CN108114673A - 一种中空纤维膜接触反应器及在气液两相反应中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于气液两相反应的中空纤维膜接触反应器，属于气液化学反应技术领域，主要包括耐压壳体、液相进出口、气相进出口、中空纤维微孔膜及密封等部分。使用时采取液相走管程、气相走壳程的操作方式。本发明的中空纤维膜接触反应器可用于气液两相反应。

Description

一种中空纤维膜接触反应器及在气液两相反应中的应用
技术领域
本发明涉及一种用于气液两相反应的中空纤维膜接触反应器，属于气液化学反应技术领域。
背景技术
气液相反应指反应物系中存在气相和液相的一种多相反应过程，是化工过程中非常重要和常见的反应过程。通常是气相反应物溶解于液相后，再与液相中另外的反应物进行反应，也可能是反应物均存在于气相中，它们溶解于含有催化剂的溶液以后再进行反应。气液相反应主要用于直接制取产品(如用空气氧化异丙苯以制取过氧化氢异丙苯)或化学吸收以脱除气相中某一种或几种组分(如用胺液吸收天然气中的二氧化碳和硫化氢等酸性气体)。
目前，气液相反应器按气液相接触形态可主要包括：(1)气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡塔反应器、搅拌鼓泡釜式反应器和板式反应器；(2)液体以液滴状分散在气相中的喷雾、喷射和文氏反应器等；(3)液体以膜状运动与气相进行接触的填料塔反应器和降膜反应器等。存在气泡的尺寸较大且易长大、相界面积/反应器体积较低、气相在液相中的传质较差等问题。
膜接触器是近年来发展起来的新型技术，是用于实现气液两相传质而不直接接触的过程。在气液相接触过程中，疏水微孔膜充当两相间的一个界面，将气相和液相分开。与传统接触形式相比，膜接触器具有一些优势，例如较大的传质接触面积(以中空纤维膜接触器为例，当中空纤维膜的外径尺寸在1mm时可达2000m2/m3左右)、结构紧凑、气液相流量可独立控制、易线性放大等，已在膜蒸馏、气体吸收、膜脱气等过程得到应用。
本发明将气液相反应和膜接触器的特点结合起来，提出了一种用于气液两相反应的中空纤维膜接触反应器，与传统气液反应器相比，其具有如下优点：(1)中空纤维膜可提供非常大的气液接触界面，且借助膜的微孔结构可产生尺寸非常小的微气泡，增强气相溶解，提高反应效率；(2)通过中空纤维膜的构型设计改善气相反应物在液相中的均匀分布，提高气相传质；(3)中空纤维膜内径属于微通道范畴，可限制气泡生长，并对液相反应和传质具有强化作用；(4)具有线性放大特点，易于工程放大，在气液相反应中具有很好应用潜力。
发明内容
由于传统气液相反应器存在气泡尺寸较大且易长大、相界面积/反应器体积较低、气相在液相中的传质较差等问题，气相传质一般较差，反应效率较低。
本发明的目的是提供一种用于气液两相反应的中空纤维膜接触反应器，以改善气液相反应过程中的气相传质，提高反应效率，其主要包括耐压壳体、液相进出口、气相进出口、中空纤维微孔膜及密封等部分。使用时采取液相走管程、气相走壳程的操作方式。
所述的中空纤维膜接触反应器，用于气液两相反应，主要包括壳体、液相进出口、气相进出口、疏水性中空纤维微孔膜及密封等部分。
所述的中空纤维膜接触反应器，其中气液两相反应为传质过程为主要控制步骤的催化反应或非催化反应，其中产物须为液态或可溶于液相；
所述的中空纤维膜接触反应器，其中若气液两相反应为催化反应，则催化剂应溶于液相，即均相催化；
所述的中空纤维膜接触反应器，其中壳体为圆柱形或矩形，耐受压力为0-20.0MPa；
所述的中空纤维膜接触反应器，其中液相必须包括进口和出口，而气相可仅包括进口；
所述的中空纤维膜接触反应器，其中中空纤维膜为聚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或疏水改性的聚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯中的一种或几种；
所述的中空纤维膜接触反应器，其中中空纤维膜丝的内径为0.2-1.5mm，外径为0.4-3.0mm，平均孔径为0.05-1.0μm；
所述的中空纤维膜接触反应器，其中中空纤维膜的密封可采用环氧树脂、聚氨酯等；
所述的中空纤维膜接触反应器，其中用于气液两相反应时，采取液相走管程、气相走壳程的操作方式；
所述的中空纤维膜接触反应器，其中用于气液两相反应时，气液相压力差小于0.2MPa。
附图说明
图1为实施例1的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例详述本发明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例1
将本发明的中空纤维膜接触反应器用于甲醛羰基化制备乙醇酸的反应过程。采用聚四氟乙烯中空纤维膜制造接触反应器，其中聚四氟乙烯中空纤维膜的内径为0.5mm，外径为1.0mm，平均孔径为0.40μm，密封采用耐高温环氧树脂；接触器壳体为不锈钢材质，圆柱形，内径为25mm，长度为61mm，耐压10.0MPa；装填聚四氟乙烯中空纤维膜丝根数为300根，有效长度为50mm；接触器包括一个液相进口、一个液相出口和一个气相进口；液相走管程、气相走壳程。液相组成为环丁砜1000g、甲醛30g，水36g，杂多酸催化剂50g；气相为CO。具体反应参数如下：反应温度120℃，液相压力5.51MPa，气相压力5.50MPa，液相流量为4mL/min。分析结果显示，甲醛的转化率为92％，而乙醇酸的收率为87％。若采用传统鼓泡床，相同反应条件下的甲醛转化率仅为40％，而乙醇酸的收率仅为33％。
说明本发明的中空纤维膜接触反应器可以实现甲醛羰基化制备乙醇酸过程中的CO原位溶解，显著改善气液传质，从而使反应效率得以显著提高。
实施例2
反应压力为不高于1.0MPa的中空纤维膜接触反应器(气相含有进口和出口)。采用聚丙烯中空纤维膜，膜丝之间采用聚氨酯密封。
实施例3
反应压力为不高于10.0MPa的中空纤维膜接触反应器(气相含有进口和出口，以及仅含有进口)。采用聚四氟乙烯中空纤维膜，膜丝之间采用环氧树脂密封。

Claims (10)

1.一种中空纤维膜接触反应器，其特征在于：主要包括中空的密闭壳体、液相进出口、气相进出口、疏水性中空纤维微孔膜；疏水性中空纤维微孔膜置于壳体内；
于壳体上设有通孔，疏水性中空纤维微孔膜的一端穿过通孔与壳体外部相连通，疏水性中空纤维微孔膜与通孔处的壳体壁面间密闭连接，疏水性中空纤维微孔膜的另一端密闭；于壳体上设有物料进口和物料出口；
或，于壳体上设有二个通孔，疏水性中空纤维微孔膜的二端分别穿过二个通孔与壳体外部相连通，疏水性中空纤维微孔膜与通孔处的壳体壁面间密闭连接；于壳体上设有物料进口、或同时设有物料进口和物料出口。
2.按照权利要求1所述的中空纤维膜接触反应器，其特征在于：壳体为圆柱形或矩形，耐受压力为20.0MPa。
3.按照权利要求1所述的中空纤维膜接触反应器，其特征在于：中空纤维膜为聚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或疏水改性的聚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯中的一种或二种以上材料制成的中空纤维膜。
4.按照权利要求1、2或3所述的中空纤维膜接触反应器，其特征在于：中空纤维膜丝的内径为0.1-1.5mm，外径为0.4-3.0mm，平均孔径为0.05-1.0μm。
5.按照权利要求1所述的中空纤维膜接触反应器，其特征在于：中空纤维膜的密封可采用环氧树脂、聚氨酯中的一种或二种。
6.一种权利要求1-5任一中空纤维膜接触反应器在气液两相反应中的应用。
7.按照权利要求6所述的应用，其特征在于：气液两相反应为传质过程为主要控制步骤的催化反应或非催化反应，其中产物须为液态或可溶于液相；
若气液两相反应为催化反应，则催化剂应溶于液相，即均相催化。
8.按照权利要求6所述的中空纤维膜接触反应器，其特征在于：液相必须包括进口和出口，而气相可仅包括进口即可或气相也可以包括进口和出口。
9.按照权利要求6所述的应用，其特征在于：用于气液两相反应时，采取液相走管程、气相走壳程的操作方式。
10.按照权利要求6所述的应用，其特征在于：用于气液两相反应时，气液相压力差小于0.2MPa。
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