陶瓷膜反应器：应用路上斩荆棘

　  中化新网讯　膜反应器技术的问世，实现了膜分离技术与反应过程的耦合，解决了其流程过长、效率低下、能耗较高的问题。但受膜材料发展及耦合规律不清晰等一系列难题所限，半个多世纪以来仅在条件温和的部分生物反应中获得应用，膜反应器的大规模应用与连续化生产之路依然荆棘密布。南京工业大学联合南京九思高科技有限公司，通过对连续陶瓷膜反应器二十多年的科研攻关，成功开发出多种规格及型号的陶瓷膜产品，实现了膜反应器在石化领域的大规模应用与连续化生产，形成了具有自主知识产权的成套装备和应用技术。该项目荣获了2011年度国家科技进步二等奖。 

 

 

　　据悉，该项目开发的陶瓷膜反应器技术已在氯碱、农药等领域的十多家企业推广应用，产生了很好的经济效益。业界对该项目的评价是：解决了膜反应器设计、工程放大、系统稳定运行等方面的科学与工程问题，使陶瓷膜反应器装备从实验室走向成套化、大型化和标准化。 

 

 

　　据该项目第一完成人南京工业大学教授邢卫红介绍，早期的有机膜材料在石化生产的苛刻环境下难以长期使用，具有高温稳定、耐酸碱以及寿命长等优点的陶瓷膜的问世，使膜反应器在石化等领域中的应用成为可能。但因研究者对膜过程与反应过程耦合的规律理解不透彻，使陶瓷膜反应器在设计、流程优化和操作稳定性等依然存在一系列难题。 

 

 

　　邢卫红教授告诉记者，膜反应器是将分离过程与反应过程耦合到同一装置中完成，其设计的关键是要控制操作条件，使分离过程和反应过程均处于相对优化的条件，这是膜反应器大规模应用的首要问题。另外，由于石化等领域涉及的化学反应众多且反应特性各异，如何根据特定的反应体系建立适合于该类反应体系的膜反应器流程工艺，便成为膜反应器在石化领域大规模应用的关键点。而这个关键中的关键点，也是以往的研究者们一直无法逾越的鸿沟。此外，催化剂的超细化和预想的效果也不尽一致。超细化虽然提高了催化活性，但高表面能却使其极易在固体表面吸附导致反应效率与膜分离效率下降，加之超细化导致其自身稳定性减弱，使反应器运行不稳定，进而导致了陶瓷膜反应器无法大规模、连续化运行。 

 

 

　　针对阻碍陶瓷膜反应器规模化应用在设计、工艺流程优化、操作稳定性这三个关键问题，在国家科技攻关、国家“973”计划、国家自然科学基金等的资助下，项目组自2005年起逐步突破了陶瓷膜反应器工业化应用的技术瓶颈，取得了9项具有自主知识产权的陶瓷膜反应器新技术，实现了陶瓷微滤膜、陶瓷超滤膜的产业化，成功开发出多种规格、型号的陶瓷膜产品，并实现了成果的工业化应用，为膜反应器在石化领域的应用推广奠定了材料基础。 

 

 

　　此外，该项目组还根据反应器和陶瓷膜组件的组合方式，创新性地提出了外置式膜反应器、浸没式膜反应器、一体式悬浮床膜反应器、外环流气升式膜反应器等多种设计构型，并通过对反应机理和膜分离机理匹配关系的研究，建立了膜反应器的数学模型，构建了膜反应器的设计方法。针对石化等领域中典型的化学沉淀反应和催化加氢反应，通过工艺流程比较和优化分析，项目组开发出沉淀式膜反应器工艺流程和多釜串联加氢膜反应器工艺流程。他们还系统研究了超细催化剂在膜反应器中的吸附行为，开发出膜反应器中反应与膜分离的协同控制技术，提高了膜反应器的操作稳定性。 

 

 

　　2007年，连续陶瓷膜反应器首次在氯碱工业盐水精制过程中成功应用。与进口成套装备相比，节约设备投资30％，吨盐水精制运行成本降低30％以上。截至目前，该项目已在国内十余家企业累计超过100万吨/年的盐水精制生产线上推广应用。该项目开发的多釜串联陶瓷膜反应器应用于对氨基苯酚生产线改造中，与原生产工艺相比，产能提高5倍，减排废水化学需氧量（COD）40%，吨产品催化剂用量降低50%以上。这些应用实践已充分证明，陶瓷膜反应器可显著缩短化工生产流程、提高产品收率、降低生产成本、减少“三废”排放，具有资源节约、环境友好的特征。