多管程离散型膜反应器.pdf

2011 年第 30 卷第 2 期 化 工 进 展 C H E M IC A L IN D U S T R Y A N D E N G IN E E R IN G PR 0 G R E S S 27 5 o 0 研究开发 p 3 多管程 离散型膜反应器 江云波 李小霞 张克铮 辽宁石油化工大学石 油化工学 院 辽宁 抚顺11300 1 摘要 由于单管程膜 反应器 不足 主要表 现在 X 业放 大应用较 困难 因此将多管程 离散 型膜反应 器在单管程膜 反应器基础上进行 了改进 结构上吸取了列管式换热器结构紧凑的优点 操作上借鉴了板式塔多级分离的特点 可以在同一设备内完成多次的反应和分 离 使反应和分 离更好地耦合 从而弥补了单管程膜反应器的不足 本 研 究以仲 丁醇脱 氢为反应体 系 150 225 温度范 围内进行试验 最终 混合物 中甲 乙酮摩 尔分数 高达 94 结 果表明反应器结构合理可行 关键 词 离散 膜反应 器 膜分 离 耦合 中图分类号 T Q 052 文献标志码 A 文章编号 1000 6613 20 11 02 0275 03 R e sea rc h o f d i sc rete a n d m u lti p a ss m em b ra n e rea c to r JIA N G Yun bo L I X i aoxi a Z H A N G K ezheng S c h oo l of P etroc hem i c al T ec hno log y L i aoni ng U ni versi ty of P etroc h em i c al Tec h nolog y F u sh un 11300 1 L i aoni ng C hi na A b stra c t Si n gle tube m em b rane reac tor has suc h di sadvantages as di ffi c ulty i n i n dustri a1 sc ale up and lo w effic i enc y of c oupli ng of reac ti on and separati on D i sc rete m u lti tub e m em b rane reac tor h as a c om p ac t struc ture w i th a 1ar ger h eat transm i ssi o n ar ea as i n tubular heat ex c h an ger and reali zes m u lti stage separati on as i n plate c o lum n In a test of sec butyl alc oh ol dehy dro genati o n sy stem at 1 50 225 m o le frac ti on o f m ethy1 eth Y1 k etone reac hed 94 K ey w o rds di sc rete m em b rane reac tor sep ar ati o n of m em bran e c oupli n g 膜 反应器 是膜分 离与催化 技术结合 而成的新 型反应器 许多研究结果表明 膜反应器在提高可 逆 反应 的转化率 选择性及 产率等方面均有 明显 的效果 是化学工程学科具有很好 发展前 景的领 域 张克铮 李发永等 1 21对无机膜反应器研 究进 展 以及无机膜技术需要深入研 究的几个主要课题 进行 了深入的探索 膜反应器 中 催化剂置于分 离膜 的表面或 内部 分离膜 同时具有分离和催化 的双 重 作用 又称 为膜 催 化 反应 器 或 膜 催 化 技术 其实质是反应工程 与膜分离过程 的结合 对于可 逆反应 A B C D 由于化学平衡的限制 反 应物 A B 的转化率只能达到一 定值 若从反应 混合物中有选择性地移去生产物 C D 则可使 反应转化率提高 J 由于有机高聚膜 的应用 受温 度限制 比较突 出 无机膜 的应用成为热点 研究 者成功研制开发 出离子导 电陶瓷膜 在 温度 比较 高的石油加氢 脱氢 氧化等反应 中得到成功应 用 Sun一 H w ang 4 对无机膜和膜反应器领域的 研究进行 了深入 的探 讨 膜反应器 以及膜反应技术受到 国内外学术界 的广大重视 Tri anto 等 5 6 对管式膜反应器结构进行 改进 设计出新型多孔质膜反应器 并研究了不 同 参数对反应器性能的影响 Zhang 等 研究 了一个 新的膜生物反应器和填料生物膜反应器相结合的短 程硝化反硝化系统 M oon 提出了膜反应器中渗 透速率和催 化剂用量 的最佳配置的模 型 黄江丽 等 制备了无机膜生物反应器 其系统运行稳定 收稿 日期 2010 06 04 修改稿 日期 2010 09 O7 基金项目 辽宁省教育厅科技项目 05L 232 第一作者 江云波 1983一 男 硕士研究生 联系人 张克铮 教授 硕士生导师 主要从事化工传递与膜分离方面的研究 E m ai l zkz 5 0 si n a c o rn 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 化 工 进 展 2011 年第 30 卷 管理简单 对悬浮固体 有机物和氨氮化合物的去 除率高 对有机物的抗冲击恢复能力强 冯绍杰等 采用混合导体膜的无机膜反应器技术为 PO M反 应提 供 了一个 高效 环保 的工艺路线 Enri c o D fi oli 等 1u研 究了膜催化反应器 的高效率和对环境的低 影 响 本文作者在单管程膜反应器基础上提出了多 管程离散型膜反应器 并对影响反应器性能的管程 数 温度 进料速率 3 个主要因素进行 了研究 l 试 验 1 1 四管程离散型膜反应器结构剖析图 图 1 为四管程离散型膜反应器结构剖析图 壳 体两端为中空圆柱体封头 内装催化剂 反应在 空心圆柱体封头内进行 中间圆筒状壳体 内安装 膜管 物料通过膜管时产物有选择性地被渗透分 离 经壳程出口移出 反应器的管程数可 以根据 需要而改变 1 2 试验方 法 反 应 体 系 仲 丁 醇 脱 氢 生 成 甲 乙 酮 C I I3C 142CIq C rt3 0 H C H 3C I I2C O C H 3 H 2 试 验 采用 自制无机复合膜作为分离膜H引 反应器壳层 内 膜管外 保持真空度 4 kP a 以促进氢气渗透分离 最终物料 t0 丁醇 甲乙酮 冷却收集 检测甲乙 酮摩尔分数 甲乙酮摩尔分数越大 表明反应器性 能越优越 每 程 1 根 11 ITIITI X2 rllln 自制无机 膜管 管长 150 nlli 1 微孔直径 50 100 nm 每个子反应 区填充 6 g C u C r催化剂 2结果与讨论 2 1管程数的影晌 图 2 为管程数对甲乙酮摩尔分数的影响 进料 速率 F 5 m L h 可以看出 甲乙酮摩尔分数随管 程数增加 而升 高 而且低温 下增率较 大 因为管程 数增加 反应和分离次数也增加 从而平衡右移 图2管程数对甲乙酮摩尔分数的影响 反应转化率提高 低温下反应速率较慢 大部分氢 气能及时被渗透分离出体系 从而 甲乙酮摩尔分数 增率较大 而高温下反应速率较快 氢气不能及时 被渗透分离出体系 膜面积有限 导致甲乙酮摩尔 分数增率较小 此外由图 2 可知 低温 低流量下甲乙酮摩尔 分数在 1 3 管程范围内增率较大 到第 4 管程时增 率明显减小 由于低温 低流量下生成氢气量小 3 个管程 已可以满足分离和反应的耦合 第 4 管程 已 不起多大作用 说明管程数和反应温度以及流率有 一 个匹配问题 就本试验而言 低温 低流率下三 管程 比较合适 2 2 温度的影响 图 3 为温度对 甲乙酮摩尔分数的影响 进料速 率 F 5 m L h 可以看出 甲乙酮摩尔分数随温度 升高而增加 由于是吸热反应 平衡随温度的升高 向正方 向移动 另一方面温度升高分子热运动加剧 氢气被较充分的渗透分离出体系 进一步促进反应 正向移动 甲乙酮摩尔分数增大 但温度达到 200 装 世 屠 图3温度对甲乙酮摩尔分数的影响 n 为管程数 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 2 期 江云波等 多管程离散型膜反应器 时曲线出现拐点 高于 200 时 反应开始有少量 副产 物生 成 甲乙酮 摩尔 分数 增率减 小 2 3 进 料速 率 的影响 图 4为 进 料 速 率 对 甲 乙 酮 摩 尔 分 数 的 影 响 T 200 由图可见 随着进料速率增加 甲 乙酮摩 尔分 数逐渐 降低 因为进 料速率 增加 物 料 与催化剂的接触时间缩短 导致反应时间下降 另 一 方面 流率的增大也使反应产物之一 的氢气在分 离区的停留时间过短 不能被充分渗透分离 结果 导致 甲乙酮摩尔分数减小 此外通过比较 4 条曲线 还能发现 低管程 曲线随着流率的增加下降得更快 一 些 而多管程曲线则略微平缓些 显然多管程条 件下反应和分离的次数较多 有利于反应和分离的 耦合 由此可以得出 在流率较大时应相应增加管 程数 以使反应和分离更好地耦合 世 匿 进 料速 率 mL h 1 图 4进 料速 率对 甲乙酮摩尔分数 的影响 z为管程数 T 200 3 结 论 1 多管程离散型膜反应器在结构上满足反应 和分离多次交替进行的离散化需求 便于工业放大 0 O O O O O 具有较高实用价值 2 管程数 温度 进料速率之间存在最佳匹 配 具体情况应通过试验来确定 参考文献 1 张克铮 新 型多孔质膜反应器的实验研究 JJ 膜科学与技术 20 o 5 2 5 3 26 29 2 李发 永 李 阳初 孔 瑛 等 无 机膜 及无机 膜反 应器 研究进 展 J 膜 科学与技术 2002 22 6 48 53 3 许培援 吴山东 戚俊清 等 无机膜及无机膜反应器的发展和 应用 JJ 过滤与分离 2006 16 2 22 25 4 H w an g Sun Tak Inorgani c m em bran es an d m em bran e reac tors J K o rea n C h em E ng 20 0 1 18 6 7 7 5 7 87 5 Trianto A W ang Li nqi ao K okugan 12 Isoproply alc oholdehydrogenati on on m odi fi ed porous m em bran e reac tor J Chem Eng Jap an 200 1 3 4 106 5 10 6 8 6 T ri anto A K okugan M ethod for i m provi ng the perform an c e of porous m em bran e reac tor J Chem E ng Japan 2001b 34 19 9 2 06 7 Zhan g Yunxia Zhou Ji ti Z hang Ji nsong et a1 A n i 加ovanve m em b ra ne b i o rea c to r an d p ac k ed b i o fi lm reac tor c om b i ne d sy stem for shortc ut ni tri fi c ati on deni tri fic ati on J Journal of Envi ronm ental S c i e nc es 2 00 9 2 1 5 6 8 5 74 8 M oon W on Seok Park S eung B i n Y ang S eung M an O pti m al de si gn c o n d iti on s for de hy dro g en ati o n of c y c lo h exa ne i n a m em b rane reac tor J K orean C hem Eng 1998 15 2 136 140 9 黄江丽 李中 宋伟 H LS 无机膜生物反应器的制备与应用 J 膜 科学与技术 2008 28 3 100 102 D 0 冯绍 杰 李栋 才 无机 膜 反应 器 中 甲烷 部分 氧化 制合 成气 的研 究 进展 JJ 安徽建筑工业学院学报 2005 13 6 88 92 11 D ri oli E nri c o Fontananova E nri c a B onc hi o Marc ena et a1 C atalyti c m e m b ran e s and m e m brane re ac to rs A n i n teg rated app roac h to c ataly ti c p ro c e ss w i th a h i g h effi c i en c y an d a lo w en v i ro nm en ta l i m pac t J C hi nese Journal of Catalysi s 200 8 29 11 1152 1158 12 张克铮 离散型膜反应工艺及所采用