催化膜反应器原理与应用定稿.docx
- 文档编号:7110244
- 上传时间:2023-01-18
- 格式:DOCX
- 页数:7
- 大小:21.05KB
催化膜反应器原理与应用定稿.docx
《催化膜反应器原理与应用定稿.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《催化膜反应器原理与应用定稿.docx(7页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
催化膜反应器原理与应用定稿催化膜反应器原理与应用定稿催化膜反应器的原理与应用催化膜反应器的原理与应用摘要:
本文综述了催化膜反应器的提出、类型、特点、原理和应用。
催化膜反应器将膜技术和反应器结合在一起,具有传统工艺无可比拟的优点。
膜催化反应的优点在于利用膜的选择渗透性有选择地移去某个产物,从而使可逆反应的化学平衡向有利于产物的方向移动,从而达到“超平衡”。
实际的催化反应一般都在远离平衡的条件下进行,因此研究在非平衡条件下膜催化反应器的行为及其与固定床反应器的比较有重要意义。
本文主要从催化加氢、催化氧化、脱氢等方面阐述催化膜反应器的原理与应用。
关键词:
催化膜;膜反应器;膜分离Catalyticmembranereactor-principleandapplicationsAbstract:
Thisarticlesummarizestheorigins,types,characteristics,principleandapplicationofCatalyticmembranereactor.Catalyticmembranereactorcombinesmembranetechnologywithmembranereactor,whichhastraditionalcraftsincomparableadvantages.Theadvantagesofmembranecatalyticreactionisthatusetheselectivepermeabilityofmembranetoremoveaproductselectively,sothatthechemicalequilibriumofreversiblereactioncanforwardtothedirectionofproduct,soastoachieveoverbalance.Actualcatalyticreactionisgenerallyactedfarfromequilibriumconditions,sotheinvestigationofmembranecatalyticreactorundertheconditionofnon-equilibriumanditscomparisonwithfixedbedreactorisveryimportant.Thisarticlemainlydescribestheprincipleandapplicationofthecatalyticmembranereactorfromtherespectssuchascatalytichydrogenation,catalyticoxidationanddehydrogenation.Keywords:
Catalyticmembrane;membranereactor;membraneseparation一、催化膜反应器的提出41.1膜41.2膜反应器5二、催化膜反应器的原理62.1加氢原理82.2脱氢机理92.3催化氧化机理9三、催化膜反应器的特点10四、催化膜的制备方法114.1表面吸附/沉积法114.2掺杂法114.3包埋法12五、催化膜反应器的类型135.1膜与催化剂的组合方式135.2有/无催化性能的膜和催化剂的装填方式135.3催化膜反应器中膜在催化过程中所起的作用145.3.1萃取型膜反应器145.3.2分布型膜反应器15六、催化膜反应器的应用166.1烯烃和炔烃的催化加氢166.2催化氧化186.3透氢膜反应器用于乙苯脱氢制苯乙烯196.4提高水煤气变换反应转化率19七、展望20八、参考文献21一、催化膜反应器的提出一、催化膜反应器的提出1.1膜膜膜是一个可渗透型或者半渗透性的相,通常以薄膜的形式存在,是由从无机固体到不同高分子聚合物等多种材料所制成的。
其主要功能是用于控制在两种相邻流体相之间的物质交换。
膜必须作为一个通过筛分或者控制组分透过膜的相对速率的屏障。
这样有选择的使产物从反应混合物中排出,会导致有力的化学平衡移动。
后来有人用Pd-Ag膜于环己烷的脱氢反应中1,此过程中,膜本身不仅具有分离的功能,还同时有催化剂的功能,所以称之为催化膜。
随后,人们不断地拓展膜催化和膜反应器的研究与应用范围,有无机陶瓷膜、金属膜、合金膜、金属-陶瓷组合膜进行的研究,如表1所示。
表1各类膜反应实例2反应膜多孔耐热玻璃多空氧化铝多孔耐热玻璃多孔耐热玻璃钯及其合金铂-多孔耐热玻璃固体电解质钯合金铂-活性氧化铝氧化锌-活性氧化铝钯银硅橡胶毛细管膜活性氧化铝银修饰的活性氧化铝钒-氧化钛钒-氧化铝钌-多孔耐热玻璃氧化铼-氧化铝氧化锌-多孔耐热玻璃多孔不锈钢板-Rh催化剂-UEF型-组合膜表1所列的膜反应研究实例包括了脱氢、加氢、氧化、氨氧化还原、水蒸气转化等由此可见,在化学反应领域中,膜技术的应用正受到越来越广泛的重视。
1.2膜反应器膜反应器膜反应器过程通常也称为膜基反应过程。
在这些反应系统中,膜分离过程和催化反应这两个截然不同功能的过程结合在一起。
当分离和反应过程被合并到一个单元设备中时,其中的膜不仅具有分离的功能,而且经常能带来选择性或者产品收率的提高。
膜基反应分离最初被应用于一些特点的反应中,在这类反应中,可以通过连续萃取出产物从而改变反应的平衡,提高反应速率,如加氢反应。
关于膜反应器这一概念的讨论首先出现于1968年,Michaels3指出:
若将膜应用于反应工程,将会产生新的化工工程,即用一含有膜分离单元的反应器进行反应,所得到的将不是处于平衡组成的反应混合物,而是经膜选择性连续分离的结果,可以突破反应的热力学限制,使转化率趋于100%。
这种体系必然会提高产物的收率,降低分离所需的能耗。
这就是现在所认识的膜反应器的一种,即由膜与反应器组合成的一个单元。
二、催化膜反应器的原理二、催化膜反应器的原理膜(Membrane)是一种通常以薄膜形式存在的具有特殊选择透过性的功能材料,通过筛分或控制混合体系中不同组分透过膜的相对速率而实现组分间的分离。
膜分离技术是一种新型高效的分离技术,具有分离效率高、能耗低、清洁、易操作、便于与其他技术集成等优点。
催化膜(Catalyticmembrane)具有两种含义:
其一,膜材质本身具有催化活性,如金属钯膜、银膜、活性A12O3膜等;其二,催化活性组分与惰性膜材料(作为载体)相结合,即催化剂覆盖在膜表面或分散在膜内,如钯载于微孔陶瓷或微孔耐热玻璃上。
无论是用于分离目的,使化学平衡移动;还是用于催化目的,改变反应物种的活性,都要利用膜材料的选择渗透性。
表2列出了某些催化膜材料的选择渗透性及应用效果。
表2催化膜材料选择渗透性及应用效果2反应渗透物种膜材料目的及效果催化加氢Pd金属膜Pd-Ru合金Pd-Ni合金提高反应选掸性。
例如,Pd一Ru合金维生素K4(2一甲基一3,4一双醋酸基萘)。
按传统方法需几个步骤:
2一甲基一1,4一蔡酿的Rancy镍加氢、产物分离、与醋酸酐用硫酸作为催化剂进一步反应,才得到80%的收率。
相反,用一种Pd一Ni合金,在132和0.1MPa氢表压下,使苯醌和醋酸酐的混合物加氢,一步即可得到95%的维生素K4收率。
催化脱氢Pd-Ag合金使平衡移动,提高转化率。
例如,用厚度为20m的钯膜中装有0.5wt.%PtAl2O3催化剂的反应器,在473K和0.1MPa下进行环己烷脱氢生成苯的反应,用Ar气清扫渗过钯膜的氢,在低空速时环己烷几乎可以完全转化,Pd-Rh合金Pd-Ni合金Pd-W-Ru合金Pd-Ru合金Pd金属膜而在此反应条件下,对于没有膜分离的反应器,平衡转化率只有18.7%。
催化氧化Ag膜CaO稳定的ZrO2固体电解质膜La2O3-Bi2O3膜提高选择性。
例如,用银膜进行乙醇氧化制乙醛的反应,得到83%的乙醛收率,而在同样的反应下,乙醇一氧混合物在银箔上进行氧化反应,只能得到56%的乙醛收率。
膜化学反应器,即膜与化学反应过程相结合构成的反应设备或系统,旨在利用膜的特殊功能,实现产物的原位分离、反应物的控制输入、反应与反应的耦合、相间传递的强化、反应分离过程集成等,达到提高反应转化率、改善反应选择性、提高反应速率、延长催化剂使用寿命和降低设备投资等目的。
催化膜反应器(catalyticmembranereactor)则是指采用膜作为催化材料或催化剂载体,同时膜承担分离反应物或产物的反应器,多用于气相催化反应,反应发生在膜管内或膜表面进行。
它利用膜的选择透过性,连续脱除某些反应产物,保留反应物或中间产物,以促使反应不断向生成物方向进行,提高可逆反应的转化率,减少未反应物的循环量。
催化一分离双功能膜反应器的结构原理分析:
根据传统的催化理论,多相催化过程可描述为如下的几个主要步骤:
(l)反应物分子扩散到催化剂颗粒内;
(2)在催化剂颗粒内发生化学反应;(3)产物从催化剂颗粒内扩散出来并与主气流混合,如图1所示。
而对于膜催化或膜分离过程来说,我们可类似地从图2来示其传递、反应过程。
比较图1和图2可看出,膜催化一反应的反应步骤与传统的催化反应步骤的突出差别是具有分离功能,因此完全改变了整个反应体系的性能。
从膜反应分离的原理可知,对于A十B生成C+D这类可逆化学反应,特别是受平衡限制的反应,通过将某种产物在反应进行的同时从体系分离出来,就有可能打破原来的平衡,使反向右移动,有利于提高目的产物的转化率。
图1传统的气一固多相催化反应步骤图2膜催化分离反应步骤1一反应物从气流主体向催化剂颗粒传递(外扩散);2一反应物在催化剂颗粒内孔道中传递(内扩散);3一反应物在催化剂活性位上化学吸附;4一表面化学反应;5一产物的解吸;6一产物在催化剂内孔道中传递;7一产物扩散到气流主体。
2.1加氢原理加氢原理对于传统的(非膜)催化剂来说,由于在催化剂表面上氢与加氢产物的比例沿整个催化剂床层是不同的,所以加氢反应的选择性也是不同的。
对于采用膜催化剂的催化加氢来说,氢和作用物被吸附在膜的不同边。
因此,两种反应物的浓度可独立控制,而且可以沿整个膜供给等量的氢。
Nagamoto4等人发现,当在膜的一边通入预先混合的氢和乙烯,而在另一边通入氮气所进行加氢反应,与在膜的一边只通入乙烯,另一边通入稀释的氢气所进行的加氢反应比较,后者的反应速率受透过钯膜的氢扩散过程控制,而前者取决于氢在膜表面上的吸附脱附过程。
显然,独立体系可以更好的控制氢的传递,从而提高反应转化率。
2.2脱氢机理脱氢机理脱氢反应可表示为如下的一般形式:
式中:
A为反应物,B为目的产物,C为氢气。
脱氢反应属可逆化学过程,在通常条件下,由于受热力学限制,其正向反应是不可能进行完全的。
虽然某些工艺条件(如反应温度、操作压力)可改变平衡状态,但仍不能得到高纯度的目的产物,因为这种平衡的移动是有限的。
另一方面,如能使产物中的某些组分在反应过程中分离出去,也将破坏平衡状态,使反应继续正向进行,直至完全。
在反应器构造中,用结合膜材料来分离产物中的某种组分,即能达到使化学平衡移动的目的,从而大大提高反应的转化率。
从表1和表2可看出,对于脱氢反应采用较多的膜材料是陶瓷类(如多孔耐热玻璃)和金属把及其合金膜。
但陶瓷类无机膜由于制造原因,往往渗透选择性不好,反应物和产物都能通过膜,因此,单纯的陶瓷膜反应器所能达到的反应转化率仍是有限的,相反,金属膜,特别是把膜,具有极高的氢分离选择性。
因为这种性质,在半导体和冶金工业中已用把膜来分离和净化氢,但纯把膜的机械强度不高,难于加工使用。
如果将陶瓷多孔膜和薄贵金属膜结合起来,便可得到具有渗透选择性好,机械强度高和对热稳定性好的组合膜,这种膜往往具有催化一分离双功能性。
继续阅读
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 催化 反应器 原理 应用 定稿
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)