图15-5 惰性膜和膜催化反应器
1.催化膜反应器 催化膜反应器是将催化反应和膜分离过程相结合，它通过及时将反应器中的部分物质分离出反应器来提高反应的选择性或产品的收率。根据膜本身是否参与反应可将膜分为惰性膜和催化膜，如图15-5所示。惰性膜本身不参与反应，膜本身只起分离作用，反应和分离在不同的单元内分别完成，反应物在反应器内反应，随之进入膜分离器，分离出产物，剩余的反应物循环进入反应器内继续反应，该过程属于反应与分离的集成过程。催化膜本身载有催化剂，反应和分离都在膜内发生、完成，为反应与分离的耦合过程。
膜催化反应器通常是指耐高温的无机膜反应器。图15-6为不同装填形式的无机膜反应器。图15-6（a）为催化剂填充在无活性但有选择透过性的膜内，反应发生在填充了催化剂的一侧。图15-6（b）中膜既具有催化活性又具有选择透过性，反应就在膜本体上进行，生成的反应物可选择性的被膜移走。图15-6（c）膜本身具有催化活性，膜内也填充了催化剂，增强了催化反应，提高反应转化率。15-6（d）中膜具有催化活性但无选择性，该反应器通过调节物料流速和压力来控制反应物或产物的渗透。15-6（e）为电解质膜，膜的渗透性基于离子或电子的传导速度，通常的分子渗透伴随着反应的发生。
目前，催化膜反应器的研究还未达到广泛应用的阶段，但在石化领域，如环己烷脱氢、乙苯脱氢、低碳链烷烃脱氢、烃类选择氧化等，还是具有潜在的应用前景。
图15-6 常用无机膜反应器类型(www.xing528.com)
图15-7 各种渗透气化膜反应器
2.渗透汽化膜反应器 渗透汽化膜反应器是将反应与渗透汽化过程相集合的过程，通过渗透汽化将产物与反应物分离。根据其结合方式，渗透汽化膜反应器可分为外置式和内置式两种类型，其中外置式反应器将反应和膜器分开，为反应与分离的集成过程；内置式反应器则将膜器置于反应釜中，反应与分离在同一时间同一地点进行，为反应与分离的耦合过程。根据进料方式及流动方式，还可将渗透汽化反应器分为平推流渗透汽化膜反应器、全混流渗透汽化膜反应器、间歇式渗透汽化膜生物反应器、循环式平推流渗透汽化膜反应器、循环式全混流渗透汽化膜反应器和循环间隙式渗透汽化膜反应器几种，图15-7所示。其中，平推流渗透汽化膜反应器、全混流渗透汽化膜反应器和间歇式渗透汽化膜生物反应器为渗透汽化与反应器的耦合过程，循环式平推流渗透汽化膜反应器、全混流渗透汽化膜反应器及间歇式渗透汽化膜生物反应器为渗透汽化与反应器的集成过程。渗透汽化膜反应器主要用于反应脱水，如酯化反应脱水、醚化反应脱水和生化反应脱水等。图15-8为Brüschke提出的渗透汽化和酯化反应的集成工艺。1号反应器为釜式反应器，酯化反应产物通过1号膜组件脱除部分水；部分截留液返回1号反应器，部分截留液进入2号膜组件，进一步脱水后全部进入2号反应器；2号反应器操作在连续串联状态，出口液经和1号反应器相同的渗透汽化膜过程处理后进入后续过程。该工艺能将酯化反应的转化率提高至97%，产物水含量低于0.5%。1994年前后在中等规模工厂的不同酯化过程中得到应用。渗透汽化膜反应器不仅用于化学反应，还被应用于生化反应中，如发酵法生产乙醇和酶催化反应脱水，图15-9为中空纤维渗透汽化膜反应器实现酶催化癸酸和十二醇的酯化反应。在此流程中，渗透汽化膜过程脱除了大部分的水蒸气，使酯的产率高达97%。
图15-8 渗透气化和酯化反应的集成工艺
图15-9 用于酶催化反应的中空纤维渗透汽化膜反应器
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