CN101322930B - 一种悬浮床无机膜反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新的悬浮床无机膜反应器，适用于使用细小或超细催化剂颗粒的多相催化反应，也可用于反应物或生成物中含有细小的悬浮颗粒的多相物料的反应及固液分离。反应器最明显的特征是用无机膜膜管本身做反应釜，可以由单个或多个无机膜管组成，并且膜管有一端封闭和不封闭两种使用状态。反应器使物料反应和悬浮物料的固液分离均在无机膜中完成，边进料反应，边分离输出滤液，催化剂保持在膜管腔体内，且反应器外使用抽吸泵使无机膜能保持恒定的渗透通量，具有设备简化，占地面积小，流程短，能耗小，投资省的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种悬浮床无机膜反应器，用于使用细小或超细催化剂颗粒的多相催化反应，含有悬浮态物料的化学反应及固液分离过程，属化工设备。
背景技术
悬浮床反应器是化工生产中一种常见的反应设备，适用于液固反应、液液固反应、气液固反应中固相反应物或催化剂为细小的悬浮颗粒或反应生成细小悬浮颗粒物的场合，例如悬浮态的固体催化剂的催化反应、钛化合物水解生成二氧化钛细微悬浮颗粒等反应均属悬浮床反应。这些反应过程结束后往往需要紧接着物料的固液分离过程，以分离出催化剂微粒继续参与下次反应或分离出二氧化钛纳米微粒产品等。现有的悬浮床反应器只能解决对悬浮物料的搅拌及提供化学反应必要的工艺条件，而无固液分离功能，其后续的分离过程需另设分离装置。传统的分离装置如板框过滤或离心分离器工艺落后，需间歇操作，对微细悬浮颗粒分离效果差，难以达到完全分离，回收率低，影响目标产品的性能；目前较先进的膜分离装置通过使悬浮物料在反应器与膜分离装置之间连续多次循环增浓达到对固相物料的分离和回收的目的，能实现物料分离过程连续流态化进行。但这种膜分离必须建在反应器外，装置投资大，并存在着流程长、占地面积广、循环量大、浪费料液等缺点。专利ZL02138439.8和200410041687.X中公开的一体式悬浮床无机膜反应器将悬浮床反应器与无机膜分离有机结合在同一设备中，使悬浮态物料的反应过程与膜分离过程在同一反应器中同时进行，有效地解决了这个问题。但是上述专利中，膜管在反应釜中仅起过滤作用，膜管本身不作为反应器。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术装置投资大，并存在着流程长、占地面积广、循环量大、浪费料液等缺点而提供一种新的悬浮床无机膜反应器；无机膜同时起反应器和过滤作用，在进行多相催化连续反应时，反应和分离同时进行，反应流程短，反应器结构更加紧凑，反应有效体积比例更大。
本发明的技术方案为：一种悬浮床无机膜反应器，其特征在于用无机膜膜管管做反应釜，反应过程中液相物料连续透过无机膜从悬浮态物料中分离出来，通入分馏塔提纯，催化剂颗粒则被截留在反应器中继续参与反应，过程连续进行。
悬浮床无机膜反应器根据反应器结构特征和物料流动方式的差别可分为一体式悬浮床无机膜反应器和循环式悬浮床无机膜反应器。
一体式悬浮床无机膜反应器包括作反应釜用无机膜管5、密封圈12、进料恒流泵3与9、出料真空抽吸泵7、无机膜管外封闭夹套6、磁力搅拌转子4和冷凝器11；膜反应器由一个或多个无机膜管组成，膜管的下端封闭，另一端(上端)接冷凝器11，用密封圈12将膜管上端的外侧与膜管外封闭夹套6相应位置的内侧密封，两者间环隙与滤液输出管相通，滤液输出管接真空抽吸泵7。多相催化反应所用的细小或超细催化剂颗粒以及磁力搅拌转子预先放在膜管内，通过物料衡算以及反应停留时间的要求确定进出的物料流量，一边反应一边分离，催化剂颗粒被原位截留于膜管内，可减少催化剂的用量以及分离的费用。所说的无机膜管材料可选取陶瓷、金属材料，或者是陶瓷和金属的复合材料，无机膜的平均孔径为2nm-10μm。
循环式悬浮床无机膜反应器包括作反应釜用的无机膜管5、密封圈12、进料恒流泵3与9、耐腐蚀的蠕动泵或离心泵13、无机膜管外封闭夹套6、出料真空抽吸泵7和冷凝器11。膜反应器由一个或多个无机膜管组成，膜管两端不封口，其上端接冷凝器11，下端接耐腐蚀的蠕动泵或离心泵13，用密封圈12将膜管两端的外侧与膜管外封闭夹套6相应位置的内侧密封，两者间环隙与滤液输出管相通，滤液输出管接真空抽吸泵7。进行多相催化反应时，反应物料从无机膜管一端进入，另一端出去，使用耐腐蚀的蠕动泵或离心泵13提供动力将预先放入的催化剂颗粒与反应液在无机膜反应器内形成一内循环。通过物料衡算以及反应停留时间的要求确定进出的物料流量，一边反应一边分离，催化剂颗粒不出反应体系。所说的无机膜管材料可选取陶瓷、金属材料，或者是陶瓷和金属的复合材料，无机膜的平均孔径为2nm-10μm。
上述无机膜反应器中膜管顶端的冷凝器出口设有液封槽，反应器内压力为常压或比常压略高。
为了防止反应体系中的酸性、碱性物质及有机溶剂的腐蚀，采用耐腐蚀的材料如聚四氟乙烯、三元异丙胶来密封无机膜管与无机膜管外封闭夹套间的环隙，避免出现泄漏现象。
上述所用的无机膜管是直管或盘管，可以是单根，也可以是多根，根据反应处理量而定。
本发明所发明的反应器适用于使用细小或超细催化剂颗粒的多相催化反应，也可用于反应物或生成物中含有细小的悬浮颗粒的多相物料的反应及固液分离。
有益效果：
综上所述，本发明是将无机膜管本身作为反应器，使悬浮态物料的反应与悬浮物料的固液分离同时在无机膜管内完成，即一边向反应器中连续进料进行反应，一边通过无机膜的筛分作用，将液相物料分离排出。其中，悬浮的固体催化剂被膜截留在反应器内并继续参与反应，液相物料则透过无机膜并通过高压或负压流出反应器。提供搅拌动力的是磁力搅拌转子和使反应体系内物质循环流动的耐腐蚀的蠕动泵或离心泵，可以使反应器中的悬浮物料一直处于搅动的状态，既能使反应物料均匀混合，充分反应，又可避免无机膜管的表面形成浓差极化层，有效地防止固体催化剂在膜的表面沉积，使无机膜能保持较高的渗透通量，从而使所需的膜面积减小、增加系统的可行性。与现有的膜反应器相比，大大减少了设备投资与操作费用。
附图说明
图1是采用一个无机膜管作为反应釜的一体式悬浮床无机膜反应器示意图。
图2是采用多个无机膜管作为反应釜的一体式悬浮床无机膜反应器示意图。
图3是采用一个无机膜管作为反应釜的循环式悬浮床无机膜反应器示意图。
图4是采用多个无机膜管作为反应釜的循环式悬浮床无机膜反应器示意图。
其中1为液封槽；2、10为原料贮槽；3、9为恒流泵；4为磁力搅拌转子；5为无机膜管；6为封闭夹套；7为真空抽吸泵；8为产品贮槽；11为冷凝器；12为密封圈；13为耐腐蚀的蠕动泵或离心泵；A为冷凝水进口，B为冷凝水出口。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，反应器由一个平均孔径为200nm不锈钢膜管构成，无机膜管5内的空间为反应空间。以TS-1催化丙酮氨氧化生成丙酮肟的反应为例，反应前将丙酮、溶剂叔丁醇、催化剂TS-1和磁力搅拌转子先放入反应器5中，开启冷凝水，打开磁力搅拌装置，升温，当达到反应温度70℃时，同时启动恒流泵3与9，其中恒流泵3向反应体系内加入氨，恒流泵9向反应体系内加入丙酮、过氧化氢和溶剂叔丁醇混合液，总进料速率为0.43mL/min，同时打开出料的真空抽吸泵7开始连续出料，出料速率为0.43mL/min。反应是连续进行的，每隔一小时取样分析，催化剂被原位截留于反应釜中。反应器内的不凝性气体可通过冷凝器11排出，其中有害气体氨会被液封槽1中的水吸收，丙酮则会被冷凝后返回反应器。控制氨酮比为1.5，氧酮比为1.5，催化剂用量为10g/mol丙酮的条件下，反应转化率大于91％，反应选择性大于95％。
实施例2
如图3所示，反应器由一个平均孔径为200nm氧化锆膜管构成，无机膜管5内的空间为反应空间。以TS-1催化丙酮氨氧化生成丙酮肟的反应为例，反应前将丙酮、溶剂叔丁醇、催化剂TS-1放入反应器5中，开启冷凝水，启动蠕动泵13打循环，同时升温，当达到反应温度70℃时，同时启动恒流泵3与9，其中恒流泵3向反应体系内加入氨，恒流泵9向反应体系内加入丙酮、过氧化氢和溶剂叔丁醇混合液，总进料速率为0.43mL/min，同时打开出料的真空抽吸泵7连续出料，出料速率为0.43mL/min。反应是连续进行的，每隔1小时取样分析，催化剂在反应器内循环，但不出反应体系。反应器内的不凝性气体可通过冷凝器11排出，其中有害气体氨会被液封槽1中的水吸收，丙酮则会被冷凝后返回反应器。控制氨酮比为1.6，氧酮比为1.6，催化剂用量为11g/mol丙酮的条件下，反应转化率大于91％，反应选择性大于95％。
实施例3
如图4所示，反应器由三个平均孔径为50nm氧化锆膜管构成，无机膜管5内的空间为反应空间。以TS-1催化丙酮氨氧化生成丙酮肟的反应为例，反应前将丙酮、溶剂叔丁醇、催化剂TS-1放入反应器5中，开启冷凝水，启动蠕动泵13打循环，同时升温，当达到反应温度70℃时，同时启动恒流泵3与9，其中恒流泵3向反应体系内加入氨，恒流泵9向反应体系内加入丙酮、过氧化氢和溶剂叔丁醇混合液，总进料速率为1.29mL/min，同时打开出料的真空抽吸泵7连续出料，出料速率为1.29mL/min。反应是连续进行的，每隔1小时取样分析，催化剂在反应器内循环，但不出反应体系。反应器内的不凝性气体可通过冷凝器11排出，其中有害气体氨会被液封槽1中的水吸收，丙酮则会被冷凝后返回反应器。控制氨酮比为1.6，氧酮比为1.6，催化剂用量为11g/mol丙酮的条件下，反应转化率大于91％，反应选择性大于95％。
Claims (3)
1.一种悬浮床无机膜反应器，其特征在于用无机膜膜管做反应釜，反应过程中液相物料连续透过无机膜从悬浮态物料中分离出来，催化剂则被截留在反应器中继续参与反应，过程连续进行；其中所述的无机膜反应器为一体式悬浮床无机膜反应器或循环式悬浮床无机膜反应器；其中所述的一体式悬浮床无机膜反应器包括无机膜管(5)、密封圈(12)、进料恒流泵(3)与(9)、出料真空抽吸泵(7)、无机膜管外封闭夹套(6)、磁力搅拌转子(4)和冷凝器(11)；膜管的下端封闭，上端接冷凝器(11)，用密封圈(12)将无机膜管上端外侧与外封闭夹套(6)顶端内侧密封，两者间环隙与滤液输出管相通，滤液输出管接真空抽吸泵(7)；其中所述的循环式悬浮床无机膜反应器包括无机膜管(5)、密封圈(12)、进料恒流泵(3)与(9)、耐腐蚀的蠕动泵或离心泵(13)、无机膜管外封闭夹套(6)、出料真空抽吸泵(7)和冷凝器(11)；膜管是不封口的，其上端接冷凝器(11)，下端接耐腐蚀的蠕动泵或离心泵(13)，用密封圈(12)将膜管两个顶端的外侧与膜管外封闭夹套(6)相应位置的内侧密封，两者间环隙与滤液输出管相通，滤液输出管接真空抽吸泵(7)。
2.根据权利要求1所述悬浮床无机膜反应器，其特征在于所述的无机膜的材料为陶瓷、金属材料，或者是陶瓷和金属的复合材料；无机膜的平均孔径为2nm-10μm。
3.根据权利要求1所述的悬浮床无机膜反应器，其特征是所用的无机膜管是直管或盘管。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |