CN101574636A - 一种管式膜反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管式膜反应器，适用于使用细小催化剂颗粒的多相催化反应体系。反应器最明显的特征是用两组膜管构成膜反应器，其中一组膜管作膜分布器，控制反应原料进料浓度分布，能避免反应物局部浓度过高，有效提高反应原料的利用率，避免或减少副反应的发生，另一组膜管作膜分离器，控制反应体系内的固液分离，使催化剂保持在膜管腔体内，实现反应和催化剂分离同时进行。反应器能控制进料和出料的流场分布，提高反应的转化率、选择性和原料的利用率，降低反应成本，具有工艺流程短，反应效率高，能耗小，投资省等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种管式膜反应器，采用膜管做膜分布器、膜分离器和反应器。适用于使用细小催化剂颗粒的多相催化反应体系，属化工设备。
背景技术
多相催化反应是气态或液态反应物与固态催化剂在两相界面上进行的催化反应。其历程至少包括反应物在催化剂表面上的化学吸附，吸附中间物的转化和产物脱附三个连续步骤。以多相催化反应为研究对象的化工过程一般是将温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控制的变量，目前，还没有将反应原料的进料流场分布变化作为主要控制的工艺参数的报道。
多相催化反应常常用细小颗粒作为催化剂，传统的分离过程技术往往需要间歇操作，且很难将此类催化剂从产物中完全分离，大大影响目标产物的性能。建立在材料基础上的膜分离技术可实现细小催化剂与产品的分离，实现反应过程连续化。目前较先进的膜反应装置是通过在反应器外或反应器内组装膜分离器来实现细小颗粒催化剂的原位分离，同时实现多相催化反应过程的连续运行。专利ZL02138439.8和200410041687.X中公开的一体式悬浮床无机膜反应装置就使用了此类技术，能使多相催化反应过程与膜分离过程在同一反应器中同时进行。但是上述专利中，膜管仅起过滤作用，其本身不作为反应器，也没考虑进料和出料流场分布的变化对反应结果的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管式膜反应器，其中膜起膜分布器、膜分离器和膜反应器的作用，在进行多相催化连续反应时，通过控制多相催化反应进料和出料流场的分布来改进反应的性能，反应和分离同时进行，反应流程短，反应器结构更加紧凑。
本发明的技术方案为：一种管式膜反应器，其特征在于用两组膜管构成膜反应器，用膜管本身做反应釜。其中一组膜管起膜分布器和反应器的作用，通过调节进料流速和膜管孔径来控制反应原料进料浓度分布；另一组膜管起膜分离器和反应器的作用，产物透过膜从反应物料中分离出来，催化剂则被截留在反应器中继续参与反应，过程连续进行。
本发明的具体技术方案为：一种管式膜反应器，由膜分布器5、膜分离器8和提供循环动力的泵7组成，反应原料与催化剂在反应器内形成一个内循环；其中膜分布器5和膜分离器8两端用密封组件11密封。
上述的膜分布器5和膜分离器8采用的膜的材料为有机材料、无机材料或有机无机复合材料；膜的平均孔径为2nm-10μm。
上述膜分布器5和膜分离器8中的膜管根数根据反应体系的性质、膜的性质以及反应流量的大小定，一般优选膜分布器5和膜分离器8分别由1～100根膜管组成；所述的膜管为直管或盘管。
本发明中进料系统同膜分布器5相连，进料系统由恒流泵2、3、反应原料贮槽1、4组成；膜分离器8与出料系统相连，出料系统由真空抽吸泵9、产品贮槽10组成；进行多相催化反应时，贮槽4中的反应物料氧化剂(如过氧化氢)通过恒流泵3经过膜分布器5进入反应器内，贮槽1中的其他反应物料(如氨水、丙酮和叔丁醇混合液)通过恒流泵2进入反应器内，产物通过膜分离器8流出反应器，经出料泵9进入产品贮槽10，进料与出料流速相同，一边反应一边分离，催化剂颗粒不出反应体系，反应过程连续进行；反应混合液在膜管内的流量范围为3～60mL/min，反应温度范围为0～200℃。
膜分布器5和膜分离器8的膜管数量根据反应流量大小、膜的微结构和多相催化反应性质确定；恒流泵3进料口可以是膜分布器上的任意位置，真空抽吸泵9在膜分离器上的出料口也可是膜分离器上的任意位置。
上述提供循环动力的泵7为耐腐蚀的蠕动泵或离心泵。
有益效果：
本发明提供的是一种管式膜反应器，通过膜分布器控制反应原料进料浓度，有效提高反应的转化率、选择性和原料的利用率，降低反应成本；用膜管本身作为反应器，催化剂颗粒被截留在反应器中继续参与反应，液相物料则透过膜并通过高压或负压流出反应器，过程连续进行。提供动力的是使反应体系内物质循环流动的耐腐蚀的蠕动泵或离心泵，可通过控制其转速和膜材料结构来控制进料和出料的流场分布，使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。
附图说明
图1是采用一根膜管作为膜分布器、一根膜管作为膜分离器的管式膜反应器示意图。
图2是采用一根膜管作为膜分布器、三根并列安装的膜管作为膜分离器的管式膜反应器示意图。
图1、2中，1、4为原料贮槽；2、3为恒流泵；5为膜分布器；6为封闭外套；7为蠕动泵或耐腐蚀的离心泵；8为膜分离器；9为真空抽吸泵；10为产品贮槽；11为密封圈。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，管式膜反应器主要由二根平均孔径为100nm的不锈钢膜管和蠕动泵7组成，其中不锈钢膜管5为膜分布器，不锈钢膜管8为膜分离器，反应时反应物料形成一内部循环，反应循环液所到的空间均计为反应器体积。以TS-1催化丙酮氨氧化制丙酮肟的反应为例：先将TS-1催化剂3.6g放入反应器内，密封好后用泵将计量好的丙酮17.0g和叔丁醇83.6g打入反应釜内，启动蠕动泵形成内循环，然后升温，当达到反应温度65℃时，启动恒流泵2、3向反应器内加入氨和过氧化氢，控制氨酮比为1.5，氧酮比为1.5，进料时间为1h，进料完后再反应2h。再启动恒流泵2向反应器内加入氨和丙酮，恒流泵3向反应器内加入过氧化氢，控制氨酮比为1.5，氧酮比为1.5，反应连续进行，且进料中过氧化氢浓度分布受膜分布器5的控制，能提高反应的转化率和选择性；再进料的同时打开出料的真空抽吸泵9开始连续出料，控制进料流量与出料流量均为3mL/min，反应平衡时真空表读数约为480mmH2O，反应转化率可稳定在94％以上，反应选择性可稳定在98％以上。
实施例2
如图2所示，管式膜反应器主要由一根平均孔径为100nm的聚偏氟乙烯(PVDF)有机膜管，一组平均孔径为200nm的氧化锆膜管和蠕动泵7组成，其中一组是一根聚偏氟乙烯(PVDF)有机膜管5作膜分布器，另一组是三根无机膜管组8作膜分离器，其内部空间均为反应空间。以TS-1催化丁酮氨氧化生成丁酮肟的反应为例：先将TS-1催化剂3.6g放入反应器内，密封好后用泵将计量好的丁酮19.0g和叔丁醇83.6g打入反应釜内，启动蠕动泵形成内循环，然后升温，当达到反应温度75℃时，启动恒流泵2、3向反应器内加入氨和过氧化氢，控制氨酮比为1.6，氧酮比为1.3，进料时间为1h，进料完后再反应2h。再启动恒流泵2向反应器内加入氨和丁酮，恒流泵3向反应器内加入过氧化氢，控制氨酮比为1.6，氧酮比为1.3，反应连续进行，且进料中过氧化氢浓度分布受膜分布器5的控制，能提高反应的转化率和选择性；在进料的同时打开出料的真空抽吸泵9开始连续出料，控制进料流量与出料流量均为4mL/min，反应稳定时真空表读数约为500mmH2O，反应转化率可稳定在99％以上，反应选择性可稳定在98％以上。
实施例3
如图1所示，管式膜反应器主要由一根平均孔径为100nm的不锈钢膜管、另一根平均孔径为200nm的氧化锆膜管和蠕动泵7组成，其中不锈钢膜管5为膜分布器，氧化锆膜管8为膜分离器，反应时反应物料形成一内部循环，反应循环液所到的空间均计为反应器体积。以TS-1催化苯酚羟基化反应为例：先将TS-1催化剂2.8g放入反应器内，密封好后用泵将计量好的苯酚(25.0g)水溶液打入反应釜内，启动蠕动泵形成内循环，然后升温，当达到反应温度80℃时，启动恒流泵3向反应器内加入过氧化氢，控制苯酚/双氧水为2.6，进料时间为1h，进料完后再反应1h。再启动恒流泵2向反应器内加入苯酚，恒流泵3向反应器内加入过氧化氢，控制进料中苯酚/双氧水为2.6，反应连续进行，且进料中过氧化氢浓度分布受膜分布器5的控制，能提高反应的转化率和选择性；在进料的同时打开出料的真空抽吸泵9开始连续出料，控制进料流量与出料流量均为3mL/min，反应平衡时真空表读数约为680mmH2O，反应转化率可稳定在30％以上，反应选择性可稳定在95％以上。
Claims (5)
1.一种管式膜反应器，由膜分布器(5)、膜分离器(8)和提供循环动力的泵(7)组成，反应原料与催化剂在反应器内形成一个内循环；其中膜分布器(5)和膜分离器(8)两端用密封组件(11)密封。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的膜分布器(5)和膜分离器(8)采用的膜的材料为有机材料、无机材料或有机无机复合材料；膜的平均孔径为2nm-10μm。
3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于膜分布器(5)和膜分离器(8)分别由1～100根膜管组成；所述的膜管为直管或盘管。
4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于进料系统同膜分布器(5)相连，进料系统由恒流泵(2)、(3)、反应原料贮槽(1)、(4)组成；膜分离器(8)与出料系统相连，出料系统由真空抽吸泵(9)、产品贮槽(10)组成；进行多相催化反应时，贮槽(4)中的反应物料氧化剂通过恒流泵(3)经过膜分布器(5)进入反应器内，贮槽(1)中的其他反应物料通过恒流泵(2)进入反应器内，产物通过膜分离器(8)流出反应器，经出料泵(9)进入产品贮槽(10)；进料与出料流速相同，一边反应一边分离，催化剂颗粒不出反应体系，反应过程连续进行；反应混合液在膜管内的流量范围为3～60mL/min，反应温度范围为0～200℃。
5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于提供循环动力的泵(7)为耐腐蚀的蠕动泵或离心泵。
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