專利名稱：一種從氣態(tài)體系中選擇性去除產(chǎn)物的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及進行化學(xué)反應(yīng)的方法和相關(guān)的反應(yīng)器。本發(fā)明尤其涉及氣態(tài)體系中的氣態(tài)組分的選擇性去除。更具體地說，本發(fā)明能夠從氣態(tài)體系中選擇性去除反應(yīng)產(chǎn)物，所述氣態(tài)體系含有反應(yīng)物和產(chǎn)物。本發(fā)明適用于多種工藝，包括合成氨、甲醇、DME、硝酸、和硫酸，所引的上述工藝僅作為非限定性的舉例。本發(fā)明還公開了適于實施所述選擇性去除工藝的反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
去除反應(yīng)產(chǎn)物是提高化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率的公知手段。通過從進行反應(yīng)的體系中去除產(chǎn)物，可提高“正向(direct)”反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，所述“正向”反應(yīng)即通常所表示的從左到右的反
應(yīng)?！ひ环N去除產(chǎn)物的現(xiàn)有技術(shù)是基于膜的選擇性滲透。例如，制氫反應(yīng)器通常利用膜的選擇性去除氫氣。膜具有微孔，其尺寸允許選擇性滲透。因此，基于膜的選擇性滲透對分子的物理尺寸很敏感，因為較小的分子能更容易地通過膜。例如，氫氣的選擇性去除是可能的，因為H2分子的尺寸小。這意味著當產(chǎn)物與反應(yīng)物的分子尺寸相當時，基于膜的系統(tǒng)的效率較差(即選擇性較差)，甚至當產(chǎn)物的分子尺寸小于一種或多種反應(yīng)物時，效率也較差。例如，氨氣(NH3)分子的尺寸為2. 90埃(A)，其介于氫氣分子尺寸(2. 83A)和氮氣分子尺寸(3. 78A)之間，因而使用常規(guī)的膜選擇性去除NH3效率是不高的，因為大量的氫氣會與氨氣一起從體系中逸出。在合成甲醇時發(fā)生同樣的情況，由于CH3OH分子的尺寸與一氧化碳和二氧化碳的分子尺寸相當，因而基于膜的選擇性去除效率不高。現(xiàn)有的基于膜的分離方法通常要求在膜的兩側(cè)之間存在驅(qū)動力。已知的驅(qū)動力有壓力差、濃度差；在電離裝置存在下使用均勻電場。EP-A-1892216公開了一種選擇性滲透膜反應(yīng)器，其中驅(qū)動力是由位于反應(yīng)器供給側(cè)和滲透側(cè)之間的氫氣分壓的差值提供的；所述差值可以實現(xiàn)，例如通過在一定的壓力下操作供給側(cè)，而所述壓力顯著高于或低于滲透側(cè)的壓力。US4762535公開了從氫氣和氮氣中分離氨，該分離借助含有選擇性鹽的分離膜，所述選擇性鹽影響氨的膜滲透，驅(qū)動力由所述膜兩側(cè)之間的分壓提供。JP2006817公開了一種基于電場、膜和電離工具的分離系統(tǒng),在該系統(tǒng)中，分子被電離并被驅(qū)使向具有相反電荷的電極靠攏；所述電場對離子產(chǎn)生作用力使其透過所述膜以實現(xiàn)所需的分離。需要注意的是，在膜的兩側(cè)缺少至少一種上述驅(qū)動力時，常規(guī)的基于膜的系統(tǒng)將無法完成任何分離。選擇性膜目前被用在(不限于)制氨和制甲醇的設(shè)備中，用于回收包含在合成回路的吹掃氣中的氫氣。所述氫氣的回收是利用選擇性膜來完成的，所述選擇性膜利用壓力差為驅(qū)動力。所述合成回路吹掃氣在高壓力下被供給至所述膜的兩側(cè)之中的一側(cè)，通常對于制氨設(shè)備所述高壓力為100 + 150巴(bar)，對于制甲醇設(shè)備為50 + 100巴(bar);所述膜的另一側(cè)在低得多的壓力下操作，例如對于制氨設(shè)備為60 + 70巴(bar)，對于制甲醇設(shè)備為25 + 60巴(bar)。所述膜兩側(cè)之間的壓力差是該方法的驅(qū)動力，兩側(cè)之間的氫氣分壓顯著不同。分子不同程度地透過所述膜，尤其是最小的分子(本例中為氫氣)以更高的濃度透過。選擇性滲透的另一種公知應(yīng)用是從空氣的其他組分中分離氧氣?？諝獗惠斔偷絺鲗?dǎo)膜的一側(cè)；該傳導(dǎo)膜的兩側(cè)均配備有產(chǎn)生電場的電極；在電場作用下，氧以O(shè)2-離子的形式通過該膜，即電子在相反的方向流動產(chǎn)生所述氧離子，所述電場作為驅(qū)動力。在所述膜的另一側(cè)氧重新獲得電子生成純氧。所述膜例如為氧化釔摻雜的二氧化鋯膜。工業(yè)使用的膜包括聚合物膜或無機膜，以及單層膜或多層膜。根據(jù)孔的尺寸，膜被命名為大孔、介孔或微孔?？壮叽缤ǔＨ缦麓罂啄さ目字辽贋?nm (納米)；介孔膜的孔為2-5nm,微孔膜的孔小于2nm。如上所述，現(xiàn)有的基于膜的分離技術(shù)的缺點為在相同或相似尺寸的氣體分子間的選擇性差；需要驅(qū)動力如膜兩側(cè)間的顯著壓力差，或為了使分子對電場敏感需要離子化。在氨或甲醇合成領(lǐng)域，反應(yīng)器的輸出流中含有大量未轉(zhuǎn)化的反應(yīng)物。為了回收至少部分所述的反應(yīng)物，輸出流的相關(guān)部分通常被再次循環(huán)到反應(yīng)器；然而，在化學(xué)反應(yīng)的壓力下壓縮回輸出流所用的功耗(power demand)影響該工藝的整體效能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。本發(fā)明的一個目的是提供一種從氣態(tài)體系中選擇性去除至少一種組分的新方法，例如從氣態(tài)體系中選擇性去除氣態(tài)產(chǎn)物，所述產(chǎn)物在該氣態(tài)體系中是與反應(yīng)物混合的。這種情況例如發(fā)生在化學(xué)反應(yīng)的中間階段。另一個目的是提供適于實施所述新方法的反應(yīng)器。本發(fā)明的構(gòu)思是利用氣體分子的誘導(dǎo)和/或永久電偶極矩(EDM)作為膜基分離的驅(qū)動力。通過使氣態(tài)體系處于空間非均勻電場中，使得偶極矩顯著高于其他分子的氣體分子通過多孔膜。本發(fā)明的第一個方面是從氣態(tài)流動體系中選擇性去除氣態(tài)產(chǎn)物的方法，該氣態(tài)流動體系含有所述產(chǎn)物和其他組分，其特征在于，所述氣態(tài)體系流動通過第一環(huán)境，所述第一 環(huán)境通過界面墻與第二環(huán)境隔開，滲透膜形成所述界面墻的至少一部分；在位于所述第一環(huán)境的一個或多個第一電極與位于所述第二環(huán)境的一個或多個第二電極之間產(chǎn)生空間非均勻電場，所述非均勻電場的電場線穿過所述滲透膜，作用于所述氣態(tài)組分粒子的介電泳力是通過所述膜進行滲透的驅(qū)動力的至少一部分，大量所述產(chǎn)物被從所述第一環(huán)境中選擇性地去除，并在所述第二環(huán)境中被收集。術(shù)語產(chǎn)物代表所述體系內(nèi)設(shè)定的氣態(tài)組分。所述產(chǎn)物可以是化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，在此氣態(tài)體系中含有所述反應(yīng)的反應(yīng)物。根據(jù)不同的實施方式，所述方法可以從相同的氣態(tài)流動體系中去除一種或多種產(chǎn)物。術(shù)語粒子代表所述氣體的分子或原子。所述第一環(huán)境例如為反應(yīng)器的一部分，所述反應(yīng)器被安裝在一個連續(xù)的工藝中。所述產(chǎn)物和/或所述氣態(tài)流動體系中的其他組分的電偶極矩，可以是永久偶極矩或誘導(dǎo)偶極矩。通過空間非均勻電場在可極化的粒子上產(chǎn)生誘導(dǎo)電偶極矩。當所述產(chǎn)物粒子具有的永久電偶極矩大于所述氣態(tài)體系中的其他組分粒子的電偶極矩時，所述方法是適用的。所述方法在以下情況下也是適用的，即所述產(chǎn)物粒子具有的極化率大于所述氣態(tài)體系中的其他組分粒子的極化率，以便通過所述非均勻電場在所述產(chǎn)物粒子上誘導(dǎo)的電偶極矩，大于通過同一電場在所述體系中的其他氣態(tài)組分上誘導(dǎo)的電偶極矩。永久偶極矩是粒子的固有特征?？蓸O化的分子是指應(yīng)用外部電場時形成電偶極矩的分子。極化率被定義為誘導(dǎo)偶極矩與形成該偶極矩的電場的比。產(chǎn)物的EDM與剩余粒子的EDM之間的差別越大，所述方法的選擇性越大。在一個優(yōu)選的實施例中，待分離產(chǎn)物分子的永久或誘導(dǎo)EDM，比所述氣態(tài)體系中任何其他分子的EDM高至少50%。更優(yōu)選地，待分離的產(chǎn)物的EDM為所述體系中任何其他分子的EDM的倍數(shù)；優(yōu)選所述倍數(shù)至少為3 ;更優(yōu)選所述倍數(shù)至少為5或更大。電偶極矩可以以德拜(Debye，D)衡量。國際單位制(SI units)換算由下式給出 IC -m (庫倫米)=2. 997924581029D。在絕對值上，待分離產(chǎn)物分子的偶極矩應(yīng)該優(yōu)選至少為
O.3D，以實現(xiàn)有效的分離。所述非均勻電場是通過所述膜選擇性滲透的驅(qū)動力的源頭。源自所述電場的驅(qū)動力可以是唯一的驅(qū)動力或為可用的總驅(qū)動力的一部分。因此，本發(fā)明不像現(xiàn)有技術(shù)的膜分離那樣純粹依賴于壓力。在本發(fā)明的一些實施方式中，所述第一環(huán)境和所述第二環(huán)境基本處于相同的壓力下，即膜兩側(cè)不存在壓力差或壓力差微小。如果存在壓力差，所述壓力差可以提供進一步的驅(qū)動力。此外，本發(fā)明不需要電離器或其等同裝置來誘導(dǎo)所述氣態(tài)體系的電離。所述空間非均勻電場優(yōu)選至少具有以下特征之一a)通過帶有給定正負符號(即正或負)的電極表面的電場線密度，大于通過相反電極表面的電場線密度；b)帶有給定正負符號的電極表面的電場強度,大于相反電極的電場強度；c)電場線是不平行的，即在不同位置電場線指向不同的方向。在一個優(yōu)選的實施方式中，具有不同形狀和/或尺寸的正電極和負電極被用于產(chǎn)生所述空間非均勻電場。例如可以通過同軸圓柱形式的電極產(chǎn)生所述非均勻電場。例如根據(jù)本發(fā)明，兩個同軸圓柱形電極可以產(chǎn)生空間非均勻電場。所述電場的梯度優(yōu)選是不均勻的，存在較高電場梯度的區(qū)域和較低電場梯度的區(qū)域。更優(yōu)選的，較高電場梯度的區(qū)域或較低電場梯度的區(qū)域?qū)?yīng)于所述兩個環(huán)境中的一個，即對應(yīng)于正電極或負電極。 所述空間非均勻電場的強度可以是恒定的或隨時間變化的。具有顯著EDM的粒子對所述電場高度敏感,而同一電場對于不具有EDM或具有很小EDM的粒子基本上是中性的。在常規(guī)基于膜的選擇性去除不理想的情況下，將上述發(fā)現(xiàn)與基于膜的分離相結(jié)合以實現(xiàn)有效的選擇性去除。在所述空間非均勻電場的驅(qū)動力下，與其他不具有EDM或具有較小EDM的分子相比，具有永久EDM或誘導(dǎo)EDM的分子以較高的速率通過所述滲透膜。本發(fā)明的一個優(yōu)選應(yīng)用，是從被包含在流動反應(yīng)環(huán)境里的反應(yīng)物中分離出氣態(tài)流動產(chǎn)物，以獲得更好的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率。本發(fā)明的應(yīng)用的非窮舉的優(yōu)選的為以下物質(zhì)的合成氨、甲醇、DME、硝酸和硫酸。氨分子和甲醇分子具有顯著的偶極矩，尤其適合本發(fā)明的應(yīng)用。下表給出了一些以德拜(D)為單位的偶極矩值。
分子偶極矩(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，可以從反應(yīng)物氮氣(N2)和氫氣(H2沖有效的分離出氨(NH3)。相比而言，常規(guī)的基于膜的體系，例如使用壓力差作為驅(qū)動力，將無法從氮氣和氫氣中分離出氨，因為氨分子的尺寸介于H2分子的尺寸和N2分子的尺寸之間。優(yōu)選的是，所述反應(yīng)物的偶極矩為零或是可忽略不計的，但即使所述產(chǎn)物的偶極矩與反應(yīng)物的偶極矩之間的小差別也可以被用來提高化學(xué)過程的效率。根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，不需要從反應(yīng)物中完全分離產(chǎn)物，即使溫和的分離(例如10%的產(chǎn)物分離)可能就足以達到提高化學(xué)反應(yīng)效率的目的。在偶極矩方面差值不顯著的情況下，可以利用極化率的差別。所述化學(xué)反應(yīng)可以在一個或多個催化劑床中進行，但這不是實施本發(fā)明所必須的。當所述化學(xué)反應(yīng)涉及到催化劑床時，本發(fā)明所述的方法可以直接在一個催化劑床中進行，或在一個催化劑床的上游或下游進行，當使用一個以上催化劑床時本發(fā)明所述的方法可以在兩個催化劑床之間進行。本發(fā)明的實施方式包括在進入下一個催化劑床之前，從催化劑床中正在進行反應(yīng)的流動反應(yīng)混合物中去除產(chǎn)物，或者從催化劑床的流出物中去除產(chǎn)物，或者從床層間換熱器中部分發(fā)生反應(yīng)的氣態(tài)流動混合物中去除產(chǎn)物。在多個催化劑床的實施方式中，去除兩個催化劑床之間的反應(yīng)產(chǎn)物，即從第一個催化劑床出來的氣態(tài)混合物中去除反應(yīng)產(chǎn)物，使得能夠向第二個催化劑床提供反應(yīng)性更高的混合物。本發(fā)明是適用的，而不用考慮催化劑床中的氣流，該氣流例如可以為軸向的、徑向的，軸向-徑向混合的、交叉的或水平的。在本發(fā)明的一些實施方式中，在所述催化劑床中嵌入有換熱器，用于等溫操作，即通過提供或去除熱量來保持所述催化劑床的溫度在給定的范圍內(nèi)。
本發(fā)明可以與電離器相結(jié)合，所述電離器會產(chǎn)生離子。電離工具可以被加入到本發(fā)明的設(shè)計中；以這種方式，介電泳力的作用和離子力(ionizing force)的作用可以互相利用以加強反應(yīng)物與產(chǎn)物之間的分離。對于該附加實施方式，必須考慮電場的方向，因為離子力具有與電場矢量相同的方向。由于從流動的體系中去除產(chǎn)物能夠增加轉(zhuǎn)化率，所以本發(fā)明的主要優(yōu)點在于反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化更好。概括地說，化學(xué)產(chǎn)物的合成階段取得了更高的效率且降低了能耗。另一個相關(guān)的優(yōu)點是反應(yīng)物的消耗更低這個優(yōu)點例如在合成甲醇領(lǐng)域和合成氨領(lǐng)域中被感覺到，在合成甲醇領(lǐng)域和合成氨領(lǐng)域中，壓縮含有反應(yīng)物的補給氣所用的電能是顯著的。再次循·環(huán)氣態(tài)產(chǎn)物所需要消耗的電能也被減小了。本發(fā)明的另一個積極效果是由于轉(zhuǎn)化產(chǎn)率更好，所述化學(xué)反應(yīng)(如果是放熱的)提供了更多的熱量。當熱量的去除產(chǎn)生有用的效果時，形成本發(fā)明的另一個優(yōu)點，例如熱量被去除，產(chǎn)生可在所述方法中使用的熱蒸汽。現(xiàn)在對所述方法進行更詳細的闡述。所述空間非均勻電場在極化的粒子上產(chǎn)生介電泳力Fdep。所述介電泳力指向電場較強的區(qū)域。這個力可以由下述公式(I)定義Fdep=(p-V)E(I)其中E為電場；p為(永久或誘導(dǎo))偶極矩矢量；▽為戴爾算符(Deloperator)?？紤]到誘導(dǎo)偶極矩取決于粒子的體積和有效極化率，公式(I)可被進一步變化，即ρ=(α+Ω) ·ν·Ε(II)其中V為粒子的體積；α為誘導(dǎo)極化率，其可以由粒子的形狀和介電性能來計算，所述介電性能包括電導(dǎo)率和介電常數(shù)，Ω為永久極化率。將公式(II)考慮進來，公式(I)可寫成 Fdep J0-^vV\-E\2( ,]表明所述電場E的符號對所述力Fdep的方向沒有影響；換句話說，即使所述電場的方向被反向了，所述力Fdep和所述極化粒子的運動將會始終以相同的方式被定向，并始終指向電場較強的區(qū)域。在某些情況下，α遠遠大于Ω ( α >> Ω )，意味著誘導(dǎo)偶極矩在大小上比永久偶極矩(如果存在)低幾個數(shù)量級。在這些情況下，誘導(dǎo)EDM可以被忽略。在本發(fā)明的所有實施方式中，為產(chǎn)生電場而施加到所述電極上的電壓優(yōu)選約為1000V，更優(yōu)選在1000-15000V (ltol5kV)范圍內(nèi)。如果在顆粒上需要較強的力Fdep和由此較高的分離，通常優(yōu)選增加電壓。所述電場的值優(yōu)選在10 + 2000kV/m的范圍。根據(jù)所附的權(quán)利要求，本發(fā)明的一個方面是適于實施所述方法的反應(yīng)器。根據(jù)優(yōu)選的實施方式，所述膜基于氧化鋁、二氧化鋯、二氧化鈦二氧化硅、碳或沸石。尤其是，氧化鋁、二氧化鋯和二氧化鈦更適合于制造介孔膜，而二氧化硅、碳和沸石更適合于制造微孔膜。
在一個優(yōu)選的實施方式中，所述膜為微孔膜，其孔徑<2nm(210_6m)。優(yōu)選地，所述電場的尺寸比所述膜的孔尺寸小幾倍，所述膜的孔允許有效電場的發(fā)展。所述膜的厚度優(yōu)選(但不局限于)大于I' ΟΟΟμπι并小于10' 000 μ m。由于更高的相關(guān)力學(xué)阻力，多層膜優(yōu)于單層膜。所述膜更優(yōu)選在至少100 + 150° C的溫度下制造，該溫度高于操作溫度以確保較高的膜穩(wěn)定性。所述反應(yīng)器可包括一個或多個正電極和一個或多個負電極。電極可為任何形式；如為棒式的細長電極、或板式或壁式的二維電極， 能實施本發(fā)明的由兩個同軸的圓柱構(gòu)成的簡單的電極布置。以所述同軸方式布置的內(nèi)部電極可以是直的導(dǎo)線。所述化學(xué)反應(yīng)器可以在壓力容器中包括一個或多個催化劑床。所述電極或至少一個電極可被設(shè)于所述催化劑床中。在一個優(yōu)選的實施方式中，所述膜形成催化劑床壁的至少一部分，從而將所述催化劑床與產(chǎn)物收集器分隔開；第一電極被設(shè)于所述催化劑床中，相反的電極位于所述催化劑床外，優(yōu)選位于所述產(chǎn)物收集器中。術(shù)語電極可以表示多個電極。因此，在使用期間，所述兩個電極之間形成的非均勻電場促進了產(chǎn)物分子從所述催化劑床向所述產(chǎn)物收集器的通過。在一個優(yōu)選的具有圓柱對稱性的實施方式中，所述催化劑床具有實質(zhì)上的環(huán)形結(jié)構(gòu)并圍繞中心管設(shè)置，所述中心管構(gòu)成所述產(chǎn)物收集器。設(shè)于所述催化劑床中的圓柱壁式元件形成所述負電極，而一個或多個正電極被設(shè)置在所述中心管內(nèi)。滲透膜在所述環(huán)形催化劑床與所述中心管之間形成界面的一部分。本發(fā)明的另一個方面是多床層合成塔的新型設(shè)置，例如對于氨合成塔或甲醇合成塔。多床層合成塔包括多個催化劑床；新鮮通入的反應(yīng)物進入第一催化劑床，然后依次進入隨后的催化劑床進一步反應(yīng)；所述反應(yīng)器還包括管殼式間接床層間換熱器，在此，來自所述催化劑床之一的部分發(fā)生反應(yīng)的氣體流出物進入所述殼側(cè)，使其在進入另一個催化劑床之前被冷卻，所述反應(yīng)器還包括用于收集最后一個催化劑床的流出物的產(chǎn)物收集器。所述合成塔的特征在于包括-滲透膜，被設(shè)置用于在所述床層間換熱器的殼側(cè)與所述產(chǎn)物收集器之間提供界面墻的至少一部分；-至少一個第一電極位于所述床層間換熱器的殼側(cè)，和至少一個第二電極位于所述產(chǎn)物收集器內(nèi)，-所述第一電極和所述第二電極具有不同的形狀，當向所述電極施加電壓時產(chǎn)生穿過所述滲透膜的空間非均勻電場。所述實施方式例如適用于現(xiàn)有的三床層、瓶式合成塔?，F(xiàn)在借助以下優(yōu)選但非限定的實施方式的描述對本發(fā)明進行闡述。將提供在合成氨設(shè)備上所實現(xiàn)的優(yōu)點的數(shù)值示例。附圖簡要說明圖I為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的從氣態(tài)混合物中去除產(chǎn)物的方法的基本示意圖，圖2為根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的軸-徑向流合成塔的示意圖。圖3為根據(jù)本發(fā)明另一個實施方式的合成塔的示意圖。圖4為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的三床層氨或甲醇合成塔的示意圖。
圖5為圖4合成塔的流程圖。圖6為為了實施本發(fā)明而對圖4合成塔的部分進行改進的示意圖。圖7為根據(jù)圖6改進的合成塔的流程圖。優(yōu)選實施方式的詳細描述參考

圖1，數(shù)字I表示第一電極，數(shù)字2表示第二電極。所述第一電極I和所述第二電極2具有不同的形狀并位于滲透膜3的兩側(cè)。所述滲透膜3具有小孔，例如微孔，一旦所述體系中存在驅(qū)動力，所述小孔允許氣體分子通過。在本例中，電極I是負的，電極2是正的，但相反的配置也以同樣的方式工作；當電極通電時，參照圖1，電場4的電場線是常規(guī)排布的，其起始于負電極I并指向正電極2，并穿過滲透膜3。由于電極I和電極2的形狀不同，所以產(chǎn)生了空間非均勻電場。尤其是，電場線在正電極2附近更緊密(即電場更強)?！に鰸B透膜3在第一環(huán)境與第二環(huán)境之間形成至少一部分界面。在本例中，所述第一環(huán)境為反應(yīng)空間S，所述第二環(huán)境為產(chǎn)物收集區(qū)域C。所述空間S和所述區(qū)域C例如可以是化學(xué)反應(yīng)器的不同環(huán)境。所述空間S還可以是兩個催化劑床之間的間隔空間。反應(yīng)空間S被供給含有反應(yīng)物的補給氣，所述反應(yīng)物的分子如R1和R2所示。在可能存在催化劑的情況下，所述反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)形成產(chǎn)物P。所述產(chǎn)物P的分子具有電偶極矩，而R1和R2則是電中性的或具有可忽略的偶極矩，例如比產(chǎn)物P的EDM小5倍。因此，P分子對所述電場4的敏感性比R1分子和R2分子敏感的多。在所述電場4的作用下，P分子受到指向正電極2的介電泳力Fdep ;因此P分子趨向于通過所述滲透膜3并在所述正電極2周圍聚集。在所述產(chǎn)物收集區(qū)域C得到含有產(chǎn)物P的氣態(tài)產(chǎn)物5這表示一定量的產(chǎn)物P被連續(xù)地從反應(yīng)空間S中去除，而流動的反應(yīng)物R1和R2趨向于留在所述環(huán)境S中，其對所述電場4不敏感，所述電場4驅(qū)動所述P分子通過所述滲透膜。如果所述空間S為反應(yīng)階段之間的間隔空間，那么所述空間S將輸送含有少量產(chǎn)物P的氣體流6，所述氣體流6在進一步的反應(yīng)階段中反應(yīng)性可以更高。如果反應(yīng)物分子例如R1由于其尺寸而被允許通過滲透膜3的孔，則在氣態(tài)產(chǎn)物5中會發(fā)現(xiàn)一定量的I。在這種情況下，常規(guī)的基于膜的分離器將會遭受反應(yīng)物R1的大量損失，反應(yīng)物R1通過了滲透膜，繞過了例如進一步的反應(yīng)階段。根據(jù)本發(fā)明，所述電場4將P分子驅(qū)向所述滲透膜，而R1分子留下并均勻分布在所述空間S中。這表示，即使通過所述滲透膜損失了一些反應(yīng)物，與常規(guī)的基于膜的技術(shù)相比，所述氣態(tài)產(chǎn)物5中的P/%的比是更為有利的。也就是說，從空間S去除產(chǎn)物P的選擇性更高，減小了有用反應(yīng)物R1的損失。例如參考氨的合成，R1為氫氣(H2), R2為氮氣(N2),產(chǎn)物P為氨(NH3)可在空間S中提供催化劑床。圖2和圖3中給出了兩個例子。圖2示出了包括圓筒形容器10的反應(yīng)器/合成塔，所述圓筒形容器10含有環(huán)形催化劑床11，其圍繞中心管12設(shè)置。催化劑床11具有上部區(qū)域IlA和下部區(qū)域11B。反應(yīng)物從入口 13進入并軸向流動通過催化劑床11。產(chǎn)物通過中心管12被收集，所述中心管12與出口 14連通。在所述催化劑床11中可設(shè)有管式或板式換熱器以維持準等溫操作。軸向流反應(yīng)器的這種設(shè)置是已知的，不再進一步描述。在所述催化劑床11內(nèi)設(shè)有圓柱壁式的負電極I。多個正電極2被置于所述中心管12內(nèi)。所述正電極2的形狀與所述負電極I的形狀不同。滲透膜3在催化劑床11與中心管12之間形成界面的一部分。圖2為具有多個正電極的實施方式的例子。通常，電場的任何正極和/或負極可以由一個或多個電極構(gòu)成。使用時，含有反應(yīng)物的補給氣20從入口 13進入，其在催化劑床11中從合成塔頂部軸向向下流動到合成塔底部的過程中被逐漸轉(zhuǎn)化。大量的通過所述滲透膜3的中間徑向流21，和底部流22形成產(chǎn)物流23 ;在某些工業(yè)合成塔中，只有底部流22提供了出口的氣體混合物。反應(yīng)物的濃度通過催化劑床11由頂部到底部逐漸減少，同時產(chǎn)物的濃度增加。中間流21的目的是從所述催化劑床中去除至少一些產(chǎn)物，以避免所述催化劑床的下部區(qū)域IlB中的產(chǎn)物濃度過高(即避免降低反應(yīng)速度)。由外部電極I指向內(nèi)部電極2的電場4允許中間徑向流21中的產(chǎn)物濃度較高。沒有所述電場的情況下，大量反應(yīng)物會通過滲透膜3逸出，更多的產(chǎn)物會到達下部區(qū)域11B，有兩個負面影響所述催化劑床下部區(qū)域IlB中的轉(zhuǎn)化率更低，產(chǎn)物流23的純度更低。得益于本發(fā)明，基于膜的產(chǎn)物的分離選擇性更高，所述催化劑床下部區(qū)域IlB中的轉(zhuǎn)化率比現(xiàn)有技術(shù)的更高。圖3為氨合成塔的典型實施方式。產(chǎn)物(例如氨)的選擇性去除發(fā)生在位于兩個環(huán) 形催化劑床31和32之間的換熱器內(nèi)，所述兩個環(huán)形催化劑床31和32位于容器10內(nèi)。電極I和滲透膜3為圓柱形元件，被同軸設(shè)置在第一催化劑床31的出口。合適的換熱元件例如用于冷卻氣態(tài)產(chǎn)物的元件被設(shè)置在電極I與滲透膜3之間。電極2設(shè)置在中心管12內(nèi)，如之前圖2的例子。第一催化劑床31的流出物33被導(dǎo)至位于下部的第二催化劑床32。在這種情況下，本發(fā)明的好處是更好地利用第二催化劑床32。得益于不同形狀電極產(chǎn)生的非均勻電場所提供的驅(qū)動力，氣體在催化劑床31內(nèi)反應(yīng)后被冷卻，同時產(chǎn)物氨通過位于內(nèi)部換熱器的滲透膜3與反應(yīng)物部分分離。未反應(yīng)的氣體從所述換熱器排出，隨后被送到第二催化劑床32，在所述第二催化劑床32較高的反應(yīng)物/產(chǎn)物比使反應(yīng)平衡向產(chǎn)物移動。
實施例給出本發(fā)明應(yīng)用于三床層冷激式合成塔的實施例。圖4公開了根據(jù)冷激式交換器設(shè)計的瓶式合成塔。該合成塔是已知的，例如見US4735780，在此不進行詳細描述。圖5公開了該合成塔的流程圖?；旧?，該合成塔包括容器130，催化劑筐131，所述催化劑筐含有三個催化劑床132、133和134 ;管殼式頂部預(yù)熱器135，被位于第二催化劑床133與第三催化劑床134之間的氣體流過的床層間換熱器136。所述床層間換熱器136為管束式換熱器。進料氣體流101通過容器的底部噴嘴137進入合成塔，在容器130與催化劑筐131之間的環(huán)形空間138內(nèi)向上流動。到達合成塔的頂部后，進料氣體進入頂部預(yù)熱器135的殼側(cè)，通過冷卻熱的產(chǎn)物氣體108(圖5)而被預(yù)熱。得到的預(yù)熱后的新鮮氣體與氣體流113混合，所述氣體流113來自床層間換熱器136的管側(cè)?；旌衔锏臏囟瓤赏ㄟ^新鮮氣體的支路112來控制。氣體流103是預(yù)熱過的新鮮氣體、所述氣體流113和所述支路112混合的結(jié)果。所述氣體流103進入上部第一催化劑床132并在此進行部分反應(yīng)。離開第一催化劑床132后，部分發(fā)生了反應(yīng)的氣體流104被新鮮氣體110冷激；冷激后的氣體105流經(jīng)中間第二催化劑床133。所述第二催化劑床133的輸出流106在進入第三催化劑床134之前，在床層間換熱器136的殼側(cè)通過加熱進料氣體的平衡流111而被冷卻，所述進料氣體的平衡流111在換熱器136的管內(nèi)流動并形成之前所述的氣體流113。冷卻的、部分反應(yīng)了的氣體107在第三催化劑床134內(nèi)進一步反應(yīng)，其中所述冷卻的、部分反應(yīng)了的氣體107為反應(yīng)物與產(chǎn)物的混合物。離開第三催化劑床134后，氣體流108已被轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物氣體，并流經(jīng)頂部預(yù)熱器135的管側(cè)以預(yù)熱新鮮通入的反應(yīng)物102。冷卻后的氣體流109為該合成塔輸送出的產(chǎn)物氣體流。熱的產(chǎn)物流108在中心管140內(nèi)被收集，并通過所述中心管被從底部催化劑床134的出口導(dǎo)向到上部預(yù)熱器135。管壁141為分隔所述中心管140與床層間環(huán)形換熱器136(圖4)的界面墻。以下表I和表2為含有流速和溫度的例子。
權(quán)利要求
1.一種從氣態(tài)體系中選擇性去除氣態(tài)產(chǎn)物(P)的方法，所述氣態(tài)體系含有所述產(chǎn)物和其他組分(Rl，R2)，其特征在于，所述氣態(tài)體系進入第一環(huán)境，所述第一環(huán)境通過界面墻與第二環(huán)境隔開，滲透膜(3，300)形成所述界面墻的至少一部分；位于所述第一環(huán)境的一個或多個第一電極(I，301)與位于所述第二環(huán)境的一個或多個第二電極(2, 302)之間產(chǎn)生空間非均勻電場(4)，所述非均勻電場的電場線穿過所述滲透膜，作用于所述氣態(tài)組分(P)粒子的介電泳力為通過所述膜滲透的驅(qū)動力的至少一部分，大量的所述產(chǎn)物(P)被從所述第一環(huán)境中選擇性地去除，并在所述第二環(huán)境中被收集。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，所述產(chǎn)物(P)粒子具有的永久電偶極矩大于所述氣態(tài)體系中其他組分(R1, R2)粒子的電偶極矩。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，所述產(chǎn)物(P)粒子具有的極化率大于所述氣態(tài)體系中其他組分(R1, R2)粒子的極化率，以便所述非均勻電場在所述產(chǎn)物(P)粒子上誘導(dǎo)的電偶極矩，大于同一電場在所述體系其他組分上誘導(dǎo)的電偶極矩。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的方法，所述產(chǎn)物(P)的永久電偶極矩或誘導(dǎo)電偶極矩，比所述氣態(tài)體系其他組分的永久電偶極矩或誘導(dǎo)電偶極矩至少大50%，優(yōu)選至少大3倍。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，所述第一電極的形狀與所述第二電極不同，所以所述電場是非均勻的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法,所述電場具有從第一電極到第二電極的放射狀的電場線，所述第一電極為圓柱，所述第二電極為與所述第一電極同軸的圓柱或?qū)Ь€。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，所述第一環(huán)境和所述第二環(huán)境基本處于相同的壓力下。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，所述電極上施加的電壓為1000-15000V范圍。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，所述空間非均勻電場的強度范圍為10+ 2000kV/m范圍。
10.根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，所述待去除的產(chǎn)物為化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，所述氣態(tài)體系的其他組分包括所述化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物，所述產(chǎn)物的選擇性去除直接在所述反應(yīng)的一個催化劑床中進行，或在一個催化劑床的上游或下游、或在兩個催化劑床之間進行。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，所述產(chǎn)物為氨、甲醇、DME、硝酸和硫酸中的任意一種。
12.一種化學(xué)反應(yīng)器，包括 -入口(13，137)，用于通入反應(yīng)物， -反應(yīng)空間和產(chǎn)物收集器(12，140)， -滲透膜(3，300)，用于在所述反應(yīng)器內(nèi)的第一環(huán)境與第二環(huán)境之間提供界面墻的至少一部分， -所述第一環(huán)境為所述反應(yīng)空間的一部分，或者為所述反應(yīng)器內(nèi)填充有反應(yīng)物或反應(yīng)物和產(chǎn)物的混合物且位于相鄰反應(yīng)空間之間的中間位置處的環(huán)境，所述第二環(huán)境為產(chǎn)物收集器或其一部分， -所述反應(yīng)器包括至少一個第一電極和一個第二電極，所述第一電極位于所述第一環(huán)境，所述第二電極位于所述第二環(huán)境， -所述第一電極與所述第二電極具有不同的形狀，當向所述電極施加電壓時產(chǎn)生穿過所述滲透膜的空間非均勻電場。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的反應(yīng)器，所述膜選自基于以下的材料氧化鋁、二氧化鋯、二氧化鈦二氧化硅、碳或沸石。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13的反應(yīng)器，所述電極為棒式的細長電極，或為板式或壁式的二維電極，或為兩個同軸的圓柱，或為直導(dǎo)線形成的內(nèi)部電極和與所述導(dǎo)線同軸的圓柱形成的外部電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求12-14任一所述的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括催化劑床(11)，所述催化劑床(11)具有實質(zhì)上的環(huán)形結(jié)構(gòu)并圍繞中心管(12)設(shè)置，所述中心管(12)構(gòu)成所述產(chǎn)物收集器，所述負電極為圓柱壁式元件(I)并被設(shè)于所述催化劑床中，一個或多個正電極(2)被設(shè)置在所述中心管內(nèi)，所述滲透膜(3)在所述環(huán)形催化劑床(11)與所述中心管(12)之間形成界面的一部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-14任一所述的反應(yīng)器，包括上催化劑床(31)和下催化劑床(32)，二者都具有環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述上催化劑床和下催化劑床圍繞中心產(chǎn)物收集器管(12)設(shè)置，所述電極(I，2 )和所述滲透膜(3 )被同軸設(shè)置在所述第一催化劑床(31)的出口和所述第二催化劑床(32)的入口。
17.根據(jù)權(quán)利要求12-14任一所述的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器為多床層合成塔，包括多個催化劑床(132-134)，其中新鮮通入的反應(yīng)物進入第一催化劑床(132)，然后依次進入隨后的催化劑床進一步反應(yīng)，所述反應(yīng)器還包括管殼式間接床層間換熱器(136)，在此，來自所述催化劑床之一的部分發(fā)生反應(yīng)的氣體流出物進入所述殼側(cè)，使其在進入另一個催化劑床之前被冷卻，所述反應(yīng)器還包括用于收集最后一個催化劑床的流出物的產(chǎn)物收集器(140)，其特征在于包括 -滲透膜(300)，被設(shè)置用于在所述床層間換熱器的殼側(cè)與所述產(chǎn)物收集器之間提供界面墻的至少一部分； -至少一個第一電極(301)，位于所述床層間換熱器的殼側(cè)，和至少一個第二電極(302)，位于所述產(chǎn)物收集器內(nèi)， -所述第一電極和所述第二電極具有不同的形狀，當向所述電極施加電壓時產(chǎn)生穿過所述滲透膜的空間非均勻電場。
全文摘要
一種從氣態(tài)體系中選擇性去除氣態(tài)產(chǎn)物(P)的方法，該氣態(tài)體系含有所述產(chǎn)物和其他組分(R1，R2)，其特征在于，所述氣態(tài)體系進入第一環(huán)境，所述第一環(huán)境通過界面墻與第二環(huán)境隔開，滲透膜(3，300)形成所述界面墻的至少一部分；位于所述第一環(huán)境的一個或多個第一電極(1，301)與位于所述第二環(huán)境的一個或多個第二電極(2，302)之間產(chǎn)生空間非均勻電場(4)，所述非均勻電場的電場線穿過所述滲透膜，作用于所述氣態(tài)組分(P)粒子的介電泳力為通過所述膜滲透的驅(qū)動力的至少一部分，大量的所述產(chǎn)物(P)被從所述第一環(huán)境中選擇性地去除，并在所述第二環(huán)境中被收集。
文檔編號B01D63/06GK102958594SQ201180032948
公開日2013年3月6日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者塞爾喬·潘沙 申請人:阿莫尼·卡薩爾公司