
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器做出详细说明。
如图1所示，本发明的基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器，包括有底座1、设置在底座1上的柱状反应腔体3和盖在柱状反应腔体3上端口的盖板4，所述柱状反应腔体3是由透明有机玻璃制成。所述底座1上贯通的形成有用于向柱状反应腔体3输入外部气体的进气孔5，所述柱状反应腔体3的顶部侧壁上设置有吸收液进口15，底部侧壁上设置有反应产物出口14，所述柱状反应腔体3内的底部由下至上依次设置有用于对从进气孔5进入的外部气体过滤的强氧化吸附膜6和多孔板7，所述的柱状反应腔体3内的底部设置有2层以上的强氧化吸附膜6，沿柱状反应腔体3内的中心轴线上设置有有机玻璃棒11，所述有机玻璃棒11的上端连接盖板4，下端连接多孔板7，如图1所示，所述的强氧化吸附膜6和多孔板7是通套在所述有机玻璃棒11上的树脂环9进行固定。
所述的强氧化吸附膜6是高效能的复合强氧化改性陶瓷材料，表面布满了蜂窝状的磁极孔径，可迅速吸附烟气中的粉尘颗粒，破坏SO2等气体的分子结构，氧化成CO2和水。通过强氧化吸附膜6吸附膜净化后的烟气再通过多孔板7破碎成更多的气泡，增强气液扰动。
所述柱状反应腔体3内位于多孔板7的上方通过有机玻璃棒11设置有两级以上用于对进入柱状反应腔体3内的烟气进行催化反应的固定化酶载体结构8，所述柱状反应腔体3内分别设置有压力传感器17、pH电极18、气体采样吸气管19和气体采样回气管20，所述盖板4上分别形成有用于贯穿压力传感器17输出导线的压力信号输出孔21a，用于贯穿所述的pH电极18输出导线的pH电极输出孔21b，与所述的气体采样吸气管19相连通的吸气孔21c，以及与所述气体采样回气管20相连通的回气孔21d。其中，所述压力传感器17和pH电极18分别与外部数据采集***连接，所述气体采样吸气管19和气体采样回气管20分别与外部红外CO2分析仪连接，组成CO2气体监测***。
所述的柱状反应腔体3由透明有机玻璃制成，可清楚观察到反应器内部，并且所述的柱状反应腔体3的外侧壁上设置有用于读取内部液位的刻度16。
所述的柱状反应腔体3的外侧还套有用于通过循环水控制柱状反应腔体3内部温度的水浴套筒2，所述水浴套筒2的上端侧壁上设置有出水口13，下端侧壁上设置有进水口12。所述进水口12和出水口13分别连接外部循环水浴***，通过循环水控制反应器内的温度。
如图2所示，所述的固定化酶载体结构8包括有多孔陶瓷体81，所述多孔陶瓷体81的孔内载有固定化酶，在所述多孔陶瓷体81的上端面和下端面上分别设置有用于防止多孔陶瓷体81孔内的固定化酶流失的上滤网82和下滤网83，通过布置在多孔陶瓷体81内固定化酶颗粒的数量改变载酶量大小，基于多孔陶瓷体81的固定化酶沿轴线由下到上，载酶量由大变小，在反应段梯级布置。
所述的固定化酶由改性的海藻酸钠通过化学和交联法固定，制备的固定化碳酸酐酶是具有一定机械强度的凝胶颗粒，粒径为2mm。
所述的固定化酶载体结构8套在有机玻璃棒11上，并通过设置在上滤网82上端面上且套在所述的有机玻璃棒11上的上树脂环10a，以及设置在下滤网83下端面上且套在所述的有机玻璃棒11上的下树脂环10b固定在所述机玻璃棒11上。即达到了通过物理力固定固定化酶载体结构8的目的。
如图3所示，所述的进气孔5在所述的底座1设置有2个，所述进气孔5在位于柱状反应腔体3的一端形成渐扩的喇叭形结构，烟气由进气孔5通入反应器。
如图4所示，所述的压力信号输出孔21a、pH电极输出孔21b、吸气孔21c和回气孔21d在盖板4上为分开设置，其中，所述的压力信号输出孔21a、吸气孔21c和回气孔21d在盖板4上对应临近柱状反应腔体3的内侧壁处设置，所述pH电极输出孔21b在盖板4上对应临近柱状反应腔体3的中轴线处设置。
通过柱状反应腔体3外侧的刻度16可读取反应前吸收液的液面高度H0和反应后液面的高度H，反应体系中混合气体气泡的体积可用含气率β表示，如下式：
β＝(H-H0)/H0×100％
在本发明的实施例中，强氧化吸附膜6的直径为50mm,单层强氧化吸附膜6的厚度为5mm,柱状反应腔体3底部布置两层吸附膜；多孔板7直径50mm，厚度为8mm,均匀分布300个小孔，小孔1.5mm×1.5mm；多孔陶瓷体81的直径为50mm,高15mm,表面排列64个柱状小孔，小孔内径为4mm。
如图3所示，底座布置有两个进气孔5，对称分布，进气孔为渐扩方式，连接外部进气***的小孔内径为3mm，通入柱状反应器腔体的孔内经为5mm。
如图4所示，盖板上的四个孔分开布置，有利于反应参数的准确测量。连接pH电极的小孔21b靠近中轴线，内径为10mm，连接压力传感器的小孔21a内径为5mm，连接红外CO2分析***的小孔21c和21d靠近反应器内壁，小孔内径为2mm。
柱状反应腔体3整体采用有机玻璃制成，水浴套管内径90mm，长度420mm，柱状反应腔体内径50mm，长度520mm，有效容积1.02L；盖板厚度20mm，底座4厚度50mm，有机玻璃棒11的直径和树酯环的内径为4mm。
使用本发明的本发明的基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器进行捕集模拟烟气的实验，研究表明，催化吸收CO2效果显著，10％的反应时间完成了80.2％的催化反应，反应开始30s内催化吸收CO2的量是空白试验的4.2×103倍，固定化酶在反应器内连续实验操作6次，仍能保持50.4％的相对酶活力。

Claims (7)

1.一种基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器，包括有底座(1)、设置在底座(1)上的透明的柱状反应腔体(3)和盖在柱状反应腔体(3)上端口的盖板(4)，其特征在于，所述底座(1)上贯通的形成有用于向柱状反应腔体(3)输入外部气体的进气孔(5)，所述柱状反应腔体(3)的顶部侧壁上设置有吸收液进口(15)，底部侧壁上设置有反应产物出口(14)，所述柱状反应腔体(3)内的底部由下至上依次设置有用于对从进气孔(5)进入的外部气体过滤的强氧化吸附膜(6)和多孔板(7)，所述多孔板7直径50mm，均匀分布300个孔，沿柱状反应腔体(3)内的中心轴线上设置有有机玻璃棒(11)，所述有机玻璃棒(11)的上端连接盖板(4)，下端连接多孔板(7)，所述柱状反应腔体(3)内位于多孔板(7)的上方通过有机玻璃棒(11)设置有两级以上用于对进入柱状反应腔体(3)内的烟气进行催化反应的固定化酶载体结构(8)，所述柱状反应腔体(3)内分别设置有压力传感器(17)、pH电极(18)、气体采样吸气管(19)和气体采样回气管(20)，所述盖板(4)上分别形成有用于贯穿压力传感器(17)输出导线的压力信号输出孔(21a)，用于贯穿所述的pH电极(18)输出导线的pH电极输出孔(21b)，与所述的气体采样吸气管(19)相连通的吸气孔(21c)，以及与所述气体采样回气管(20)相连通的回气孔(21d)；
所述的固定化酶载体结构(8)包括有多孔陶瓷体(81)，所述多孔陶瓷体(81)的孔内载有固定化酶，所述的固定化酶粒径为2mm，在所述多孔陶瓷体(81)的上端面和下端面上分别设置有用于防止多孔陶瓷体(81)孔内的固定化酶流失的上滤网(82)和下滤网(83)，所述多孔陶瓷体(81)的直径为50mm，高15mm，表面排列64个柱状孔，孔内径为4mm，通过布置在多孔陶瓷体(81)内固定化酶颗粒的数量改变载酶量大小，基于多孔陶瓷体(81)的固定化酶沿轴线由下到上，载酶量由大变小，在反应段梯级布置；
所述的固定化酶载体结构(8)套在有机玻璃棒(11)上，并通过设置在上滤网(82)上端面上且套在所述的有机玻璃棒(11)上的上树脂环(10a)，以及设置在下滤网(83)下端面上且套在所述的有机玻璃棒(11)上的下树脂环(10b)固定在所述有机玻璃棒(11)上。
2.根据权利要求1所述的基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器，其特征在于，所述的柱状反应腔体(3)的外侧壁上设置有用于读取内部液位的刻度(16)。
3.根据权利要求1所述的基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器，其特征在于，所述的柱状反应腔体(3)的外侧还套有用于通过循环水控制柱状反应腔体(3)内部温度的水浴套筒(2)，所述水浴套筒(2)的上端侧壁上设置有出水口(13)，下端侧壁上设置有进水口(12)。
4.根据权利要求1所述的基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器，其特征在于，所述的柱状反应腔体(3)内的底部设置有2层以上的强氧化吸附膜(6)。
5.根据权利要求1所述的基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器，其特征在于，所述的强氧化吸附膜(6)和多孔板(7)是通过套在所述有机玻璃棒(11)上的树脂环(9)进行固定。
6.根据权利要求1所述的基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器，其特征在于，所述的进气孔(5)在所述的底座(1)设置有2个，所述进气孔(5)在位于柱状反应腔体(3)的一端形成渐扩的喇叭形结构。
7.根据权利要求1所述的基于多孔陶瓷梯级布置固定化酶的立式反应器，其特征在于，所述的压力信号输出孔(21a)、pH电极输出孔(21b)、吸气孔(21c)和回气孔(21d)在盖板(4)上为分开设置，其中，所述的压力信号输出孔(21a)、吸气孔(21c)和回气孔(21d)在盖板(4)上对应临近柱状反应腔体(3)的内侧壁处设置，所述pH电极输出孔(21b)在盖板(4)上对应临近柱状反应腔体(3)的中轴线处设置。
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