膜反应与膜反应器

1、膜反应与膜反应器陈冬冬 61、膜及无机膜简介膜是能起分隔和透过双重作用的一道障碍物。膜的最大特点是它 的渗透选择性，能够选择性地透过混合物中的一些组分，或者至少 是改变流体的组成。渗透的驱动力可以是压力，浓度或电势差。自从 六十年代膜分离技术工业化以来，膜在海水淡化，食品加工，气体 分离，采矿,电镀，纸浆工业废水处理，碳氢化合物分离及生化等重 要过程中一直担当主角。膜分离技术与其它工艺相比，拥有许多优 点。它一般不涉及相变，节省能量，具有高分离性能等。随着膜技术 的不断开拓与发展，人们发现在许多科学技术领域，膜的应用都有 很大的潜在市场。有机膜的热稳定性，化学稳定性和刚性的不足限制了它在苛刻

2、条件下的应用。目前，无机膜在膜领域的市场份额正在逐年增加，有 很多前沿性的问题等待着人们去研究，很多高新技术等待着人们去 开发推广，这是一个有着广阔发展前景的领域。无机膜的研究和应用始于20世纪40年代，其发展可分为3个阶 段：20世纪40年代至70年代，主要是用于核原料铀同位素的分离， 在核工业上的应用阶段；20世纪80年代至90年代，主要用于水质 处理、乳制品、饮料等工业的液体分离应用阶段，特别是80年代中 期溶胶一凝胶技术的出现，将无机膜的研究与应用推向一个新的高 潮；20世纪90年代以后，无机膜的研究与应用进入了第三个阶段，即以气体分离应用为主和陶瓷膜分离器一反应器组合 构件的研究 阶

3、段，是以膜催化反应为核心的全面发展时期。2、无机膜反应器无机膜除了可以如前所述用于纯粹的分离以外，还可以与催化 反应结合起来，组成催化无机膜反应器。这是一个新的研究领域，已 经引起很多研究者的兴趣。膜反应器是反应一分离一体化的新型反应 器，由于它具有比常规反应器高得多的生产效率，所以自它出现以来 就受到技术界高度重视，并被认为是常规反应器最有希望的换代技 术。膜反应器是膜分离与催化技术结合而成的新型反应器。它特别适 合于平衡转化率低的可逆反应，当生成物的一部分或者全部通过分离 膜除去后,有利于平衡向生成物的方向移动，从而提高反应的转化率。 在反应器中，反应物在膜两侧流动并通过膜进行反应，若将催

4、化剂 置于分离膜的表面或内部，则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。膜反应器也为在一个反应器中同时进行两个反应过程提供了可 能性。例如用对氢有选择透过性的膜把反应器分成脱氢室和加氢室两 个部分，于是脱氢的反应产物氢透过膜进人加氢室成为加氢反应的原 料由于氢从脱氢反应区的哆出，使平衡移动，促使脱氢反应转化率提 高,而透过膜进人加氢室的氢又是高活性的，从而使加氢反应更有利 地进行。2.1无机膜反应器的类型根据膜是否具有催化性能和催化剂的装填方式，可分为以下几种，图1是几种典型膜反应器的结构示意图。IMPBR 型PBCMR 型CMR型CNMR 型支撑体催化剂颗粒N有

5、选择性无活性膜有选择性有活性膜无选择性IMPBR 型PBCMR 型CMR型CNMR 型支撑体催化剂颗粒N有选择性无活性膜有选择性有活性膜无选择性有活性膜图1几种类型的膜反应器示意图无机催化膜是由一薄层的中孔或微孔无机膜材料负载在大孔无 机材料基质膜上所组成。薄的膜或同时兼有催化活性和选择渗透性， 或是无选择渗透性的扩散载体。IMPBR(Inert Membrane Packed Bed Reactor膜无催化活性而 有选择渗透性，催化剂填充在反应器中，反应在催化剂一侧进行。CMR(Catalytic Membrane ReactoH)不仅具有催化活性，而且 具有选择渗透性，反应区在膜内。PBC

6、MR(Packed Bed Catalytic Membrane ReactO在)CMR 反应 器中装载催化剂，以进一步增加膜反应器的催化活性。CNIVIR(Catalytic Nonpermseleetive Membrahe ReactOSW 为催化活性组分的载体，无选择渗透性。反应物或产物之一的渗透可 通过调节物料速率和压力来控制。（5）ISMR（Inert Semi permeable Membrane Reactor膜的半渗透 性是基于离子或电子的传导，为反应透过而不是反应物分子单纯透 过。一般固体氧化物电解质膜，对氧是半渗透性的，但对别的气体分 子则是不穿透的。它们可用于电化学反应

7、器中，膜为电解质而电极为 催化剂。2.1无机膜反应器的作用目前，文献报道的无机膜催化反应器的应用主要有以下几类：（1）使用非选择性渗透膜控制需要严格化学气量比进料的快 速气相催化反应。（2）使用非选择渗透性膜反应器加速多相反应器中易挥发反 应物的总反应速率。（3）使用选择渗透性膜改变化学平衡，从而获得较高的单程转 化率，且化学平衡的改变可在苛刻的反应温度和压力下进行。随着反 应和渗透的同时进行，产物的分离能在反应器单元中完成，以降低下 游产物分离的负荷。（4）在选择（半）渗透性膜反应器中，提高不可逆复杂反应体系 （平行反应和连串反应）中目的产物的选择性和收率。此外，无机膜反应器还具有以下优越性

8、：（a）可利用无机膜的隔 离作用，使易燃易爆的反应物在膜两侧分开进料，以避免反应物预 混以及副反应的发生，从而大大提高体系的安全性；（b）利用致密无 机膜（Pd和Pd合金膜、固体电解质膜等）的特殊氢、氧传递，既能使 氢气、氧气活化成原子态或离子态，同时又能做到控制性供给，提高 部分氧化、部分加氢反应的选择性；（c）利用多孔无机膜（A1203、多 孔玻璃膜等）中膜厚的可控制性，有效控制反应物在膜内停留时间分 布和浓度梯度，从而能有效地控制反应物与膜孔内催化剂活性位的 接触时间.控制反应的选择性。结语无机膜反应器可适用于众多反应，尤其是高温气相反应。然而， 到目前为止，文献报道的工作大多数仅限于实验探索阶段，实现工业 化的报道较少。但随着膜材