专利名称：离散型膜反应工艺及所采用的离散型膜反应器的制作方法
技术领域：
本发明属分离过程及设备领域，特别涉及一种离散型膜反应工艺及所采用的离散型膜反应器。该反应器在同一设备中能完成多次的反应和分离过程，通过膜有选择性地分离一部分反应物来促进反应，提高反应转化率。
背景技术：
为了在同一反应器内同时实现反应与分离，即在化学反应进行的同时，移走产物或部分产物，从而提高反应效率放出或直接获取目标产品，人们研制了膜反应器，即在反应器内安置膜，构成膜反应器。
普通的膜反应器大都由双重圆管(即套管)构成(内管为膜管)，按催化剂的填充方式可以分成内管填充型和环隙填充型两种。内管填充型膜反应器因内管直径所限使催化剂的填充量受到限制，另外这种结构加热和排热都不方便，故较少使用。而环隙填充型膜反应器因外管直径的改变相对容易，可以方便的调节催化剂量。但这种传统的膜反应器有以下几点缺陷①在工业生产中，处理量都比较大，催化剂装填较多，对于目前传统的双重圆管式(即套管式)膜反应器来说，所提供的膜面积很难与反应相匹配。也就是说由于膜的渗透通量一般较小，为和反应匹配，需要增大膜面积，而传统套管结构的膜反应器很难做到这一点；②传统膜反应器环隙催化剂床层本身对反应产物的分离会形成阻碍，即在反应区(外管的环隙)半径方向由于催化剂的存在而产生传质和传热的阻力结果导致膜反应器的效率低下；③传统的膜反应器是一体结构，反应和分离同时进行，由于催化剂直接与膜接触，容易造成膜的损伤和污染，同时也给反应器的检修、维护和膜的清洗带来困难。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种离散型膜反应工艺及与之配套的离散型膜反应器。该反应器可以提供较大的膜面积并将反应和分离多次进行从而提高了膜反应器的工作效率。
本发明的技术解决方案可依如下方式实现一种离散型膜反应工艺，其特点是反应物连续交替通过反应区及与反应区分体配置的分离区，以完成多次的反应和分离。
上述工艺路线可在同一设备中完成，即在同一设备中反应物连续交替通过反应区及与反应区分体配置的分离区，以完成多次的反应和分离。
本发明所述反应区采用模块化设计，每一子模块作为内含催化剂的反应腔体构成子反应区；所述分离区由膜管束及外壳体构成，所述膜管束分成与每一子模块对应的子膜管束构成子分离区；反应物在膜管束内进行往复流动，连续交替地通过各个子反应区和子分离区，完成多次反应和分离。
上述离散型膜反应工艺所采用的离散型膜反应器，它含有反应区、与所述反应区分体配置的分离区；所述分离区内设有膜管束；所述膜管束的端口与反应区的催化剂腔体相通。
作为一种优选方案，本发明可以采用列管式结构。所述反应区包括左封头及右封头，二者中间是膜管束为分离区；所述左封头与右封头内共设有m个隔板；物料进口和物料出口设在其中一个封头上，该封头内设有(m+1)/2个隔板，形成(m+3)/2个子反应区；而不设物料进、出口的封头内设有(m-1)/2个隔板，形成(m+1)/2个子反应区；左封头及右封头与分离区对应封接；由于隔板的作用，所述分离区中的膜管束被分成(m+1)个子膜管束；所述子膜管束的端口分别与相应子反应区的催化剂腔体相通；在所述分离区上配有壳程入口及壳程出口，以排除透过物；物料在设备内往复(m+1)/2次，完成(m+2)次反应和(m+1)次分离，称为(m+1)级离散型膜反应器；其中m为奇数。
作为另一种优选方案，本发明所述反应区内隔板数m为0；所述反应区包括左封头及右封头；左封头及右封头与分离区对应封接；在所述分离区上配有壳程入口及壳程出口；在所述左、右封头上配有物料进口和物料出口；在所述分离区中只有一个子膜管束；所述子膜管束的端口与反应区的催化剂腔体相通。
本发明所述分离区可采用分体式，各部分通过法兰封接。
本发明与现有技术相比较，其主要特点如下①根据具体情况可以自由增大膜面积，同时自由决定反应和分离的次数，使反应和分离很好地偶合，提高膜反应器的效率；②由于膜表面没有催化剂，大大降低了分离区的扩散阻力，提高了膜分离效果，同时也减轻了膜表面的污染；③膜反应器为分体结构，反应区和分离区是分开的，通过法兰连接，可以自由拆卸，给膜反应器的的检修、维护以及膜的清洗带来方便。
对单膜管装置这一特定结构进行比较研究发现，当催化剂装填在膜管两端的环隙中，与膜管不接触，在膜管长度，催化剂量，反应处理量以及操作条件完全相同的情况下，这种结构的反应转化率明显高于传统结构。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1为本发明所涉及的四级离散型膜反应器整体结构示意图；图2为本发明图1中左封头外侧结构示意图；图3为本发明图1中壳体右管板外侧结构示意图。
具体实施例方式
本发明的主体类似于列管换热器，由三部分构成。中间是一个圆筒状壳体，体内排列着膜管，此部分为分离区。膜管通过密封装置连接在筒体两端的管板上，为了方便安装和拆卸膜管，壳体作成分体，通过法兰连接。壳体作成分体的另一好处是根据需要可以加大壳体长度，使膜管加长来增大膜面积。壳体左右是两个大小相等的短圆柱形封头，内装催化剂，此部分为反应区，反应区内通过隔板被分成若干个子区，封头通过法兰和壳体连接。如图2所示，1、2依次为管程流体的进、出口。
本发明在结构上吸取了经典的列管式换热器结构特点---可以提供较大的膜面积；而工作上则借鉴了经典的传质设备板式塔的操作特点---多级分离，将反应和分离多次进行以提高膜反应器的效率，从而最大限度地提高反应转化率。
下面介绍几个名词管程流体—在膜管内流动的流体，这里指待分离物流；
壳程流体—在膜管外流动的流体，这里指透过(渗透)侧物流；级数——子膜管束的数量，即物料在设备内被分离的次数。
设级数为n，隔板数为m，二者的关系如下n＝m+1，其中m＝0，1，3，5，7，9，------，与此相应n＝1，2，4，6，8，10，------。显然只有当n＝1(m＝0)时，进料口和出料口分别设在左右封头上，物料单次通过管束，完成反应-分离-反应，称为一级离散型膜反应器。其他情况，即n＞1时，隔板数m为奇数，级数n为偶数，此时进料口和出料口必须设在同一封头上，在设有进料口和出料口的一侧封头设置n/2个隔板将其分成n/2+1个反应子区，而另一侧封头设置n/2-1个隔板将其分成n/2个子反应区，两侧相加一共有n+1个子反应区。同时这些隔板也将膜管束分成n个子膜管束，它们与两侧相应的子反应区相通，反应物连续交替完成(n+1)次反应和n次分离，称为n级离散型膜反应器。
下面逐一说明一级离散型膜反应器。这时隔板数只能为0，是最简单的一种情况，膜管数可以是1、2、3------等等视情况而定，反应物从左封头的入口进入反应区反应，而后通过膜管束进行分离，然后进入右封头反应区反应，最后排出，完成反应-分离-反应的过程，由于进行一次分离，故称为一级离散型膜反应器。
二级离散型膜反应器。隔板数为1，设在左封头内，将其分成两个子反应区，则物料进、出口分别设在这两个子反应区上。而右封头没有隔板，为一个反应区。与此相应整个管束一分为二分成两个子管束。反应物从左封头的入口进入第1个子反应区，反应后进入与其相通的子膜管束进行分离，接着进入右封头第2个子反应区反应，然后拐个弯进入另一个子膜管束进行分离，最后进入左封头的第3个子反应区反应后排出。物流在设备内往复一次，完成反应-分离-反应-分离-反应的过程，由于进行两次分离，故称为二级离散型膜反应器。
四级离散性膜反应器。隔板数为3，设有进料口和出料口的左封头内有两个隔板将其分成三个子反应区。右封头内设一个隔板将其分为两个子反应区。整个膜管束一分为四分成四个子膜管束。与二级情况相似，反应物在设备中往复两次，连续交替通过五个子反应区和四个分离子区，即完成反应-分离-反应-分离-反应-分离-反应-分离-反应的过程，由于是四次分离，故称为四级离散型膜反应器。
六级离散性膜反应器。隔板数为5，设有进料口和出料口的左封头内有三个隔板将其分成四个子反应区。右封头内设两个隔板将其分为三个子反应区。整个膜管束一分为六分成六个子膜管束。反应物在设备中往复三次，连续交替通过七个子反应区和六个子分离区，即成反应-分离-反应-分离-反应-分离-反应-分离-反应-分离-反应-分离-反应的过程，由于是六次分离，故称为六级离散型膜反应器。
八级离散性膜反应器。隔板数为7，设有进料口和出料口的左封头内有四个隔板将其分成五个子反应区。右封头内设三个隔板将其分为四个子反应区。整个膜管束一分为八分成八个子膜管束。反应物在设备中往复四次，连续交替通过九个子反应区和八个子分离区，即完成反应-分离-反应-分离-反应-分离-反应-分离-反应-分离-反应-分离-反应-分离-反应-分离-反应的过程，由于是八次分离，故称为八级离散型膜反应器。
以此类推理论上可以得出十级、十二级、十四级------等等无限多的子结构。
下面以四级离散性膜反应器为例详细介绍本发明的静态结构及工作原理图1～3为一个四级离散型膜反应器结构示意图，如图所示，1为管程入口，2为管程出口，3为壳程出口，4为壳程入口，5为左封头，6为右封头，7为法兰，8、9为隔板，10为壳体，11、12为法兰，13为膜管。每程一根膜管，共四根膜管。在实际中根据需要每程的膜管数可以增加，以增加膜面积。增加膜面积的另一种方法是增大膜管长度，这时只要增加壳体10的长度即可，实际上由于壳体是分体结构，可以通过法兰再连接一段壳体即可。
左封头5有两个隔板(即隔板801及隔板802)，将催化剂分成互不联通的三个区，按照方位分别命名为外上区R1，外下区R2和里区R3。右封头有一个隔板(即隔板9)，将催化剂分成互不联通的两个区，分别命名为上区R4和下区R5。与此相应膜管束被分成四个子膜管束，每束一根膜管，按照方位分别命名为里上区膜管1302，里下区膜管1303，外上区膜管1301，外下区膜管1304。
工作时，反应物流从左封头上的管程入口1进入，与该子区(外上区R1)催化剂接触进行反应后进入外上区膜管1301进行分离，此为第一管程。从第一管程流出的物流进入右封头上区R4并与其中的催化剂接触反应后进入里上区膜管1302进行分离，此为第二管程。从第二管程流出的物流进入左封头里区R3并与其中的催化剂接触反应后进入里下区膜管1303进行分离，此为第三管程。从第三管程流出的物流进入右封头下区R5并与其中的催化剂接触反应后进入外下区膜管1304进行分离，此为第四管程。从第四管程流出的物流进入左封头外下区R2并与其中的催化剂接触反应后从管程出口2排出。与此同时，在壳程10内可以通入惰性气体或连接真空泵将透过物排出。至此，系统完成了五次反应和四次分离，称为四级离散型膜反应器。
以上只是这种离散型膜反应器的一种子结构---可称为四级(四管程)离散型膜反应器。广义上这种离散性膜反应器可以有无限多种结构形式。
总之，这种广义上的离散性膜反应器根据不同的情况可以设计成不同的级数，同时可以通过改变膜管数或膜管长度来改变膜面积，以期最大限度的使反应和分离偶合，提高膜反应器的效率。
本发明的保护范围不仅局限于上述具体实施方式
，任何将反应区与分离区进行分体偶合配置，反应物连续交替通过反应区及分离区以完成多次反应和分离的技术路线均应纳入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种离散型膜反应工艺，其特征在于反应物连续交替通过反应区及与反应区分体配置的分离区，以完成多次的反应和分离。
2.根据权利要求1所述的离散型膜反应工艺，其特征在于在同一设备中反应物连续交替通过反应区及与反应区分体配置的分离区，以完成多次的反应和分离。
3.根据权利要求2所述的离散型膜反应工艺，其特征在于所述反应区为模块化，每一子模块作为内含催化剂的反应腔体构成子反应区；所述分离区由膜管束及外壳体构成，所述膜管束分成与每一子模块对应的子膜管束构成子分离区；反应物在膜管束内进行往复流动，连续交替地通过各个子反应区和子分离区，完成多次反应和分离。
4.根据权利要求2所述离散型膜反应工艺所采用的离散型膜反应器，其特征在于，含有反应区、与所述反应区分体配置的分离区；所述分离区内设有膜管束；所述膜管束的端口与反应区的催化剂腔体相通。
5.根据权利要求4所述离散型膜反应工艺所采用的离散型膜反应器，其特征在于所述反应区配有m个隔板以形成相应的子反应区；所述分离区中的膜管束按子反应区的数量对应包含m+1个分离子膜管束；所述分离子膜管束的端口与对应的子反应区催化剂腔体相通；其中m为0或奇数。
6.根据权利要求5所述离散型膜反应工艺所采用的离散型膜反应器，其特征在于所述反应区包括左封头(5)及右封头(6)；所述左封头(5)与右封头(6)内共设有m个隔板以形成相应的子反应区；左封头(5)及右封头(6)与分离区对应封接；在所述分离区上配有壳程入口(4)及壳程出口(3)。
7.根据权利要求5或6所述离散型膜反应工艺所采用的离散型膜反应器，其特征在于所述反应区内隔板数m为0；所述反应区包括左封头(5)及右封头(6)；左封头(5)及右封头(6)与分离区对应封接；在所述分离区上配有壳程入口(4)及壳程出口(3)；在所述左、右封头上配有物料进口和物料出口；在所述分离区中只有一个子膜管束；所述子膜管束的端口与反应区的催化剂腔体相通。
8.根据权利要求4所述的离散型膜反应工艺所采用的离散型膜反应器，其特征在于所述反应区包括左封头(5)及右封头(6)；所述左封头(5)与右封头(6)内共设有m个隔板；物料进口(1)和物料出口(2)设在其中一个封头上，该封头内设有(m+1)/2个隔板，形成(m+3)/2个子反应区；另一封头内设有(m-1)/2个隔板，形成(m+1)/2个子反应区；左封头(5)及右封头(6)与分离区对应封接；所述分离区中的膜管束(13)被分成(m+1)个分离子膜管束；所述分离子膜管束的端口分别与相应子反应区的催化剂腔体相通；在所述分离区上配有壳程入口(4)及壳程出口(3)；其中m为奇数。
9.根据权利要求4～6之任一所述离散型膜反应工艺所采用的离散型膜反应器，其特征在于所述分离区为分体式，各部分通过法兰(7)封接。
全文摘要
本发明属分离过程及设备领域，特别涉及一种离散型膜反应工艺所采用的离散型膜反应器。该反应器在同一设备中能多次完成反应和分离过程，通过膜有选择性地分离一部分反应物来促进反应，提高反应转化率。本发明所述反应区包括左封头(5)及右封头(6)；所述左封头(5)与右封头(6)内共设有m个隔板以形成相应的子反应区；左封头(5)及右封头(6)与分离区对应封接；在所述分离区上配有壳程入口(4)及壳程出口(3)，其中m为0或奇数。本发明可以提供较大的膜面积，将反应和分离多次进行从而提高了膜反应器的工作效率。
文档编号B01D53/22GK1864849SQ200610046479
公开日2006年11月22日 申请日期2006年4月29日 优先权日2006年4月29日
发明者张克铮 申请人:辽宁石油化工大学