專利名稱：一種炭膜反應(yīng)器及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及膜分離和化學(xué)工程等領(lǐng)域，具體指一種膜反應(yīng)器及其使用方法。

背景技術(shù)：
近年來，將膜分離與反應(yīng)過程耦合組裝成膜反應(yīng)器的發(fā)展非常迅速。膜反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)過程和分離過程的集成，可在化學(xué)反應(yīng)過程中選擇性地移除某種產(chǎn)物，突破熱力學(xué)對(duì)化學(xué)反應(yīng)平衡的限制，從而提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、選擇性和收率。膜材料是膜反應(yīng)器的核心部件，它直接決定了膜反應(yīng)器的性能和應(yīng)用。由于很多化學(xué)反應(yīng)都要求達(dá)到一定的壓力和溫度才能順利進(jìn)行，所以常規(guī)的聚合物膜分離材料顯然無法勝任。因此人們把目光轉(zhuǎn)向了具有良好耐高溫、耐高壓和分離性能的無機(jī)膜材料，如陶瓷、沸石、金屬和炭等。對(duì)于陶瓷和不銹鋼膜材料來說，孔徑分布范圍比較大，且難以得到平均孔徑小于5nm的材料，限制了其在某些分離領(lǐng)域的應(yīng)用(Soria R.Catalysis Today，1995，25(3-4)285-290.)；而對(duì)于沸石材料來說，本身質(zhì)地脆易碎，不容易形成大面積連續(xù)的膜，往往需要多次成膜過程，導(dǎo)致膜層較厚且不均勻，從而增大待分離物質(zhì)的擴(kuò)散和滲透阻力(Ismail A F，David L I B.J.Membr.Sci.，2001，193(1)1-18；Sedigh M G，Onstot W J，Xu L，et al.J.PhysChem.A 1998，102(44)8580-8589.)。常用的金屬鈀膜材料一方面比較昂貴，另一方面當(dāng)反應(yīng)體系中含有氫氣或H2S等物質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生作用而使分離效果不佳，甚至產(chǎn)生危險(xiǎn)(Damle A S，Gangwal S K，Venkataraman V K.Gasseparation and purification，1994，8(3)137-147.)。
炭膜是一種多孔無機(jī)膜，除了具有其它膜材料的高效、節(jié)能、操作方便等優(yōu)點(diǎn)外，它還具有許多更誘人的優(yōu)點(diǎn)，如耐熱、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、使用壽命長、分離性能高、孔徑分布集中、可調(diào)性好、易于采用多種方法制備大面積連續(xù)的膜。當(dāng)前，國內(nèi)外在炭膜制備方面的工藝技術(shù)已經(jīng)日漸成熟。研究者們先后開發(fā)出了管狀炭膜，平板狀炭膜，中空纖維狀炭膜(Saufi S M，etal.，Carbon，2004，42(2)241-259.)及卷式炭膜(一種卷式炭膜及其制備方法，中國專利，200810012222)。炭膜在飲用水凈化(Bauer J M，et al.，KeyEngineering Materials，1991，(61-62)207-212.)、啤酒無菌過濾(王同華，等，新型炭材料，2000，15(1)6-11.)、化工廢水的處理(王細(xì)鳳，等，膜科學(xué)與技術(shù)，2001，21(6)59-62；Damle A S.，Gas Sep.Pur.，1994，8(3)137-147.；Bauer J M，etal.，Key Engineering Materials，1991，(61-62)207-212.)、氣體混合物N2/O2、CO2/N2、CO2/CH4、H2/N2、烷烴/烯烴等的分離與富集(Suda H，et al.，J.Phys.Chem.B，1997，101(20)3988-3994；Kita H，et al.，J.Polym.Environ.，2002，10(3)69-75；Hayashi J，et al.，Ind.Eng.Chem.Res.，1996，35(11)4176-4181.)，及膜催化反應(yīng)過程(Rao M B，et al.，J.Membr.Sci.，1996，110(1)109-118.)等領(lǐng)域都具有較好的應(yīng)用前景，已成為當(dāng)前膜分離和化學(xué)工程等領(lǐng)域的研究與開發(fā)熱點(diǎn)。因此，炭膜是最有希望成為大面積工業(yè)化的膜反應(yīng)器材料之一。
但是，當(dāng)前多孔炭膜的研究工作很多都集中在前驅(qū)體的選擇、成膜方法和改善分離性能等方面，而對(duì)于應(yīng)用方面的報(bào)導(dǎo)則還停留在理論分析與初步探討上，難以指導(dǎo)實(shí)際工業(yè)應(yīng)用和生產(chǎn)過程(兩步固化法制備酚醛樹脂基炭膜，中國專利，02144662；一種煤基炭膜的調(diào)孔方法，中國專利，03134196；中間相炭微球基管式炭膜及其制備方法，中國專利，200710058369；Porouscarbon-carbon composite filtering membrane support with a carbon fibre matsubstrate，美國專利，5238568；Manufacture of porous carbon membranes，美國專利，4919860)。鑒于此，本發(fā)明人經(jīng)過系統(tǒng)深入的研究工作提出并開發(fā)了一種炭膜反應(yīng)器及其應(yīng)用。


發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是以具有分離性能的炭膜作為核心材料，將其組裝成膜反應(yīng)器，用于化學(xué)反應(yīng)過程，通過在反應(yīng)過程中選擇性地移除體系中某些組分而打破化學(xué)平衡的限制，從而提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率，收率和選擇性。
技術(shù)方案本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)施的 一種炭膜反應(yīng)器，包括反應(yīng)器外殼，無缺陷炭膜，其特征在于反應(yīng)器外殼上帶有反應(yīng)物入料口、反應(yīng)物出料口、吹掃氣入口、吹掃氣出口；無缺陷炭膜與反應(yīng)器外殼連接，在反應(yīng)器外殼內(nèi)部形成相對(duì)獨(dú)立的空腔，其中與反應(yīng)物入料口、反應(yīng)物出料口相通的空腔為進(jìn)料側(cè)，與吹掃氣入口、吹掃氣出口相通的空腔為滲透側(cè)；在無缺陷炭膜內(nèi)部填充催化劑或在無缺陷炭膜上面鋪設(shè)催化劑。
所述無缺陷炭膜為平板狀、管狀或者中空纖維狀。
所述無缺陷炭膜與反應(yīng)器外殼通過炭膜連接管或炭膜連接板連接。
所述反應(yīng)器外殼材質(zhì)為不銹鋼、陶瓷、銅或者金屬合金。
所述無缺陷炭膜與反應(yīng)器外殼為密封連接，連接方式為高溫密封膠、石墨墊圈、石墨卡套或者焊接。
當(dāng)存在多個(gè)進(jìn)料側(cè)時(shí)，在多個(gè)進(jìn)料側(cè)與反應(yīng)物入料口、反應(yīng)物出料口之間通過物料分布器連接。
所述無缺陷炭膜的前軀體為聚酰亞胺、聚糠醇、酚醛樹脂、聚丙烯腈、聚苯醚或者纖維素，炭化氣氛為惰性氣體或者真空，炭化溫度為400～1000℃，無缺陷炭膜支撐體為炭質(zhì)、陶瓷、石墨、中空纖維或者不銹鋼材料，成膜方法為涂覆或者噴涂或者超聲波沉積或者化學(xué)氣相沉積。
一種炭膜反應(yīng)器的使用方法，其特征在于所述應(yīng)用方法為 將無缺陷炭膜與反應(yīng)器外殼密封連接在一起，形成相對(duì)獨(dú)立的空腔，其中與反應(yīng)器外殼上的反應(yīng)物入料口、反應(yīng)物出料口相通的空腔為進(jìn)料側(cè)，與反應(yīng)器外殼上的吹掃氣入口)、吹掃氣出口相通的空腔為滲透側(cè)；并且這兩種空腔只能通過無缺陷炭膜的多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行物質(zhì)傳遞；在進(jìn)料側(cè)填加反應(yīng)物料，當(dāng)進(jìn)料側(cè)的溫度和壓力達(dá)到所需的反應(yīng)條件后，反應(yīng)物料在進(jìn)料側(cè)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；同時(shí)，生成物中的組分通過無缺陷炭膜的多孔通道傳遞到滲透側(cè)，并被通入到滲透側(cè)的吹掃氣帶走；由于生成物總物質(zhì)量減少，因此打破了封閉體系的熱力學(xué)對(duì)化學(xué)反應(yīng)平衡的限制，使反應(yīng)繼續(xù)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，從而提高化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性；而反應(yīng)完的物料從反應(yīng)物出料口流出炭膜反應(yīng)器。
可采用所述炭膜反應(yīng)器的使用方法進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)有水煤氣轉(zhuǎn)換、環(huán)己烷脫氫、異丁烷脫氫和甲醇水蒸氣重整制氫。
優(yōu)點(diǎn)及效果采用上述方案，可以在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)分離的集成，并同時(shí)提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性；縮短了生產(chǎn)工藝，降低了設(shè)備和產(chǎn)品成本。



圖1為本發(fā)明的管狀炭膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的管狀炭膜反應(yīng)器的俯視圖； 圖3為平板狀炭膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為平板狀炭膜反應(yīng)器的俯視圖； 圖5為中空纖維狀炭膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為中空纖維狀炭膜反應(yīng)器的俯視圖； 附圖標(biāo)記說明 1、無缺陷炭膜 2、反應(yīng)器外殼 3、進(jìn)料側(cè) 4、滲透側(cè) 5、炭膜連接管 6、反應(yīng)物入料口 7、反應(yīng)物出料口 8、吹掃氣入口 9、吹掃氣出口10、催化劑 11、物料分布器 12、炭膜連接板。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說明 圖1為本發(fā)明的管狀炭膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本發(fā)明的管狀炭膜反應(yīng)器的俯視圖；如圖所示，在圓柱體狀的反應(yīng)器外殼2軸向上端有反應(yīng)物入料口6，相對(duì)應(yīng)另一端有反應(yīng)物出料口7；在反應(yīng)器外殼2徑向上端有吹掃氣入口8，下端有吹掃氣出口9；將管狀的無缺陷炭膜1通過炭膜連接管5與反應(yīng)器外殼2密封連接，連接方式根據(jù)需要選擇高溫密封膠、墊圈、卡套或焊接，反應(yīng)器外殼2的材質(zhì)根據(jù)需要選用不銹鋼、陶瓷、銅或者金屬合金；在無缺陷炭膜1內(nèi)部形成空腔，為進(jìn)料側(cè)3，在無缺陷炭膜1與反應(yīng)器外殼2間形成另外的兩個(gè)空腔，為滲透側(cè)4；進(jìn)料側(cè)3與反應(yīng)物入料口6、反應(yīng)物出料口7相通；滲透側(cè)4與吹掃氣入口8、吹掃氣出口9相通；在進(jìn)料側(cè)3內(nèi)部填充催化劑10，讓反應(yīng)物料從反應(yīng)物入料口6進(jìn)入進(jìn)料側(cè)3空腔內(nèi)，在給定的反應(yīng)溫度與壓力下控制物料與催化劑10接觸時(shí)間，進(jìn)行連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)；在反應(yīng)過程中，產(chǎn)物中的較小分子或者吸附性較強(qiáng)的組分可以通過無缺陷炭膜1的多孔結(jié)構(gòu)滲透到滲透側(cè)4的空腔內(nèi)，并隨著滲透側(cè)4內(nèi)通入的持續(xù)吹掃氣帶出炭膜反應(yīng)器；而反應(yīng)完的物料從反應(yīng)物出料口7流出炭膜反應(yīng)器；進(jìn)料側(cè)3和滲透側(cè)4空腔內(nèi)物質(zhì)的組成通過氣相色譜或液相色譜測定；根據(jù)物料衡算，得到反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性。
本發(fā)明無缺陷炭膜1的前軀體為聚酰亞胺、聚糠醇、酚醛樹脂、聚丙烯腈、聚苯醚或者纖維素，炭化氣氛為惰性氣體或者真空，炭化溫度為400～1000℃，無缺陷炭膜1支撐體為炭質(zhì)、陶瓷、石墨、中空纖維或者不銹鋼材料，成膜方法為涂覆或者噴涂或者超聲波沉積或者化學(xué)氣相沉積。
可采用本發(fā)明所述炭膜反應(yīng)器的應(yīng)用方法進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)有水煤氣轉(zhuǎn)換、環(huán)己烷脫氫、異丁烷脫氫和甲醇水蒸氣重整制氫。
圖3為平板狀炭膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為平板狀炭膜反應(yīng)器的俯視圖；如圖所示，在反應(yīng)器外殼2上部一端有反應(yīng)物入料口6，另一端有反應(yīng)物出料口7；在反應(yīng)器外殼2下部一端有吹掃氣入口8，另一端有吹掃氣出口9；將平板狀的無缺陷炭膜1通過炭膜連接板12與反應(yīng)器外殼2密封連接，連接方式根據(jù)需要選擇高溫密封膠、墊圈、卡套或焊接，反應(yīng)器外殼2的材質(zhì)根據(jù)需要選用不銹鋼、陶瓷、銅或者金屬合金；在無缺陷炭膜1與反應(yīng)器外殼2之間形成兩個(gè)空腔，其中一個(gè)空腔與反應(yīng)物入料口6、反應(yīng)物出料口7相通，為進(jìn)料側(cè)3；另一個(gè)空腔與吹掃氣入口8、吹掃氣出口9相通，為滲透側(cè)4；在平板狀的無缺陷炭膜1上鋪設(shè)催化劑10，讓反應(yīng)物料從反應(yīng)物入料口6進(jìn)入進(jìn)料側(cè)3空腔內(nèi)，在給定的反應(yīng)溫度與壓力下控制物料與催化劑10接觸時(shí)間，進(jìn)行連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)；在反應(yīng)過程中，產(chǎn)物中的較小分子或者吸附性較強(qiáng)的組分可以通過無缺陷炭膜1的多孔結(jié)構(gòu)滲透到滲透側(cè)4的空腔內(nèi)，并隨著滲透側(cè)4內(nèi)通入的持續(xù)吹掃氣帶出炭膜反應(yīng)器；而反應(yīng)完的物料從反應(yīng)物出料口7流出炭膜反應(yīng)器；進(jìn)料側(cè)3和滲透側(cè)4空腔內(nèi)物質(zhì)的組成通過氣相色譜或液相色譜測定；根據(jù)物料衡算，得到反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性。
本發(fā)明無缺陷炭膜1的前軀體為聚酰亞胺、聚糠醇、酚醛樹脂、聚丙烯腈、聚苯醚或者纖維素，炭化氣氛為惰性氣體或者真空，炭化溫度為400～1000℃，無缺陷炭膜1支撐體為炭質(zhì)、陶瓷、石墨、中空纖維或者不銹鋼材料，成膜方法為涂覆或者噴涂或者超聲波沉積或者化學(xué)氣相沉積。
可采用本發(fā)明所述炭膜反應(yīng)器的應(yīng)用方法進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)有水煤氣轉(zhuǎn)換、環(huán)己烷脫氫、異丁烷脫氫和甲醇水蒸氣重整制氫。
圖5為中空纖維狀炭膜反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為中空纖維狀炭膜反應(yīng)器的俯視圖；如圖所示，在圓柱體狀的反應(yīng)器外殼2軸向上端有反應(yīng)物入料口6，相對(duì)應(yīng)另一端有反應(yīng)物出料口7；在反應(yīng)器外殼2徑向上端有吹掃氣入口8，下端有吹掃氣出口9；將中空纖維狀的無缺陷炭膜1通過高溫密封膠、墊圈、卡套或焊接的方式與反應(yīng)器外殼2密封連接，在無缺陷炭膜1內(nèi)部形成空腔，為進(jìn)料側(cè)3，在無缺陷炭膜1與反應(yīng)器外殼2之間形成另一種空腔，為滲透側(cè)4；其中進(jìn)料側(cè)3與反應(yīng)物入料口6、反應(yīng)物出料口7之間通過物料分布器11連接，滲透側(cè)4與吹掃氣入口8、吹掃氣出口9相通；在進(jìn)料側(cè)3內(nèi)部填充催化劑10，讓反應(yīng)物料從反應(yīng)物入料口6進(jìn)入進(jìn)料側(cè)3空腔內(nèi)，在給定的反應(yīng)溫度與壓力下控制物料與催化劑10接觸時(shí)間，進(jìn)行連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)；在反應(yīng)過程中，產(chǎn)物中的較小分子或者吸附性較強(qiáng)的組分可以通過無缺陷炭膜1的多孔結(jié)構(gòu)滲透到滲透側(cè)4的空腔內(nèi)，并隨著滲透側(cè)4內(nèi)通入的持續(xù)吹掃氣帶出炭膜反應(yīng)器；而反應(yīng)完的物料從反應(yīng)物出料口7流出炭膜反應(yīng)器；進(jìn)料側(cè)3和滲透側(cè)4空腔內(nèi)物質(zhì)的組成通過氣相色譜或液相色譜測定；根據(jù)物料衡算，得到反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性。
本發(fā)明無缺陷炭膜1的前軀體為聚酰亞胺、聚糠醇、酚醛樹脂、聚丙烯腈、聚苯醚或者纖維素，炭化氣氛為惰性氣體或者真空，炭化溫度為400～1000℃，無缺陷炭膜1支撐體為炭質(zhì)、陶瓷、石墨、中空纖維或者不銹鋼材料，成膜方法為涂覆或者噴涂或者超聲波沉積或者化學(xué)氣相沉積。
可采用本發(fā)明所述炭膜反應(yīng)器的應(yīng)用方法進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)有水煤氣轉(zhuǎn)換、環(huán)己烷脫氫、異丁烷脫氫和甲醇水蒸氣重整制氫。
下面為結(jié)合本發(fā)明所進(jìn)行的具體實(shí)施例 實(shí)施例1 以酚醛樹脂為前軀體通過浸滯法在直徑為11mm、厚度為1.5mm的多孔燒結(jié)不銹鋼支撐體外側(cè)上成膜，通過固化和600℃氬氣中熱解制備得到無缺陷炭膜；采用圖1、圖2所示的管狀炭膜反應(yīng)器，將此無缺陷炭膜通過焊接方式連接在不銹鋼反應(yīng)器外殼上的中空管上，進(jìn)行甲醇重整制氫反應(yīng)。在無缺陷炭膜管內(nèi)空腔填充Cu/ZnO/Al2O3催化劑；用微量計(jì)量泵將甲醇和水的混合液以0.02mL/min的進(jìn)料速度用惰性載氣(N2)帶入反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。在無缺陷炭膜管與反應(yīng)器外殼之間形成的滲透側(cè)用Ar作為吹掃氣，將反應(yīng)過程中生成并優(yōu)先滲透過來的氣體分子帶出反應(yīng)體系。待系統(tǒng)反應(yīng)穩(wěn)定后，通過氣相色譜檢測從進(jìn)料側(cè)出口和滲透側(cè)出口流出物的組成。并通過物料衡算，得到甲醇的轉(zhuǎn)化率、氫氣的收率和反應(yīng)的選擇性。具體反應(yīng)條件和數(shù)據(jù)如下表所示 實(shí)施例2 以聚酰亞胺為前軀體制備的長度為150mm的中空纖維，通過預(yù)氧化和750℃真空熱解制備得到中空纖維狀的無缺陷炭膜。采用圖5、圖6所示的中空纖維狀炭膜反應(yīng)器。將此無缺陷炭膜通過氟橡膠墊圈和高溫密封膠密封固定連接在致密陶瓷質(zhì)反應(yīng)器外殼的物料分布器上，進(jìn)行環(huán)己烷脫氫制苯反應(yīng)。在無缺陷炭膜的空腔內(nèi)填充0.5％wt的Pt/Al2O3催化劑；用微量計(jì)量泵將汽化后的環(huán)己烷用惰性載氣(N2)稀釋后帶入反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。在無缺陷炭膜與反應(yīng)器外殼之間的滲透側(cè)用Ar作為吹掃氣，將反應(yīng)過程中生成并優(yōu)先滲透過來的氣體分子帶出反應(yīng)體系。待系統(tǒng)反應(yīng)穩(wěn)定后，通過氣相色譜檢測反應(yīng)物出料口和滲透側(cè)出口物料的組成。得到苯的轉(zhuǎn)化率。具體反應(yīng)條件和數(shù)據(jù)如下表所示 實(shí)施例3 以聚丙烯腈為前軀體制備的長度為200mm的中空纖維，通過預(yù)氧化和650℃真空熱解制備得到的中空纖維狀無缺陷炭膜。采用圖5、圖6所示的中空纖維狀炭膜反應(yīng)器。將此無缺陷炭膜通過石墨墊圈和石墨卡套密封固定連接在銅質(zhì)反應(yīng)器外殼的物料分布器上，進(jìn)行異丁烷脫氫制異丁烯的化學(xué)反應(yīng)。在中空纖維狀無缺陷炭膜的空腔內(nèi)填充Cr2O3/Al2O3催化劑。用微量計(jì)量泵將異丁烷氣體用惰性載氣(N2)稀釋后帶入反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)。在中空纖維狀無缺陷炭膜與反應(yīng)器外殼之間的滲透側(cè)用Ar作為吹掃氣，將反應(yīng)過程中生成并優(yōu)先滲透過來的氣體分子帶出反應(yīng)體系。待系統(tǒng)反應(yīng)穩(wěn)定后，通過氣相色譜檢測從進(jìn)料側(cè)出口和滲透側(cè)出口流出物的組成。得到異丁烷的轉(zhuǎn)化率。具體反應(yīng)條件和數(shù)據(jù)如下表所示 實(shí)施例4 在多孔石墨平板為支撐體上以纖維素成膜，通過750℃氮?dú)夥諊鸁峤庵苽涞玫?00mm*150mm的平板狀無缺陷炭膜。采用圖3、圖4所示的平板狀炭膜反應(yīng)器，將此無缺陷炭膜通過石墨墊圈和螺栓方式密封固定在銅合金反應(yīng)器外殼上，進(jìn)行水煤氣變換的化學(xué)反應(yīng)。在平板狀無缺陷炭一側(cè)與反應(yīng)器外殼形成的空腔內(nèi)填充鐵基催化劑。用質(zhì)量流量控制器和微量泵控制進(jìn)入反應(yīng)器的CO和Ar氣體及水蒸汽的流量。在平板狀無缺陷炭另一側(cè)與反應(yīng)器外殼形成的滲透側(cè)用N2作為吹掃氣，將反應(yīng)過程中生成并滲透過來的氣體分子帶出反應(yīng)體系。待系統(tǒng)反應(yīng)穩(wěn)定后，通過氣相色譜檢測從進(jìn)料側(cè)出口和滲透側(cè)出口流出物的組成。得到CO的轉(zhuǎn)化率。具體反應(yīng)條件和數(shù)據(jù)如下表所示
權(quán)利要求
1.一種炭膜反應(yīng)器，包括反應(yīng)器外殼(2)，無缺陷炭膜(1)，其特征在于反應(yīng)器外殼(2)上帶有反應(yīng)物入料口(6)、反應(yīng)物出料口(7)、吹掃氣入口(8)、吹掃氣出口(9)；無缺陷炭膜(1)設(shè)置在反應(yīng)器外殼(2)內(nèi)部，在反應(yīng)器外殼(2)內(nèi)部形成相對(duì)獨(dú)立的空腔，其中與反應(yīng)物入料口(6)、反應(yīng)物出料口(7)相通的空腔為進(jìn)料側(cè)(3)，與吹掃氣入口(8)、吹掃氣出口(9)相通的空腔為滲透側(cè)(4)；在無缺陷炭膜(1)內(nèi)部填充催化劑(10)或在無缺陷炭膜(1)上面鋪設(shè)催化劑(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種炭膜反應(yīng)器，其特征在于所述無缺陷炭膜(1)為平板狀、管狀或者中空纖維狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種炭膜反應(yīng)器，其特征在于所述無缺陷炭膜(1)與反應(yīng)器外殼(2)通過炭膜連接管(5)或炭膜連接板(12)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種炭膜反應(yīng)器，其特征在于所述反應(yīng)器外殼(2)材質(zhì)為致密的不銹鋼、陶瓷、銅或者金屬合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種炭膜反應(yīng)器，其特征在于所述無缺陷炭膜(1)與反應(yīng)器外殼(2)為密封連接，連接方式為高溫密封膠、石墨墊圈、石墨卡套或者焊接。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種炭膜反應(yīng)器，其特征在于當(dāng)存在多個(gè)進(jìn)料側(cè)(3)時(shí)，在多個(gè)進(jìn)料側(cè)(3)與反應(yīng)物入料口(6)、反應(yīng)物出料口(7)之間通過物料分布器(11)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種炭膜反應(yīng)器，其特征在于所述無缺陷炭膜(1)的前軀體為聚酰亞胺、聚糠醇、酚醛樹脂、聚丙烯腈、聚苯醚或者纖維素，炭化氣氛為惰性氣體或者真空，炭化溫度為400～1000℃，無缺陷炭膜(1)支撐體為炭質(zhì)、陶瓷、石墨、中空纖維或者不銹鋼材料，成膜方法為涂覆或者噴涂或者超聲波沉積或者化學(xué)氣相沉積。
8.一種如權(quán)利要求1所述炭膜反應(yīng)器的使用方法，其特征在于所述使用方法為
將無缺陷炭膜(1)與反應(yīng)器外殼(2)密封連接在一起，形成相對(duì)獨(dú)立的空腔，其中與反應(yīng)器外殼(2)上的反應(yīng)物入料口(6)、反應(yīng)物出料口(7)相通的空腔為進(jìn)料側(cè)(3)，與反應(yīng)器外殼(2)上的吹掃氣入口(8)、吹掃氣出口(9)相通的空腔為滲透側(cè)(4)；并且這兩種空腔只能通過無缺陷炭膜(1)的多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行物質(zhì)傳遞；在進(jìn)料側(cè)(3)添加反應(yīng)物料，當(dāng)進(jìn)料側(cè)(3)的溫度和壓力達(dá)到所需的反應(yīng)條件后，反應(yīng)物料在進(jìn)料側(cè)(3)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；同時(shí)，生成物中的組分通過無缺陷炭膜(1)的多孔通道傳遞到滲透側(cè)(4)，并被通入到滲透側(cè)(4)的吹掃氣帶走；由于生成物總物質(zhì)量減少，因此打破了封閉體系的熱力學(xué)對(duì)化學(xué)反應(yīng)平衡的限制，使反應(yīng)繼續(xù)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，從而提高化學(xué)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性；而反應(yīng)完的物料從反應(yīng)物出料口(7)流出炭膜反應(yīng)器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種炭膜反應(yīng)器的使用方法，其特征在于可采用所述炭膜反應(yīng)器的使用方法進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)有水煤氣轉(zhuǎn)換、環(huán)己烷脫氫、異丁烷脫氫和甲醇水蒸氣重整制氫。
全文摘要
本發(fā)明提供一種炭膜反應(yīng)器及其使用方法，其特征在于無缺陷炭膜與反應(yīng)器外殼連接，在反應(yīng)器外殼內(nèi)部形成空腔，其中與反應(yīng)物入料口、反應(yīng)物出料口相通的為進(jìn)料側(cè)，與吹掃氣入口、吹掃氣出口相通的為滲透側(cè)；在無缺陷炭膜內(nèi)部填充催化劑或在無缺陷炭膜上面鋪設(shè)催化劑。其使用方法為在進(jìn)料側(cè)添加反應(yīng)物料，控制溫度和壓力使其進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)；生成物中的組分通過無缺陷炭膜的多孔通道傳遞到滲透側(cè)，并被通入到滲透側(cè)的吹掃氣帶走，從而使反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是提供一種實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)分離同步進(jìn)行，并能提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率和選擇性的裝置；縮短了生產(chǎn)工藝，降低了設(shè)備和產(chǎn)品成本。
文檔編號(hào)B01D71/02GK101757859SQ20101011837
公開日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者張兵, 吳永紅, 傅承碧, 徐鐵軍 申請(qǐng)人:沈陽工業(yè)大學(xué)