一种从气态体系中选择性去除产物的方法技术

一种从气态体系中选择性去除气态产物（P）的方法，该气态体系含有所述产物和其他组分（R1，R2），其特征在于，所述气态体系进入第一环境，所述第一环境通过界面墙与第二环境隔开，渗透膜（3，300）形成所述界面墙的至少一部分；位于所述第一环境的一个或多个第一电极（1，301）与位于所述第二环境的一个或多个第二电极（2，302）之间产生空间非均匀电场（4），所述非均匀电场的电场线穿过所述渗透膜，作用于所述气态组分（P）粒子的介电泳力为通过所述膜渗透的驱动力的至少一部分，大量的所述产物（P）被从所述第一环境中选择性地去除，并在所述第二环境中被收集。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及进行化学反应的方法和相关的反应器。本专利技术尤其涉及气态体系中的气态组分的选择性去除。更具体地说，本专利技术能够从气态体系中选择性去除反应产物，所述气态体系含有反应物和产物。本专利技术适用于多种工艺，包括：合成氨、甲醇、DME、硝酸、和硫酸，所引的上述工艺仅作为非限定性的举例。本专利技术还公开了适于实施所述选择性去除工艺的反应器。
技术介绍
去除反应产物是提高化学反应产率的公知手段。通过从进行反应的体系中去除产物，可提高“正向（direct）”反应的转化率，所述“正向”反应即通常所表示的从左到右的反应。一种去除产物的现有技术是基于膜的选择性渗透。例如，制氢反应器通常利用膜的选择性去除氢气。膜具有微孔，其尺寸允许选择性渗透。因此，基于膜的选择性渗透对分子的物理尺寸很敏感，因为较小的分子能更容易地通过膜。例如，氢气的选择性去除是可能的，因为H2分子的尺寸小。这意味着当产物与反应物的分子尺寸相当时，基于膜的系统的效率较差（即选择性较差），甚至当产物的分子尺寸小于一种或多种反应物时，效率也较差。例如，氨气（NH3）分子的尺寸为2.90埃（A），其介于氢气分子尺寸（2.83A）和氮气分子尺寸（3.78A）之间，因而使用常规的膜选择性去除NH3效率是不高的，因为大量的氢气会与氨气一起从体系中逸出。在合成甲醇时发生同样的情况，由于CH3OH分子的尺寸与一氧化碳和二氧化碳的分子尺寸相当，因而基于膜的选择性去除效率不高。现有的基于膜的分离方法通常要求在膜的两侧之间存在驱动力。已知的驱动力有：压力差、浓度差；在电离装置存在下使用均匀电场。EP-A-1892216公开了一种选择性渗透膜反应器，其中驱动力是由位于反应器供给侧和渗透侧之间的氢气分压的差值提供的；所述差值可以实现，例如通过在一定的压力下操作供给侧，而所述压力显著高于或低于渗透侧的压力。US4762535公开了从氢气和氮气中分离氨，该分离借助含有选择性盐的分离膜，所述选择性盐影响氨的膜渗透，驱动力由所述膜两侧之间的分压提供。JP2006817公开了一种基于电场、膜和电离工具的分离系统，在该系统中，分子被电离并被驱使向具有相反电荷的电极靠拢；所述电场对离子产生作用力使其透过所述膜以实现所需的分离。需要注意的是，在膜的两侧缺少至少一种上述驱动力时，常规的基于膜的系统将无法完成任何分离。选择性膜目前被用在（不限于）制氨和制甲醇的设备中，用于回收包含在合成回路的吹扫气中的氢气。所述氢气的回收是利用选择性膜来完成的，所述选择性膜利用压力差为驱动力。所述合成回路吹扫气在高压力下被供给至所述膜的两侧之中的一侧，通常对于制氨设备所述高压力为100÷150巴（bar），对于制甲醇设备为50÷100巴（bar）；所述膜的另一侧在低得多的压力下操作，例如对于制氨设备为60÷70巴（bar），对于制甲醇设备为25÷60巴（bar）。所述膜两侧之间的压力差是该方法的驱动力，两侧之间的氢气分压显著不同。分子不同程度地透过所述膜，尤其是最小的分子（本例中为氢气）以更高的浓度透过。选择性渗透的另一种公知应用是从空气的其他组分中分离氧气。空气被输送到传导膜的一侧；该传导膜的两侧均配备有产生电场的电极；在电场作用下，氧以O2-离子的形式通过该膜，即电子在相反的方向流动产生所述氧离子，所述电场作为驱动力。在所述膜的另一侧氧重新获得电子生成纯氧。所述膜例如为氧化钇掺杂的二氧化锆膜。工业使用的膜包括聚合物膜或无机膜，以及单层膜或多层膜。根据孔的尺寸，膜被命名为大孔、介孔或微孔。孔尺寸通常如下：大孔膜的孔至少为5nm（纳米）；介孔膜的孔为2-5nm，微孔膜的孔小于2nm。如上所述，现有的基于膜的分离技术的缺点为：在相同或相似尺寸的气体分子间的选择性差；需要驱动力如膜两侧间的显著压力差，或为了使分子对电场敏感需要离子化。在氨或甲醇合成领域，反应器的输出流中含有大量未转化的反应物。为了回收至少部分所述的反应物，输出流的相关部分通常被再次循环到反应器；然而，在化学反应的压力下压缩回输出流所用的功耗（power demand）影响该工艺的整体效能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述缺陷。本专利技术的一个目的是提供一种从气态体系中选择性去除至少一种组分的新方法，例如从气态体系中选择性去除气态产物，所述产物在该气态体系中是与反应物混合的。这种情况例如发生在化学反应的中间阶段。另一个目的是提供适于实施所述新方法的反应器。本专利技术的构思是利用气体分子的诱导和/或永久电偶极矩（EDM）作为膜基分离的驱动力。通过使气态体系处于空间非均匀电场中，使得偶极矩显著高于其他分子的气体分子通过多孔膜。本专利技术的第一个方面是从气态流动体系中选择性去除气态产物的方法，该气态流动体系含有所述产物和其他组分，其特征在于，所述气态体系流动通过第一环境，所述第一环境通过界面墙与第二环境隔开，渗透膜形成所述界面墙的至少一部分；在位于所述第一环境的一个或多个第一电极与位于所述第二环境的一个或多个第二电极之间产生空间非均匀电场，所述非均匀电场的电场线穿过所述渗透膜，作用于所述气态组分粒子的介电泳力是通过所述膜进行渗透的驱动力的至少一部分，大量所述产物被从所述第一环境中选择性地去除，并在所述第二环境中被收集。术语产物代表所述体系内设定的气态组分。所述产物可以是化学反应的产物，在此气态体系中含有所述反应的反应物。根据不同的实施方式，所述方法可以从相同的气态流动体系中去除一种或多种产物。术语粒子代表所述气体的分子或原子。所述第一环境例如为反应器的一部分，所述反应器被安装在一个连续的工艺中。所述产物和/或所述气态流动体系中的其他组分的电偶极矩，可以是永久偶极矩或诱导偶极矩。通过空间非均匀电场在可极化的粒子上产生诱导电偶极矩。当所述产物粒子具有的永久电偶极矩大于所述气态体系中的其他组分粒子的电偶极矩时，所述方法是适用的。所述方法在以下情况下也是适用的，即所述产物粒子具有的极化率大于所述气态体系中的其他组分粒子的极化率，以便通过所述非均匀电场在所述产物粒子上诱导的电偶极矩，大于通过同一电场在所述体系中的其他气态组分上诱导的电偶极矩。永久偶极矩是粒子的固有特征。可极化的分子是指应用外部电场时形成电偶极矩的分子。极化率被定义为诱导偶极矩与形成该偶极矩的电场的比。产物的EDM与剩余粒子的EDM之间的差别越大，所述方法的选择性越大。在一个优选的实施例中，待分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.30 EU 10168010.61.一种从气态体系中选择性去除气态产物（P）的方法，所述气态体系含有
所述产物和其他组分（R1，R2），其特征在于，所述气态体系进入第一环境，所
述第一环境通过界面墙与第二环境隔开，渗透膜（3，300）形成所述界面墙的至
少一部分；位于所述第一环境的一个或多个第一电极（1，301）与位于所述第二
环境的一个或多个第二电极（2，302）之间产生空间非均匀电场（4），所述非
均匀电场的电场线穿过所述渗透膜，作用于所述气态组分（P）粒子的介电泳力
为通过所述膜渗透的驱动力的至少一部分，大量的所述产物（P）被从所述第一
环境中选择性地去除，并在所述第二环境中被收集。
2.根据权利要求1的方法，所述产物（P）粒子具有的永久电偶极矩大于所
述气态体系中其他组分（R1，R2）粒子的电偶极矩。
3.根据权利要求1的方法，所述产物（P）粒子具有的极化率大于所述气态
体系中其他组分（R1，R2）粒子的极化率，以便所述非均匀电场在所述产物（P）
粒子上诱导的电偶极矩，大于同一电场在所述体系其他组分上诱导的电偶极矩。
4.根据权利要求2或3的方法，所述产物（P）的永久电偶极矩或诱导电偶
极矩，比所述气态体系其他组分的永久电偶极矩或诱导电偶极矩至少大50％，优
选至少大3倍。
5.根据前述任一权利要求的方法，所述第一电极的形状与所述第二电极不
同，所以所述电场是非均匀的。
6.根据权利要求5的方法，所述电场具有从第一电极到第二电极的放射状的
电场线，所述第一电极为圆柱，所述第二电极为与所述第一电极同轴的圆柱或导
线。
7.根据前述任一权利要求的方法，所述第一环境和所述第二环境基本处于相

\t同的压力下。
8.根据前述任一权利要求的方法，所述电极上施加的电压为1000-15000V范
围。
9.根据前述任一权利要求的方法，所述空间非均匀电场的强度范围为
10÷2000kV/m范围。
10.根据前述任一权利要求的方法，所述待去除的产物为化学反应的产物，
所述气态体系的其他组分包括所述化学反应的反应物，所述产物的选择性去除直
接在所述反应的一个催化剂床中进行，或在一个催化剂床的上游或下游、或在两
个催化剂床之间进行。
11.根据权利要求9的方法，所述产物为氨、甲醇、DME、硝酸和硫酸中的
任意一种。
12.一种化学反应器，包括：
-入口（13，137），用于通入反应物，
-反应空间和产物收集器（12，140），
-渗透膜（3，300），用于在所述反应器内的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：塞尔乔·潘沙，
申请(专利权)人：阿莫尼·卡萨尔公司，
类型：
国别省市：