反应-分离耦合催化反应新技术

化学反应工程

第七章 反应-分离耦合催化反应新技术

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化工过程强化 在1995年召开的第一次化工过程强化国际会议上提出的 美国的研究工作具有新颖性特点； 英国侧重于基础研究； 法国重视核领域和数学模型的研究； 德国重视实验技术和工程研究； 日本在生物工程和新材料的研究方面投入了很大的力量； 加拿大和澳大利亚则以资源利用为研究重点；

我国化学工程研究和应用也取得了重大的进展。例如石油 工业的崛起大大推动了催化剂、反应工程和精馏技术的发 展，核燃料后处理和湿法冶金的发展推动了溶剂萃取技术 水平的提高等。

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所谓的化工过程强化就是在实现既定生产目标的前提下， 通过大幅度减小生产设备的尺寸、减少装置的数目等方法 来使工厂布局更加紧凑合理，单位能耗更低，废料、副产 品更少。 广义上说，过程强化包括新装置和新工艺方法的发展： 一是生产设备的强化，包括新型反应器、新型热交换器、 高效填料、新型塔板等； 二是生产过程的强化，如反应和分离的耦合(如反应精馏、 膜反应、反应萃取等)、组合分离过程(如膜吸收、膜精 馏、膜萃取、吸收精馏等)、外场作用(离心场、超声、 太阳能等)以及其他新技术(如超临界流体、动态反应操 作系统等)的应用等。

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化工分离过程中化工过程强化的新特点 竞争促进了新设备和新分离剂的加速发展

以精馏、吸收和萃取等化工塔器的内件为例，近二十年来， 塔内件优化匹配的概念引起了人们的重视，发明层出不穷。 在散装填料方面，诺顿公司的金属英泰洛克填料、原格里 奇公司的CMR和我国自行开发的超级扁环(SMR和SMR +)等各有千秋。 在规整填料方面，苏尔寿公司的麦拉派克、原格里奇公司 的杰姆派克、库克公司的罗勃派克和蒙兹公司的蒙兹派克 等竞争激烈。新型塔板的种类更是数不胜数。 在利用新型高效塔内件改造现有生产装置方面，国内外都 已取得了明显的进展，显著减小了设备的尺寸，大大降低 了能耗。 很多新技术也已在我国原油常减压、30万吨乙烯、30万吨 合成氨等大型装置的扩能改造中得到了成功的应用，取得 了重大的经济效益和社会效益。

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耦合分离技术引起重视

近年来，诸如催化精馏、膜精馏、吸附精馏、反应萃取、络合吸附、 反胶团、膜萃取、发酵萃取、络合吸附、化学吸收和电泳萃取等新型 耦合分离技术得到了长足的发展，并成功地应用于生产。它们综合了 两种分离技术的优点，具有独到之处。 例如催化精馏在MTBE等工艺中的成功应用简化了流程，提高了收率 和

降低单耗。某厂在对原有MTBE装置进行技术改造时采用了催化精 馏新技术，并对后续的精馏和萃取设备进行了改造，结果使装置的年 处理能力从2万吨提高到6万吨，大大节约了投资。 荷兰的DSM公司在已内酰胺生产的肟化工艺中成功地应用了反应萃取 新工艺，具有流程短、能耗低和副产物少等优点。耦合分离技术还可 以解决许多传统的分离技术难以完成的任务，因而在生物工程、制药 和新材料等高新技术领域有着广阔的应用前景。如发酵萃取和电泳萃 取在生物制品分离方面得到了成功的应用，采用吸附树脂和有机络合 剂的络合吸附具有分离效率高和解析再生容易的特点；电动耦合色谱 可高效地分离维生素；二氧化碳超临界萃取和纳米过滤耦合可提取贵 重的天然产品等。由于耦合分离技术往往比较复杂，设计放大比较困 难，因此也推动了化工数学模型和设计方法的研究。

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简介原料预处理 反 应

分

离

产

品

反应-分离耦合技术

催化(反应)精馏

膜 反 应

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发展历程与技术实例

美国化学研究特许公司(CR&L公司) 1979年 甲基叔丁基醚(MTBE) 在美、英、法等国建立了多套20-100 kt/a的工业装置 中国石化齐鲁石化公司 MTBE

在国内已建成34 套装置,总生产能力达800 kt/a CR&L公司 苯和丙烯烷基化合成异丙苯

乙酸乙酯的合成

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Eastman-/Kodak Chemicals 传统乙酸甲酯生产工艺与催化精馏工艺的流程比较

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乙酸甲酯

乙酸催化

甲醇

废催化剂

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7.1 反应精馏技术 7.1.1 定义：将催化反应与精馏分离结合起来同时 进行的反应技术 7.1.2 分类反应精馏

均相催化

非均相催化

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7.1.3 优点 (1) 简化流程,降低设备投资和操作费用； (2) 节省能量； (3) 打破反应平衡限制，提高转化率。 (4) 抑制了副反应,提高产物选择性。

(5) 反应温度可通过调整系统压力来控制,不存在飞温问题。

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7.1.4 工艺流程 分体式和一体式

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分体式转化率, %

一体式

泵循环量/进料量之比一体式和分体式催化精馏反应系统的比较

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7.1.5 反应精馏的适用性

反应精馏技术的应用受以下条件的限制: (1) 操作必须在组分的临界点以下；

(2) 精馏塔中反应区的操作温度和压力； (3) 反应物和产物挥发度与共沸现象； (4) 精馏温度。 (5) 物料的停留时间

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7.1.6 反应精馏工艺设备的选择 反应精馏设备的选择要根据快慢反应来确定

快反应不需要太长的停留时间 ，反应和精馏可以在同一精馏塔中实现 。1、若要移出的组分的挥发物较低，则需要的塔板数较多，因而必须选用精馏 塔、填料塔或板式塔。 2、若要移出的组分的挥发物中等，同样需要精馏塔进行

分离，但所需的塔板 数较少，可以采用板式塔或泡罩塔。这时关键是保持持液量恒定。

3、若要移出的组分的挥发物较高，塔板数对反应的影响很小，各段的持液量 可以很大，这时甚至可以使用蒸发器进行分离。