专利名称：一种从气态体系中选择性去除产物的方法
技术领域：
本发明涉及进行化学反应的方法和相关的反应器。本发明尤其涉及气态体系中的气态组分的选择性去除。更具体地说，本发明能够从气态体系中选择性去除反应产物，所述气态体系含有反应物和产物。本发明适用于多种工艺，包括合成氨、甲醇、DME、硝酸、和硫酸，所引的上述工艺仅作为非限定性的举例。本发明还公开了适于实施所述选择性去除工艺的反应器。
背景技术：
去除反应产物是提高化学反应产率的公知手段。通过从进行反应的体系中去除产物，可提高“正向(direct)”反应的转化率，所述“正向”反应即通常所表示的从左到右的反
应。·一种去除产物的现有技术是基于膜的选择性渗透。例如，制氢反应器通常利用膜的选择性去除氢气。膜具有微孔，其尺寸允许选择性渗透。因此，基于膜的选择性渗透对分子的物理尺寸很敏感，因为较小的分子能更容易地通过膜。例如，氢气的选择性去除是可能的，因为H2分子的尺寸小。这意味着当产物与反应物的分子尺寸相当时，基于膜的系统的效率较差(即选择性较差)，甚至当产物的分子尺寸小于一种或多种反应物时，效率也较差。例如，氨气(NH3)分子的尺寸为2. 90埃(A)，其介于氢气分子尺寸(2. 83A)和氮气分子尺寸(3. 78A)之间，因而使用常规的膜选择性去除NH3效率是不高的，因为大量的氢气会与氨气一起从体系中逸出。在合成甲醇时发生同样的情况，由于CH3OH分子的尺寸与一氧化碳和二氧化碳的分子尺寸相当，因而基于膜的选择性去除效率不高。现有的基于膜的分离方法通常要求在膜的两侧之间存在驱动力。已知的驱动力有压力差、浓度差；在电离装置存在下使用均匀电场。EP-A-1892216公开了一种选择性渗透膜反应器，其中驱动力是由位于反应器供给侧和渗透侧之间的氢气分压的差值提供的；所述差值可以实现，例如通过在一定的压力下操作供给侧，而所述压力显著高于或低于渗透侧的压力。US4762535公开了从氢气和氮气中分离氨，该分离借助含有选择性盐的分离膜，所述选择性盐影响氨的膜渗透，驱动力由所述膜两侧之间的分压提供。JP2006817公开了一种基于电场、膜和电离工具的分离系统,在该系统中，分子被电离并被驱使向具有相反电荷的电极靠拢；所述电场对离子产生作用力使其透过所述膜以实现所需的分离。需要注意的是，在膜的两侧缺少至少一种上述驱动力时，常规的基于膜的系统将无法完成任何分离。选择性膜目前被用在(不限于)制氨和制甲醇的设备中，用于回收包含在合成回路的吹扫气中的氢气。所述氢气的回收是利用选择性膜来完成的，所述选择性膜利用压力差为驱动力。所述合成回路吹扫气在高压力下被供给至所述膜的两侧之中的一侧，通常对于制氨设备所述高压力为100 + 150巴(bar)，对于制甲醇设备为50 + 100巴(bar);所述膜的另一侧在低得多的压力下操作，例如对于制氨设备为60 + 70巴(bar)，对于制甲醇设备为25 + 60巴(bar)。所述膜两侧之间的压力差是该方法的驱动力，两侧之间的氢气分压显著不同。分子不同程度地透过所述膜，尤其是最小的分子(本例中为氢气)以更高的浓度透过。选择性渗透的另一种公知应用是从空气的其他组分中分离氧气。空气被输送到传导膜的一侧；该传导膜的两侧均配备有产生电场的电极；在电场作用下，氧以O2-离子的形式通过该膜，即电子在相反的方向流动产生所述氧离子，所述电场作为驱动力。在所述膜的另一侧氧重新获得电子生成纯氧。所述膜例如为氧化钇掺杂的二氧化锆膜。工业使用的膜包括聚合物膜或无机膜，以及单层膜或多层膜。根据孔的尺寸，膜被命名为大孔、介孔或微孔。孔尺寸通常如下大孔膜的孔至少为5nm (纳米)；介孔膜的孔为2-5nm,微孔膜的孔小于2nm。如上所述，现有的基于膜的分离技术的缺点为在相同或相似尺寸的气体分子间的选择性差；需要驱动力如膜两侧间的显著压力差，或为了使分子对电场敏感需要离子化。在氨或甲醇合成领域，反应器的输出流中含有大量未转化的反应物。为了回收至少部分所述的反应物，输出流的相关部分通常被再次循环到反应器；然而，在化学反应的压力下压缩回输出流所用的功耗(power demand)影响该工艺的整体效能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷。本发明的一个目的是提供一种从气态体系中选择性去除至少一种组分的新方法，例如从气态体系中选择性去除气态产物，所述产物在该气态体系中是与反应物混合的。这种情况例如发生在化学反应的中间阶段。另一个目的是提供适于实施所述新方法的反应器。本发明的构思是利用气体分子的诱导和/或永久电偶极矩(EDM)作为膜基分离的驱动力。通过使气态体系处于空间非均匀电场中，使得偶极矩显著高于其他分子的气体分子通过多孔膜。本发明的第一个方面是从气态流动体系中选择性去除气态产物的方法，该气态流动体系含有所述产物和其他组分，其特征在于，所述气态体系流动通过第一环境，所述第一 环境通过界面墙与第二环境隔开，渗透膜形成所述界面墙的至少一部分；在位于所述第一环境的一个或多个第一电极与位于所述第二环境的一个或多个第二电极之间产生空间非均匀电场，所述非均匀电场的电场线穿过所述渗透膜，作用于所述气态组分粒子的介电泳力是通过所述膜进行渗透的驱动力的至少一部分，大量所述产物被从所述第一环境中选择性地去除，并在所述第二环境中被收集。术语产物代表所述体系内设定的气态组分。所述产物可以是化学反应的产物，在此气态体系中含有所述反应的反应物。根据不同的实施方式，所述方法可以从相同的气态流动体系中去除一种或多种产物。术语粒子代表所述气体的分子或原子。所述第一环境例如为反应器的一部分，所述反应器被安装在一个连续的工艺中。所述产物和/或所述气态流动体系中的其他组分的电偶极矩，可以是永久偶极矩或诱导偶极矩。通过空间非均匀电场在可极化的粒子上产生诱导电偶极矩。当所述产物粒子具有的永久电偶极矩大于所述气态体系中的其他组分粒子的电偶极矩时，所述方法是适用的。所述方法在以下情况下也是适用的，即所述产物粒子具有的极化率大于所述气态体系中的其他组分粒子的极化率，以便通过所述非均匀电场在所述产物粒子上诱导的电偶极矩，大于通过同一电场在所述体系中的其他气态组分上诱导的电偶极矩。永久偶极矩是粒子的固有特征。可极化的分子是指应用外部电场时形成电偶极矩的分子。极化率被定义为诱导偶极矩与形成该偶极矩的电场的比。产物的EDM与剩余粒子的EDM之间的差别越大，所述方法的选择性越大。在一个优选的实施例中，待分离产物分子的永久或诱导EDM，比所述气态体系中任何其他分子的EDM高至少50%。更优选地，待分离的产物的EDM为所述体系中任何其他分子的EDM的倍数；优选所述倍数至少为3 ;更优选所述倍数至少为5或更大。电偶极矩可以以德拜(Debye，D)衡量。国际单位制(SI units)换算由下式给出 IC -m (库伦米)=2. 997924581029D。在绝对值上，待分离产物分子的偶极矩应该优选至少为
O.3D，以实现有效的分离。所述非均匀电场是通过所述膜选择性渗透的驱动力的源头。源自所述电场的驱动力可以是唯一的驱动力或为可用的总驱动力的一部分。因此，本发明不像现有技术的膜分离那样纯粹依赖于压力。在本发明的一些实施方式中，所述第一环境和所述第二环境基本处于相同的压力下，即膜两侧不存在压力差或压力差微小。如果存在压力差，所述压力差可以提供进一步的驱动力。此外，本发明不需要电离器或其等同装置来诱导所述气态体系的电离。所述空间非均匀电场优选至少具有以下特征之一a)通过带有给定正负符号(即正或负)的电极表面的电场线密度，大于通过相反电极表面的电场线密度；b)带有给定正负符号的电极表面的电场强度,大于相反电极的电场强度；c)电场线是不平行的，即在不同位置电场线指向不同的方向。在一个优选的实施方式中，具有不同形状和/或尺寸的正电极和负电极被用于产生所述空间非均匀电场。例如可以通过同轴圆柱形式的电极产生所述非均匀电场。例如根据本发明，两个同轴圆柱形电极可以产生空间非均匀电场。所述电场的梯度优选是不均匀的，存在较高电场梯度的区域和较低电场梯度的区域。更优选的，较高电场梯度的区域或较低电场梯度的区域对应于所述两个环境中的一个，即对应于正电极或负电极。 所述空间非均匀电场的强度可以是恒定的或随时间变化的。具有显著EDM的粒子对所述电场高度敏感,而同一电场对于不具有EDM或具有很小EDM的粒子基本上是中性的。在常规基于膜的选择性去除不理想的情况下，将上述发现与基于膜的分离相结合以实现有效的选择性去除。在所述空间非均匀电场的驱动力下，与其他不具有EDM或具有较小EDM的分子相比，具有永久EDM或诱导EDM的分子以较高的速率通过所述渗透膜。本发明的一个优选应用，是从被包含在流动反应环境里的反应物中分离出气态流动产物，以获得更好的化学反应产率。本发明的应用的非穷举的优选的为以下物质的合成氨、甲醇、DME、硝酸和硫酸。氨分子和甲醇分子具有显著的偶极矩，尤其适合本发明的应用。下表给出了一些以德拜(D)为单位的偶极矩值。
分子偶极矩(D )
H2O
N2O
NH1.47 CH3OH 1.7 CO2O
CO0.11
H2O1.8
5021.6
503O NO 0.15 N02 0.33上述值表明，可以从反应物氮气(N2)和氢气(H2冲有效的分离出氨(NH3)。相比而言，常规的基于膜的体系，例如使用压力差作为驱动力，将无法从氮气和氢气中分离出氨，因为氨分子的尺寸介于H2分子的尺寸和N2分子的尺寸之间。优选的是，所述反应物的偶极矩为零或是可忽略不计的，但即使所述产物的偶极矩与反应物的偶极矩之间的小差别也可以被用来提高化学过程的效率。根据本发明的一些实施方式，不需要从反应物中完全分离产物，即使温和的分离(例如10%的产物分离)可能就足以达到提高化学反应效率的目的。在偶极矩方面差值不显著的情况下，可以利用极化率的差别。所述化学反应可以在一个或多个催化剂床中进行，但这不是实施本发明所必须的。当所述化学反应涉及到催化剂床时，本发明所述的方法可以直接在一个催化剂床中进行，或在一个催化剂床的上游或下游进行，当使用一个以上催化剂床时本发明所述的方法可以在两个催化剂床之间进行。本发明的实施方式包括在进入下一个催化剂床之前，从催化剂床中正在进行反应的流动反应混合物中去除产物，或者从催化剂床的流出物中去除产物，或者从床层间换热器中部分发生反应的气态流动混合物中去除产物。在多个催化剂床的实施方式中，去除两个催化剂床之间的反应产物，即从第一个催化剂床出来的气态混合物中去除反应产物，使得能够向第二个催化剂床提供反应性更高的混合物。本发明是适用的，而不用考虑催化剂床中的气流，该气流例如可以为轴向的、径向的，轴向-径向混合的、交叉的或水平的。在本发明的一些实施方式中，在所述催化剂床中嵌入有换热器，用于等温操作，即通过提供或去除热量来保持所述催化剂床的温度在给定的范围内。
本发明可以与电离器相结合，所述电离器会产生离子。电离工具可以被加入到本发明的设计中；以这种方式，介电泳力的作用和离子力(ionizing force)的作用可以互相利用以加强反应物与产物之间的分离。对于该附加实施方式，必须考虑电场的方向，因为离子力具有与电场矢量相同的方向。由于从流动的体系中去除产物能够增加转化率，所以本发明的主要优点在于反应物的转化更好。概括地说，化学产物的合成阶段取得了更高的效率且降低了能耗。另一个相关的优点是反应物的消耗更低这个优点例如在合成甲醇领域和合成氨领域中被感觉到，在合成甲醇领域和合成氨领域中，压缩含有反应物的补给气所用的电能是显著的。再次循·环气态产物所需要消耗的电能也被减小了。本发明的另一个积极效果是由于转化产率更好，所述化学反应(如果是放热的)提供了更多的热量。当热量的去除产生有用的效果时，形成本发明的另一个优点，例如热量被去除，产生可在所述方法中使用的热蒸汽。现在对所述方法进行更详细的阐述。所述空间非均匀电场在极化的粒子上产生介电泳力Fdep。所述介电泳力指向电场较强的区域。这个力可以由下述公式(I)定义Fdep=(p-V)E(I)其中E为电场；p为(永久或诱导)偶极矩矢量；▽为戴尔算符(Deloperator)。考虑到诱导偶极矩取决于粒子的体积和有效极化率，公式(I)可被进一步变化，即ρ=(α+Ω) ·ν·Ε(II)其中V为粒子的体积；α为诱导极化率，其可以由粒子的形状和介电性能来计算，所述介电性能包括电导率和介电常数，Ω为永久极化率。将公式(II)考虑进来，公式(I)可写成 Fdep J0-^vV\-E\2( ,]表明所述电场E的符号对所述力Fdep的方向没有影响；换句话说，即使所述电场的方向被反向了，所述力Fdep和所述极化粒子的运动将会始终以相同的方式被定向，并始终指向电场较强的区域。在某些情况下，α远远大于Ω ( α >> Ω )，意味着诱导偶极矩在大小上比永久偶极矩(如果存在)低几个数量级。在这些情况下，诱导EDM可以被忽略。在本发明的所有实施方式中，为产生电场而施加到所述电极上的电压优选约为1000V，更优选在1000-15000V (ltol5kV)范围内。如果在颗粒上需要较强的力Fdep和由此较高的分离，通常优选增加电压。所述电场的值优选在10 + 2000kV/m的范围。根据所附的权利要求，本发明的一个方面是适于实施所述方法的反应器。根据优选的实施方式，所述膜基于氧化铝、二氧化锆、二氧化钛二氧化硅、碳或沸石。尤其是，氧化铝、二氧化锆和二氧化钛更适合于制造介孔膜，而二氧化硅、碳和沸石更适合于制造微孔膜。
在一个优选的实施方式中，所述膜为微孔膜，其孔径<2nm(210_6m)。优选地，所述电场的尺寸比所述膜的孔尺寸小几倍，所述膜的孔允许有效电场的发展。所述膜的厚度优选(但不局限于)大于I' ΟΟΟμπι并小于10' 000 μ m。由于更高的相关力学阻力，多层膜优于单层膜。所述膜更优选在至少100 + 150° C的温度下制造，该温度高于操作温度以确保较高的膜稳定性。所述反应器可包括一个或多个正电极和一个或多个负电极。电极可为任何形式；如为棒式的细长电极、或板式或壁式的二维电极， 能实施本发明的由两个同轴的圆柱构成的简单的电极布置。以所述同轴方式布置的内部电极可以是直的导线。所述化学反应器可以在压力容器中包括一个或多个催化剂床。所述电极或至少一个电极可被设于所述催化剂床中。在一个优选的实施方式中，所述膜形成催化剂床壁的至少一部分，从而将所述催化剂床与产物收集器分隔开；第一电极被设于所述催化剂床中，相反的电极位于所述催化剂床外，优选位于所述产物收集器中。术语电极可以表示多个电极。因此，在使用期间，所述两个电极之间形成的非均匀电场促进了产物分子从所述催化剂床向所述产物收集器的通过。在一个优选的具有圆柱对称性的实施方式中，所述催化剂床具有实质上的环形结构并围绕中心管设置，所述中心管构成所述产物收集器。设于所述催化剂床中的圆柱壁式元件形成所述负电极，而一个或多个正电极被设置在所述中心管内。渗透膜在所述环形催化剂床与所述中心管之间形成界面的一部分。本发明的另一个方面是多床层合成塔的新型设置，例如对于氨合成塔或甲醇合成塔。多床层合成塔包括多个催化剂床；新鲜通入的反应物进入第一催化剂床，然后依次进入随后的催化剂床进一步反应；所述反应器还包括管壳式间接床层间换热器，在此，来自所述催化剂床之一的部分发生反应的气体流出物进入所述壳侧，使其在进入另一个催化剂床之前被冷却，所述反应器还包括用于收集最后一个催化剂床的流出物的产物收集器。所述合成塔的特征在于包括-渗透膜，被设置用于在所述床层间换热器的壳侧与所述产物收集器之间提供界面墙的至少一部分；-至少一个第一电极位于所述床层间换热器的壳侧，和至少一个第二电极位于所述产物收集器内，-所述第一电极和所述第二电极具有不同的形状，当向所述电极施加电压时产生穿过所述渗透膜的空间非均匀电场。所述实施方式例如适用于现有的三床层、瓶式合成塔。现在借助以下优选但非限定的实施方式的描述对本发明进行阐述。将提供在合成氨设备上所实现的优点的数值示例。附图简要说明图I为根据本发明的一个实施方式的从气态混合物中去除产物的方法的基本示意图，图2为根据本发明一个实施方式的轴-径向流合成塔的示意图。图3为根据本发明另一个实施方式的合成塔的示意图。图4为根据现有技术的三床层氨或甲醇合成塔的示意图。
图5为图4合成塔的流程图。图6为为了实施本发明而对图4合成塔的部分进行改进的示意图。图7为根据图6改进的合成塔的流程图。优选实施方式的详细描述参考
图1，数字I表示第一电极，数字2表示第二电极。所述第一电极I和所述第二电极2具有不同的形状并位于渗透膜3的两侧。所述渗透膜3具有小孔，例如微孔，一旦所述体系中存在驱动力，所述小孔允许气体分子通过。在本例中，电极I是负的，电极2是正的，但相反的配置也以同样的方式工作；当电极通电时，参照图1，电场4的电场线是常规排布的，其起始于负电极I并指向正电极2，并穿过渗透膜3。由于电极I和电极2的形状不同，所以产生了空间非均匀电场。尤其是，电场线在正电极2附近更紧密(即电场更强)。·所述渗透膜3在第一环境与第二环境之间形成至少一部分界面。在本例中，所述第一环境为反应空间S，所述第二环境为产物收集区域C。所述空间S和所述区域C例如可以是化学反应器的不同环境。所述空间S还可以是两个催化剂床之间的间隔空间。反应空间S被供给含有反应物的补给气，所述反应物的分子如R1和R2所示。在可能存在催化剂的情况下，所述反应物发生反应形成产物P。所述产物P的分子具有电偶极矩，而R1和R2则是电中性的或具有可忽略的偶极矩，例如比产物P的EDM小5倍。因此，P分子对所述电场4的敏感性比R1分子和R2分子敏感的多。在所述电场4的作用下，P分子受到指向正电极2的介电泳力Fdep ;因此P分子趋向于通过所述渗透膜3并在所述正电极2周围聚集。在所述产物收集区域C得到含有产物P的气态产物5这表示一定量的产物P被连续地从反应空间S中去除，而流动的反应物R1和R2趋向于留在所述环境S中，其对所述电场4不敏感，所述电场4驱动所述P分子通过所述渗透膜。如果所述空间S为反应阶段之间的间隔空间，那么所述空间S将输送含有少量产物P的气体流6，所述气体流6在进一步的反应阶段中反应性可以更高。如果反应物分子例如R1由于其尺寸而被允许通过渗透膜3的孔，则在气态产物5中会发现一定量的I。在这种情况下，常规的基于膜的分离器将会遭受反应物R1的大量损失，反应物R1通过了渗透膜，绕过了例如进一步的反应阶段。根据本发明，所述电场4将P分子驱向所述渗透膜，而R1分子留下并均匀分布在所述空间S中。这表示，即使通过所述渗透膜损失了一些反应物，与常规的基于膜的技术相比，所述气态产物5中的P/%的比是更为有利的。也就是说，从空间S去除产物P的选择性更高，减小了有用反应物R1的损失。例如参考氨的合成，R1为氢气(H2), R2为氮气(N2),产物P为氨(NH3)可在空间S中提供催化剂床。图2和图3中给出了两个例子。图2示出了包括圆筒形容器10的反应器/合成塔，所述圆筒形容器10含有环形催化剂床11，其围绕中心管12设置。催化剂床11具有上部区域IlA和下部区域11B。反应物从入口 13进入并轴向流动通过催化剂床11。产物通过中心管12被收集，所述中心管12与出口 14连通。在所述催化剂床11中可设有管式或板式换热器以维持准等温操作。轴向流反应器的这种设置是已知的，不再进一步描述。在所述催化剂床11内设有圆柱壁式的负电极I。多个正电极2被置于所述中心管12内。所述正电极2的形状与所述负电极I的形状不同。渗透膜3在催化剂床11与中心管12之间形成界面的一部分。图2为具有多个正电极的实施方式的例子。通常，电场的任何正极和/或负极可以由一个或多个电极构成。使用时，含有反应物的补给气20从入口 13进入，其在催化剂床11中从合成塔顶部轴向向下流动到合成塔底部的过程中被逐渐转化。大量的通过所述渗透膜3的中间径向流21，和底部流22形成产物流23 ;在某些工业合成塔中，只有底部流22提供了出口的气体混合物。反应物的浓度通过催化剂床11由顶部到底部逐渐减少，同时产物的浓度增加。中间流21的目的是从所述催化剂床中去除至少一些产物，以避免所述催化剂床的下部区域IlB中的产物浓度过高(即避免降低反应速度)。由外部电极I指向内部电极2的电场4允许中间径向流21中的产物浓度较高。没有所述电场的情况下，大量反应物会通过渗透膜3逸出，更多的产物会到达下部区域11B，有两个负面影响所述催化剂床下部区域IlB中的转化率更低，产物流23的纯度更低。得益于本发明，基于膜的产物的分离选择性更高，所述催化剂床下部区域IlB中的转化率比现有技术的更高。图3为氨合成塔的典型实施方式。产物(例如氨)的选择性去除发生在位于两个环 形催化剂床31和32之间的换热器内，所述两个环形催化剂床31和32位于容器10内。电极I和渗透膜3为圆柱形元件，被同轴设置在第一催化剂床31的出口。合适的换热元件例如用于冷却气态产物的元件被设置在电极I与渗透膜3之间。电极2设置在中心管12内，如之前图2的例子。第一催化剂床31的流出物33被导至位于下部的第二催化剂床32。在这种情况下，本发明的好处是更好地利用第二催化剂床32。得益于不同形状电极产生的非均匀电场所提供的驱动力，气体在催化剂床31内反应后被冷却，同时产物氨通过位于内部换热器的渗透膜3与反应物部分分离。未反应的气体从所述换热器排出，随后被送到第二催化剂床32，在所述第二催化剂床32较高的反应物/产物比使反应平衡向产物移动。
实施例给出本发明应用于三床层冷激式合成塔的实施例。图4公开了根据冷激式交换器设计的瓶式合成塔。该合成塔是已知的，例如见US4735780，在此不进行详细描述。图5公开了该合成塔的流程图。基本上，该合成塔包括容器130，催化剂筐131，所述催化剂筐含有三个催化剂床132、133和134 ;管壳式顶部预热器135，被位于第二催化剂床133与第三催化剂床134之间的气体流过的床层间换热器136。所述床层间换热器136为管束式换热器。进料气体流101通过容器的底部喷嘴137进入合成塔，在容器130与催化剂筐131之间的环形空间138内向上流动。到达合成塔的顶部后，进料气体进入顶部预热器135的壳侧，通过冷却热的产物气体108(图5)而被预热。得到的预热后的新鲜气体与气体流113混合，所述气体流113来自床层间换热器136的管侧。混合物的温度可通过新鲜气体的支路112来控制。气体流103是预热过的新鲜气体、所述气体流113和所述支路112混合的结果。所述气体流103进入上部第一催化剂床132并在此进行部分反应。离开第一催化剂床132后，部分发生了反应的气体流104被新鲜气体110冷激；冷激后的气体105流经中间第二催化剂床133。所述第二催化剂床133的输出流106在进入第三催化剂床134之前，在床层间换热器136的壳侧通过加热进料气体的平衡流111而被冷却，所述进料气体的平衡流111在换热器136的管内流动并形成之前所述的气体流113。冷却的、部分反应了的气体107在第三催化剂床134内进一步反应，其中所述冷却的、部分反应了的气体107为反应物与产物的混合物。离开第三催化剂床134后，气体流108已被转化成产物气体，并流经顶部预热器135的管侧以预热新鲜通入的反应物102。冷却后的气体流109为该合成塔输送出的产物气体流。热的产物流108在中心管140内被收集，并通过所述中心管被从底部催化剂床134的出口导向到上部预热器135。管壁141为分隔所述中心管140与床层间环形换热器136(图4)的界面墙。以下表I和表2为含有流速和温度的例子。
权利要求
1.一种从气态体系中选择性去除气态产物(P)的方法，所述气态体系含有所述产物和其他组分(Rl，R2)，其特征在于，所述气态体系进入第一环境，所述第一环境通过界面墙与第二环境隔开，渗透膜(3，300)形成所述界面墙的至少一部分；位于所述第一环境的一个或多个第一电极(I，301)与位于所述第二环境的一个或多个第二电极(2, 302)之间产生空间非均匀电场(4)，所述非均匀电场的电场线穿过所述渗透膜，作用于所述气态组分(P)粒子的介电泳力为通过所述膜渗透的驱动力的至少一部分，大量的所述产物(P)被从所述第一环境中选择性地去除，并在所述第二环境中被收集。
2.根据权利要求I的方法，所述产物(P)粒子具有的永久电偶极矩大于所述气态体系中其他组分(R1, R2)粒子的电偶极矩。
3.根据权利要求I的方法，所述产物(P)粒子具有的极化率大于所述气态体系中其他组分(R1, R2)粒子的极化率，以便所述非均匀电场在所述产物(P)粒子上诱导的电偶极矩，大于同一电场在所述体系其他组分上诱导的电偶极矩。
4.根据权利要求2或3的方法，所述产物(P)的永久电偶极矩或诱导电偶极矩，比所述气态体系其他组分的永久电偶极矩或诱导电偶极矩至少大50%，优选至少大3倍。
5.根据前述任一权利要求的方法，所述第一电极的形状与所述第二电极不同，所以所述电场是非均匀的。
6.根据权利要求5的方法,所述电场具有从第一电极到第二电极的放射状的电场线，所述第一电极为圆柱，所述第二电极为与所述第一电极同轴的圆柱或导线。
7.根据前述任一权利要求的方法，所述第一环境和所述第二环境基本处于相同的压力下。
8.根据前述任一权利要求的方法，所述电极上施加的电压为1000-15000V范围。
9.根据前述任一权利要求的方法，所述空间非均匀电场的强度范围为10+ 2000kV/m范围。
10.根据前述任一权利要求的方法，所述待去除的产物为化学反应的产物，所述气态体系的其他组分包括所述化学反应的反应物，所述产物的选择性去除直接在所述反应的一个催化剂床中进行，或在一个催化剂床的上游或下游、或在两个催化剂床之间进行。
11.根据权利要求9的方法，所述产物为氨、甲醇、DME、硝酸和硫酸中的任意一种。
12.一种化学反应器，包括 -入口(13，137)，用于通入反应物， -反应空间和产物收集器(12，140)， -渗透膜(3，300)，用于在所述反应器内的第一环境与第二环境之间提供界面墙的至少一部分， -所述第一环境为所述反应空间的一部分，或者为所述反应器内填充有反应物或反应物和产物的混合物且位于相邻反应空间之间的中间位置处的环境，所述第二环境为产物收集器或其一部分， -所述反应器包括至少一个第一电极和一个第二电极，所述第一电极位于所述第一环境，所述第二电极位于所述第二环境， -所述第一电极与所述第二电极具有不同的形状，当向所述电极施加电压时产生穿过所述渗透膜的空间非均匀电场。
13.根据权利要求12的反应器，所述膜选自基于以下的材料氧化铝、二氧化锆、二氧化钛二氧化硅、碳或沸石。
14.根据权利要求12或13的反应器，所述电极为棒式的细长电极，或为板式或壁式的二维电极，或为两个同轴的圆柱，或为直导线形成的内部电极和与所述导线同轴的圆柱形成的外部电极。
15.根据权利要求12-14任一所述的反应器，所述反应器包括催化剂床(11)，所述催化剂床(11)具有实质上的环形结构并围绕中心管(12)设置，所述中心管(12)构成所述产物收集器，所述负电极为圆柱壁式元件(I)并被设于所述催化剂床中，一个或多个正电极(2)被设置在所述中心管内，所述渗透膜(3)在所述环形催化剂床(11)与所述中心管(12)之间形成界面的一部分。
16.根据权利要求12-14任一所述的反应器，包括上催化剂床(31)和下催化剂床(32)，二者都具有环形结构，所述上催化剂床和下催化剂床围绕中心产物收集器管(12)设置，所述电极(I，2 )和所述渗透膜(3 )被同轴设置在所述第一催化剂床(31)的出口和所述第二催化剂床(32)的入口。
17.根据权利要求12-14任一所述的反应器，所述反应器为多床层合成塔，包括多个催化剂床(132-134)，其中新鲜通入的反应物进入第一催化剂床(132)，然后依次进入随后的催化剂床进一步反应，所述反应器还包括管壳式间接床层间换热器(136)，在此，来自所述催化剂床之一的部分发生反应的气体流出物进入所述壳侧，使其在进入另一个催化剂床之前被冷却，所述反应器还包括用于收集最后一个催化剂床的流出物的产物收集器(140)，其特征在于包括 -渗透膜(300)，被设置用于在所述床层间换热器的壳侧与所述产物收集器之间提供界面墙的至少一部分； -至少一个第一电极(301)，位于所述床层间换热器的壳侧，和至少一个第二电极(302)，位于所述产物收集器内， -所述第一电极和所述第二电极具有不同的形状，当向所述电极施加电压时产生穿过所述渗透膜的空间非均匀电场。
全文摘要
一种从气态体系中选择性去除气态产物(P)的方法，该气态体系含有所述产物和其他组分(R1，R2)，其特征在于，所述气态体系进入第一环境，所述第一环境通过界面墙与第二环境隔开，渗透膜(3，300)形成所述界面墙的至少一部分；位于所述第一环境的一个或多个第一电极(1，301)与位于所述第二环境的一个或多个第二电极(2，302)之间产生空间非均匀电场(4)，所述非均匀电场的电场线穿过所述渗透膜，作用于所述气态组分(P)粒子的介电泳力为通过所述膜渗透的驱动力的至少一部分，大量的所述产物(P)被从所述第一环境中选择性地去除，并在所述第二环境中被收集。
文档编号B01D63/06GK102958594SQ201180032948
公开日2013年3月6日 申请日期2011年6月10日 优先权日2010年6月30日
发明者塞尔乔·潘沙 申请人:阿莫尼·卡萨尔公司