具有下降的分離溫度的膜級聯(lián)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及借助于具有至少兩個級的膜級聯(lián)分離物質混合物的方法，其中在每個 級中，在至少一個膜處，在為該特定級指定的分離溫度下進行物質分離。本發(fā)明還設及相應 的膜級聯(lián)，所述膜級聯(lián)用于從均相催化的反應混合物中進行催化劑分離的用途，和設及加 氨甲酯化的方法，在該加氨甲酯化的方法中所述催化劑是通過膜級聯(lián)分離的。
【背景技術】
[0002] 工藝技術人員將分離操作理解為指用于定性分離物質混合物的手段，其中將包含 多種組分的輸入的物質混合物轉化成至少兩種輸出的物質混合物，其中所獲得的輸出的物 質混合物具有與所述輸入的物質混合物不同的數(shù)量組成。所獲得的輸出的物質混合物通常 具有特別高濃度的希望的組分，在最好的情況下是純產物。純化水平或分離銳度與生產效 率和所需的設備復雜性和能量使用通常存在目標上的矛盾。
[0003] 在所謂的膜分離方法中，將待被分離的物質混合物0作為進料F供給膜1，所述膜1 對于在所述物質混合物0中存在的組分具有不同的滲透性。特別好地穿過所述膜1的組分作 為滲透物P在所述膜1的對面被收集并引離。被所述膜1優(yōu)先保留的組分在所述膜1相同側上 作為滲余物R被收集并引離。
[0004] 在膜處的料流的位置可見于圖1。
[0005] 圖1:簡單膜工藝(現(xiàn)有技術）
[0006] 在膜技術中，起作用的是不同的分離效應。更具體地，不僅利用在組分尺寸的差異 (機械篩分效應），而且還利用溶解和擴散效應。所述膜的分離活性層越密不可透，所述溶解 和擴散效應變得越占主導地位。膜的分離特性因此與僅僅利用篩分效應的簡單過濾器的分 離特性不完全可比。
[0007] 對于膜技術的很好的介紹由如下文獻給出：
[0008] Melin/Rautenbach:Membranverfahren.Grundlagen der Modul-und Anlagenauslegung.Springer.Berlin Heidelberg 2004。
[0009] 相對于其它分離工藝，膜工藝的一個優(yōu)點是低的能量需求。因此，通常僅需要機械 功率驅動累W保持所需的流量和壓力。與例如熱分離工藝不同，膜分離工藝不需要任何熱 能。
[0010] 膜分離工藝的特定缺點是運種仍相對新的技術依賴所述膜的可獲得性。因此，從 物質混合物中有效分離特殊組分經常需要不總是能夠W足夠大量獲得的或者甚至是未知 的特殊膜材料。然而，大體積物質料流的分離需要非常大的膜面積和與此相關的相應大量 的材料和高的資金成本。
[0011] 如果需要特定組分的特別高的保留率，則運是更加適合的：
[0012] 保留率是膜將存在于進料中的組分在滲余物中富集或者在滲透物中貧化的能力 的量度。保留率R由相關組分在膜的滲透物側上的物質量比例XP和相關組分在膜的滲余物 側上的物質量比例XR計算，如下所示：
[0013] R=1-xp/xr
[0014] 所述濃度xp和XR在此應當直接在所述膜的兩側上測量。
[0015] 如果所述膜關于待被保留的組分具有低的保留率一例如因為沒有更有效的膜材 料是已知的一待被分離的物質流必須被多次供給于所述膜W總體上實現(xiàn)足夠的保留率。運 通過如下方式實現(xiàn):要么將所述滲透物再循環(huán)到相同膜的進料中，要么將得自所述第一膜 的滲透物進料給第二個膜。
[0016] 其中待被分離的物質流滲透穿過多個膜的膜分離工藝被稱為多級的。多級膜分離 工藝在所謂的膜級聯(lián)中進行;運些是彼此串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的多個單獨膜的布置。膜級聯(lián) 通常還包含累和任何再循環(huán)線路，所述累用于保持經過所述膜需要的跨膜壓力作為驅動 力，所述再循環(huán)線路將在所述級聯(lián)內部的子料流多次引導通過單獨的級。
[0017] 盡管膜級聯(lián)可W具有非常復雜的構造，但任何膜級聯(lián)都可W被視為如單獨膜那樣 的暗箱，其具有示于圖1中的基礎連接結構:進料、滲余物和滲透物。為了區(qū)分所述暗箱的料 流和所述膜級聯(lián)的內部料流，當討論整個膜級聯(lián)的滲余物或滲透物時，下文中提及"最終的 滲透物"或"最終的滲余物"。
[0018] 如已經提及的，多個膜可W在膜級聯(lián)內部并聯(lián)和/或串聯(lián)地連接。運在工業(yè)中非常 頻繁地進行，因為在工業(yè)上膜通常被設計為具有有限膜面積的膜組件，并且所需的總面積 通過并聯(lián)連接的多個膜組件提供。
[0019] 為了表征膜級聯(lián)，因此感興趣的不是在膜分離單元中膜的數(shù)目，而更確切地是級 的數(shù)目。膜技術人員理解"級"是指其中在一個或多個膜處出現(xiàn)壓力降的分離步驟。所述壓 力降是在相關膜處，在進料和滲透物之間的差，并且被稱作跨膜壓力。在沒有該壓力降的情 況下，在所述膜處不發(fā)生分離。由于在多級膜工藝中，在第一級之后出現(xiàn)的壓力損失必須被 再次構建，級的數(shù)目也可W由用于調節(jié)或重建所述跨膜壓力的累的數(shù)目讀出。另選地，盡管 實踐中很少轉換，但是兩個或更多個級的跨膜壓差也可W通過累產生。為此目的，所述累在 一個級上游合計產生兩個或更多個級的跨膜壓力。換句話說，上游級的滲透物壓力構成下 游級的進料壓力。
[0020] 已知有膜級聯(lián)的兩種基礎連接形式，即增強體級聯(lián)（"富集級聯(lián)"）和從動級聯(lián)（"反 洗級聯(lián)"）。此外存在混合形式，但運些可W回溯到所述兩種基礎連接。
[0021] 具有兩個膜分離級的富集級聯(lián)的構造由圖2顯示。
[0022] 圖2:二級富集級聯(lián)(現(xiàn)有技術）
[0023] 富集級聯(lián)10可W被視為暗箱，該暗箱像單獨膜一樣，接收待被分離的物質混合物0 作為進料F，并將其分離成最終的滲余物R和最終的滲透物P。所述富集級聯(lián)10包含在滲透物 流動方向上串聯(lián)連接的兩個級11、12,運兩個級本身又包含一個或多個膜。傳送累13將流入 的進料F傳送到第一級11。在那里在一個膜處進行第一物質分離，使得獲得了來自第一級的 滲余物14和來自第一級的滲透物15。來自第一級的滲余物14對應于富集級聯(lián)10的最終的滲 余物R，并且從所述分離工藝中排出。
[0024] 相反，將來自第一級11的滲透物15作為進料供給第二級12。為了補償在第一級11 中發(fā)生的壓力損失(跨膜壓力），在第一和第二級之間提供高壓累16。
[0025] 在第二級12處，在至少一個膜處再次進行物質分離，使得獲得了來自第二級的滲 余物17和來自第二級的滲透物18。所述來自第二級的滲透物18因此已經穿過了兩個級11、 12,并因此具有特別高的純度。將其作為最終的滲透物P從所述工藝中排出。
[0026] 同時，將來自第二級12的滲余物17再循環(huán)到第一級11的進料中，W被再次純化。
[0027] 由于富集級聯(lián)10的最終的滲透物P已經滲透穿過所有的級11、12,富集級聯(lián)用于將 流入的物質流0中存在的，從該膜優(yōu)選穿過的組分富集在最終的滲透物P中。
[0028] 如果，相反，適合的是將優(yōu)選由所使用的膜保留的組分富集在所述滲余物中，則使 用反洗級聯(lián)。
[0029] 具有兩個膜分離級的反洗級聯(lián)的構造由圖3示出。
[0030] 圖3:兩級反洗級聯(lián)(現(xiàn)有技術）
[0031] 反洗級聯(lián)20再次可W被認為是對應于單獨膜的暗箱，該暗箱被進料W流入的物質 流0作為進料F，該暗箱將進料F分離成最終的滲余物R和最終的滲透物P。
[0032] 反洗級聯(lián)20與圖2中示出的富集級聯(lián)10的不同之處在于所述級在滲余物流的方向 上相繼布置。在圖3中示出的兩級反洗級聯(lián)中兩個級21、22用于進行物質分離。
[0033] 為了分離物質流0的目的，將其供給于反洗級聯(lián)20的第一級21，并在那里分離成滲 透物24和滲余物25。為了產生必要的跨膜壓力，提供壓力提高累23。將第一級21的滲透物25 從反洗級聯(lián)20中排出，并且因此對應于最終的滲透物P。
[0034] 同時，將來自第一級21的滲余物24作為進料供給于第二級22。為此目的，不需要在 第一級21和第二級22之間布置的累，因為在滲透物方向上跨膜壓力總是下降，使得滲余物 24的壓力一除了流動損失外一基本上對應于第一級21的進料。
[0035] 在第二級22內，在至少一個膜處再次進行物質分離。將在此得自第二級27的滲余 物作為最終的滲余物R從反洗級聯(lián)20排出。由于其尚未穿過所述兩個級21、22的任何膜，其 特別富含了優(yōu)選由所述膜保留的組分。
[0036] 同時，將得自第二級22的滲透物26再循環(huán)并滲混到第一級21的進料中。壓力提高 累23平衡了在第二級22中經歷的滲透物26的壓力損失。
[0037] 在水脫鹽、氣體分離和藥物物質純化領域中，膜級聯(lián)是已經廣泛普及的。
[0038] 相反，膜級聯(lián)的相對新的使用領域是從均相催化的化學反應中進行催化劑分離。
[0039] 如果本文中討論催化反應，其是指其中至少一種反應物在催化劑的存在下被轉化 成至少一種產物的化學反應。反應物和產物共同地被稱為反應參與物。除了通常的老化和 分解現(xiàn)象外，催化劑在所述反應過程中基本上未被消耗。
[0040] 所述反應在空間上受限制的反應區(qū)內進行。在最簡單的情況下，運是任何構造類 型的反應器，然而其也可能是多個彼此連接的反應器。
[0041] 連續(xù)或間歇地從所述反應區(qū)取出的材料在此被稱為反應混合物。所述反應混合物 至少包含所述反應的目標產物。根據(jù)工業(yè)上的反應控制，其還可能包含未轉化的反應物，或 多或少希望的二次產物或者伴生產物，其得自二次反應和/或副產物，和溶劑。另外，所述反 應混合物還可能包含催化劑。
[0042] 催化進行的化學反應鑒于所用的催化劑的相狀態(tài)而可W被分成兩組:此處首先應 提及非均相催化