陶瓷膜在反应器中的应用
膜化学反应器，即膜与化学反应过程相结合构成的反应设备或系统，旨在利用膜的特殊功能，实现产物的原位分离、反应物的控制输入、反应与反应的耦合、相间传递的强化、反应分离过程集成等，达到提高反应转化率、改善反应选择性、提高反应速率、延长催化剂使用寿命和降低设备投资等目的。
膜化学反应器种类非常繁多，目前尚无统一的分类方法。根据膜材料不同，可分为无机膜和有机膜化学反应器；按催化性能可分为催化膜反应器和惰性膜反应器；根据膜的渗透性能，可分为选择渗透性膜反应器和非选择渗透性膜反应器等。根据膜的作用膜反应器可分为膜催化反应器和反应分离耦合膜反应器。
一．膜催化反应器
膜催化反应器是指采用膜作为催化材料或催化剂载体，同时膜承担分离反应物或产物的反应器。多用于气相催化反应，反应发生在膜管内或膜表面进行。根据膜是否具有催化性能和催化剂的装填方式，可分为以下几种，图1是几种典型膜反应器的结构示意图。
图1 几种类型的膜反应器示意图
(1) IMPBR(Inert Membrane Packed Bed Reactor)膜无催化活性而有选择渗透性，催化剂填充在反应器中，反应在催化剂—侧进行。
(2) CMR(Catalytic Membrane Reactor)膜不仅具有催化活性，而且具有选择渗透性，反应区在膜内。
(3) PBCMR(Packed Bed Catalytic Membrane Reactor)在CMR反应器中装载催化剂，以进一步增加膜反应器的催化活性。
(4) CNIVIR(Catalytic Nonpermseleetive Membrahe Reactor)膜仅作为催化活性组分的载体，无选择渗透性。反应物或产物之一的渗透可通过调节物料速率和压力来控制。
(5) ISMR(Inert Semi—permeable Membrane Reactor)膜的半渗透性是基于离子或电子的传导，为反应透过而不是反应物分子单纯透过。一般固体氧化物电解质膜，对氧是半渗透性的，但对别的气体分子则是不穿透的。它们可用于电化学反应器中，膜为电解质而电极为催化剂。
膜与催化剂具有不同的组合方式，主要方式有以下几种
膜与催化剂的不同组合方式
膜催化反应器中根据膜在催化过程中所起的作用可以分为以下几种：
1.萃取型膜反应器
如图所示，膜选择性的分离产物，打破化学平衡，有利于平衡向生成物的方向移
动，从而提高反应的转化率。
2.分布型膜反应器
如上图所示，膜起到控制输入和分布的作用，可利用膜向反应区控制输入反应组分达到以下目的：（1）提高平行反应选择性，当反应物(在主反应中的反应级数低于副反应中的反应级数时，依靠膜控制输入；（2）维持其在反应区的适宜浓度，可提高主反应选择性。（3）提高反应安全性，对于反应物预混会引起爆炸、燃烧等的体系，通过膜控制输入反应物，维持其最佳浓度，可提高系统安全性。（$）强化气液反应相间传质，膜作为反应气体分布器，可减小气泡直径，增大气液传质面积。（6）控制液相复杂反应的产物分布。膜混合反应器已应用于气相、气液和液相反应中。
3.典型的膜催化反应器
(1)透氢膜反应器用于乙苯脱氢制苯乙烯
乙苯脱氢反应是一个强吸热增分子反应，受热力学平衡限制，反应需要在高温（540~650℃）下进行，工业生产中，反应进料乙苯中需加大量水蒸气，为反应过程供热，同时稀释反应物，抑制催化剂失活。
如下图所示，乙苯在膜反应器反应侧首先分解为苯乙烯和氢气，所产生的氢气通过膜管壁渗透至膜的另一侧，并由吹扫气氮气带走，反应产物苯乙烯从膜管反应侧出口处流出。由于反应生成的氢气能够及时从反应体系中移走，该操作方式可突破封闭反应体系中的热力学平衡限制，促进反应转化率的提高。
二．反应分离耦合膜反应器
反应分离耦合膜反应器——将催化反应与膜分离耦合在同一流程中行行, 利用膜的选择性分离与渗透功能, 实现产物或催化剂的原位分离, 将间歇反应过程转变成为连续反应过程, 继而提高反应效率。主要用于液相催化反应。
早在20 世纪60 年代末, Michael s[1 ] 就提出：若将具有分离功能的膜应用于化学工程, 即把膜与反应器
合于一体, 同时兼有反应与分离功能的膜反应技术, 可节省投资、降低能耗、提高收率, 必将产生新的化工过程。膜反应器技术首先是在研究开发相对成熟的有机膜领域得到实施, 但有机膜固有的一些特性决定了这一应用仅局限于条件较为温和的均相催化和生物体系。自20 世纪80 年代中期, 随着无机膜, 特别是具有稳定性质的陶瓷膜的开发, 为膜在苛刻条件下的应用开辟了途径。无机膜具有高温下的长期稳定性、对酸碱及溶剂的优良化学稳定性、高压下的机械稳定性以及寿命长等一系列优点, 其反应器的开发备受关注。无机膜反应器的研究主要针对气相反应, 如采用无机膜移走氢气打破化学平衡提高反应转化率、控制反应物进料提高反应选择性等。除了在气相反应中的应用, 基于陶瓷膜的无机膜反应器还可用于液相催化反应, 其基本研究思路是将催化反应与膜分离耦合同一流程中进行[9 ] , 利用膜的选择性分离与渗透功能, 实现产物或催化剂的原位分离, 将间歇反应过程转变成为连续反应过程, 继而提高反应效率。
根据膜与反应器不同的耦合方式，反应分离耦合膜反应器可分为以下几类：
1.外置式由于膜组件自成体系，从而有易于清洗、更换及增设等优点。在这种膜反应器中，通常使用循环泵来完成膜的错流过滤。因而，该膜反应器操作方便，而且易于通过调节错流速度与跨膜压力来控制膜的渗透通量。该类型膜反应器也存在一定缺点：膜组件在反应器外部，使得整个装置占地面积大；管路与泵的死体积浪费大量的料液；泵的高速旋转产生高的剪切力会使催化剂的粒径发生变化，从而影响它的催化性能，特别是对于粒径较大的催化剂。
2.一体式无机膜反应器中，膜组件与反应器是一个有机的整体，其避免了分置式的占地面积广、能耗大、浪费料液等缺点。但是，由于膜组件在反应器内部，使膜组件的拆洗、更换比较困难，同时膜通量也比较小；而且，膜组件在反应器中占有一定的空间，减少了反应器的有效体积
3.气升式膜反应器应用主要集中在污水处理、发酵工业等过程，大多数采用的有机膜，这些反应器很少有用于化学反应过程的研究。这主要是因为化学反应过程基本都涉及温度、压力，体系比较苛刻，有机膜难以应用。
4.典型的反应分离耦合膜反应器
用于环己酮氨肟化反应的外环流气升式陶瓷膜反应器
气升式膜反应器(Airlift Membrane Reactor, ALMR)是将膜反应器和气升式反应器技术相结合而诞生的一
种新型反应器，具有结构简单，能耗低，气液传质性能佳，剪切力小，适于生物反应等优点，在生物化工领域具有广阔的应用前景。
该过程以氨气作为反应曝气气源并参与反应，以微孔陶瓷膜为曝气元件，其产生的大量细微气泡有利于加强氨气的传质，使氨气分子较易到达TS-1催化活性中心，有利于反应的进行；氨气以曝气方式进入反应器，可有效控制反应过程的热量，同时利用气液两相流在膜面形成的非稳态流场，还可降低膜污染。该流程中引入两个陶瓷膜过程，一是用于分离催化剂，使催化剂循环使用，同时使氨气以不同流态进入降液区参与反应；二是反应器内部安置陶瓷膜进行氨的二次分布，
reactor 原理

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