Спосіб і реактор для селективного видалення продукту із газоподібної системи

Реферат: У заявці описаний спосіб селективного видалення газоподібного продукту (Р) з газоподібної системи, що включає цей продукт та інші компоненти (R1, R2), в якому газоподібну систему подають у перше середовище, яке відокремлено від другого середовища граничною стінкою, причому проникна мембрана (3, 300) утворює щонайменше частину цієї граничної стінки; просторове неоднорідне електричне поле (4), генерується між першим електродом або першим рядом електродів (1, 301), розташованим в першому середовищі, і другим електродом або другим рядом електродів (2, 302), розташованим у другому середовищі, так що лінії цього неоднорідного електричного поля перетинають мембрану, і діелектрофоретична сила, що генерується на частинках газоподібного компонента (Р), становить щонайменше частину рушійної сили при проникненні через мембрану; продукт (Р) селективно видаляють з першого середовища і збирають у другому середовищі. UA 111943 C2 (12) UA 111943 C2 UA 111943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки Даний винахід належить до способів проведення хімічних реакцій і відповідних реакторів. Зокрема, пропонований винахід належить до селективного видалення газоподібного компонента з газоподібної системи, Більш конкретно, пропонований винахід дозволяє селективно видаляти продукти реакції з газоподібної системи, що включає реагенти і продукти. Винахід можна використовувати для декількох процесів, що включають синтез аміаку, метанолу, ДМЕ (диметиловий ефір), азотної кислоти, сірчаної кислоти, що призводять як не обмежуючі приклади. Винахід також описує реактор, пристосований для проведення згаданого способу селективного видалення. Рівень техніки Видалення продуктів реакції є відомим способом збільшення виходу хімічної реакції. При видаленні продуктів з утвореної системи швидкість "прямої" реакції конверсії зліва направо зазвичай зростає. Відомою можливістю видалення продуктів є селективна проникність на основі використання мембран. Наприклад, в реакторах для виробництва водню часто використовують селективне видалення водню на основі мембран. Мембрана має мікропори, розмір яких робить можливим селективну проникність. Отже, селективна проникність на основі мембран чутлива до фізичного розміру молекул, так як молекули меншого розміру можуть більш легко проходити через мембрану. Селективне видалення водню, наприклад, стало можливим завдяки невеликому розміру молекули Н2. Це означає, що система на основі мембран має низьку ефективність (тобто менш селективна), коли продукти і реагенти мають порівнянний розмір молекул і ще менш ефективна, коли продукт має розмір молекули менше, ніж у одного або декількох реагентів. Наприклад, розмір молекули аміаку (NH3) дорівнює 2,90 Ангстрем (А), що знаходиться між розміром молекули водню (2,83 А) і розміром молекули азоту (3,78 А), і таким чином селективне видалення NH3 звичайними мембранами не ефективно, так як значна кількість азоту віддалиться з системи разом з аміаком. Те ж саме відбувається, наприклад, при синтезі метанолу, так як розмір молекули СН3ОН можна порівняти з таким оксиду вуглецю і діоксиду вуглецю і, таким чином, селективне видалення на основі мембран не ефективно. Відомі способи поділу на основі мембран завжди вимагають наявності рушійної сили між двома сторонами мембрани. Відомими рушійними силами є: різниця тисків, різниця концентрацій, додаток однорідного електричного поля в присутності іонізуючих засобів. ЕР-А-1892216 описує реактор на основі селективної проникності мембрани, в якому рушійна сила забезпечується різницею парціального тиску водню між стороною харчування та стороною проникання реактору; ця різниця може бути досягнута, наприклад, роботою сторони харчування при тиску, який значно вище або нижче, ніж тиск на стороні проникання. US 4762535 описує відділення аміаку від водню і азоту за допомогою розділової мембрани, що містить селективну сіль, яка впливає на проникання аміаку крізь мембрану; рушійна сила забезпечена парціальним тиском між двома сторонами мембрани. JP 2006817 описує систему відділення на основі електричного поля, мембрани і іонізуючого засобу, в якій молекули іонізуються і рухаються в напрямку електроду, що має протилежний заряд; електричне поле генерує силу, що діє на іони, яка дозволяє їм проходити крізь мембрану для досягнення необхідного відділення. Слід зазначити, що традиційна система на основі мембрани не може довести до кінця будьякий поділ за відсутності щонайменше однієї з вищезазначених рушійних сил, що діють впоперек мембрани. Селективні мембрани в даний час прийняті на озброєння (але цим не обмежуються) на установках для виробництва аміаку та метанолу з метою вилучення водню, що міститься в продувному газі контуру синтезу аміаку або метанолу. Витяг водню доводять до кінця, використовуючи селективні мембрани на основі різниці тисків як рушійну силу. Продувний газ контуру синтезу подають до однієї з двох сторін мембрани при високому тиску, зазвичай в діапазоні 100÷150 бар на установках для виробництва аміаку та 50÷100 бар на установках для виробництва метанолу; інша сторона мембрани працює при набагато меншому тиску, наприклад, 60÷70 бар на установках для виробництва аміаку і 25÷60 бар на установках для виробництва метанолу. Різниця тисків між двома сторонами мембрани являє собою рушійну силу процесу, і парціальні тиски водню між двома сторонами значно відрізняються один від одного. Ступінь проходження молекул крізь мембрани різна, зокрема, молекули з найменшими розмірами (в даному випадку водню) проходять з більш високою концентрацією. Іншим відомим використанням селективної проникності є відділення кисню від інших компонентів повітря. Повітря подають на одну сторону провідної мембрани; обидві сторони 1 UA 111943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 провідної мембрани обладнані електродами, генеруючими електричне поле; кисень нагнітають 2крізь мембрану у вигляді іонів О , тобто електрони рухаються в протилежному напрямку, утворюючи іони кисню за допомогою електричного поля, що діє як рушійна сила. Кисень знову приєднує електрони на іншій стороні мембрани з отриманням чистого кисню. Подібною мембраною є, наприклад, цирконієва мембрана, легована ітрієм. Промислові мембрани включають полімерні або неорганічні мембрани і одношарові або багатошарові мембрани. В залежності від розміру пор мембрани називають макропористі, мезопористі або мікропористі. Зазвичай пори мають розміри щонайменше 5 нм (нанометра) в макропористій мембрані, від 2 до 5 нм в мезопористій мембрані, і менше 2 нм в мікропористій мембрані. Відповідно до вищезазначеного, недоліками відомої техніки поділу на основі мембран є: незадовільний поділ молекул газу, що мають однакові або подібні розміри, необхідність в рушійній силі у вигляді значної різниці тисків поперек мембрани, або іонізації для забезпечення чутливості молекул до електричного поля. У разі синтезу аміаку або метанолу потік, що виходить з реактора, містить значну кількість не перетворених реагентів. З метою витягання щонайменше частини подібних реагентів значну частину вихідного потоку зазвичай рециркулюють в реактор; однак, потреба в енергії на зворотне стиснення вихідного потоку при тиску хімічної реакції впливає на загальну ефективність процесу. Сутність винаходу Метою пропонованого винаходу є подолання вищевказаних недоліків рівня техніки. Завданням винаходу є запропонувати новий спосіб селективного видалення щонайменше одного компонента з газоподібної системи, наприклад, видалення газоподібного продукту з газоподібної системи, в якій продукт змішаний з реагентом. Це спостерігається, наприклад, на проміжній стадії хімічної реакції. Іншим завданням є запропонувати реактор, пристосований до проведення такого способу. Ідеєю, що лежить в основі пропонованого винаходу, є використання наведеного та / або постійного електричного дипольного моменту (ЕДМ) молекул газу в якості рушійної сили відділення на основі мембрани. При дії просторово неоднорідного електричного поля на газові системи молекули газу, що мають дипольний момент, значно більший, ніж такий інших молекул, проходять крізь пористу мембрану. Першим аспектом пропонованого винаходу є спосіб селективного видалення газоподібного продукту з газоподібної проточної системи, що включає цей продукт та інші компоненти, в якому газоподібна система рухається крізь перше середовище, яка відокремлена від другого середовища граничною стіною, причому проникна мембрана утворює щонайменше частину цієї граничної стіни; між першим електродом або першою групою електродів, розташованих в першому середовищі, і другим електродом або другою групою електродів, розташованих у другому середовищі, утворюється просторово неоднорідне електричне поле, так що лінії цього неоднорідного електричного поля перетинають мембрану, і діелектрофоретична сила, генерує на частинках газоподібного компонента, є щонайменше частиною рушійної сили проникання крізь мембрану, в результаті продукт селективно видаляють з першого середовища і збирають у другому середовищі. Термін "продукт" означає даний газоподібний компонент усередині системи. Цей продукт може бути продуктом хімічної реакції, де газоподібна система включає реагенти цієї реакції. У відповідності з різними варіантами здійснення винаходу спосіб може видалити один або декілька продуктів з одного газоподібного проточного середовища. Термін "частинки" позначає молекули або атоми газу. Перше середовище являє собою, наприклад, частину реактору, встановленого в безперервному процесі. Електричним дипольним моментом продукту та / або інших компонентів газоподібної проточної системи може бути постійний дипольний момент або наведений дипольний момент. Наведений електричний дипольний момент генерується на таких, що поляризуються частинках просторово неоднорідним електричним полем. Спосіб можна використовувати, коли частинки продукту мають постійний електричний дипольний момент, який більше, ніж електричний дипольний момент часток інших компонентів газоподібної системи. Спосіб також можна використовувати, коли частинки продукту мають поляризованість більшу, ніж поляризованість частинок інших компонентів газоподібної системи, так що електричний дипольний момент, наведений на частинки продукту неоднорідним електричним полем більше, ніж електричний дипольний момент, наведений тим же полем на інші газоподібні компоненти системи. Постійний дипольний момент є істотною властивістю частинок. Така, що поляризується молекула являє собою молекулу, яка приймає електричний дипольний момент після 2 UA 111943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 накладення зовнішнього електричного поля. Поляризованість визначається як відношення наведеного дипольного моменту до електричного поля, яке генерує цей дипольний момент. Чим більше розходження між ЕДМ продукту і ЕДМ інших частинок, тим більше селективність способу. У кращому варіанті здійснення винаходу постійний або наведений ЕДМ молекул відокремлюваного продукту щонайменше на 50 % вище, ніж ЕДМ будь-який інший молекули в газоподібний системі. Більш переважно, ЕДМ відокремлюваного продукту в декілька разів більше ЕДМ будь-якої іншої молекули в системі, переважно щонайменше більше в три рази, більш переважно щонайменше в 5 разів або більше. Електричний дипольний момент вимірюють у дебаях (Д). Перевід в одиниці СІ можна 29 здійснити за допомогою рівняння 1 С м (кулонометрії)= 2,99792458 10 Д. В абсолютному значенні для досягнення ефективного відділення дипольний момент молекул відокремлюваного продукту повинен бути переважно щонайменше 0,3 Д. Неоднорідне електричне поле є джерелом рушійної сили для селективного проникання крізь мембрану. Рушійна сила з електричного поля може бути єдиною рушійною силою або частиною загальної наявної рушійної сили. Тому, винахід не виключно залежить від тиску, як у рівні техніки мембранного розділення. У деяких варіантах здійснення винаходу перше і друге середовища по суті знаходяться при однаковому тиску, тобто при проходженні крізь мембрану відсутній перепад тиску або є у невеликій мірі. У разі наявності різниці тисків це може забезпечити додаткову рушійну силу. Більш того, пропонований винахід не вимагає іонізатора або подібних засобів для наведення іонізації газоподібної системи. Просторово неоднорідне електричне поле переважно має щонайменше одну з наступних особливостей: а) лінійна щільність електричного поля крізь поверхню електроду (ів) з даним знаком (тобто позитивним чи негативним) більше ніж лінійна щільність крізь поверхню протилежного електроду (ів); б) величина (напруженість) електричного поля більше на поверхні електрода (ів) з даним знаком, ніж на протилежному електроді (ах); в) лінії електричного поля не є паралельними, тобто лінії поля в різних місцях вказують на різні напрямки. У бажаному варіанті здійснення винаходу використовують позитивні і негативні електроди, що мають різні форми та / або розміри для генерування неоднорідного електричного поля. Наприклад, неоднорідне електричне поле можуть генерувати електроди у формі концентричних циліндрів. Наприклад, відповідно до пропонованого винаходом, два концентричних циліндричних електроду можуть генерувати просторово неоднорідне електричне поле. Переважно, градієнт електричного поля неоднорідний і існують зони з більш високим градієнтом і зони з меншим градієнтом. Більш переважно, зони з більш високим або більш низьким градієнтом відповідають одному або двом середовищам, тобто позитивному чи негативному електродам. Величина просторово неоднорідного електричного поля може бути постійною або змінною в часі. Частинки зі значним ЕДМ є високочутливими до електричного поля, в той час як одне і те ж електричне поле, в основному, є нейтральним щодо часток, які не мають ЕДМ або мають набагато менший ЕДМ. Це відкриття було використане для поділу на основі мембран з метою досягнення ефективного селективного видалення в тих випадках, коли традиційне селективне видалення на основі мембран не є задовільним. Під дією рушійної сили просторово неоднорідного електричного поля молекула (и) з постійним або наведеним ЕДМ проходить крізь проникну мембрану з більш високою швидкістю, ніж інші молекули без ЕДМ або невеликим ЕДМ. Кращим використанням пропонованого винаходу є відділення газоподібного проточного продукту (ів) від реагентів, що містяться в проточному реакційному середовищі, для забезпечення більш високого виходу хімічної реакції. Неповний перелік кращого використання пропонованого винаходу являє собою синтез: аміаку, метанолу, ДМЕ, азотної кислоти, сірчаної кислоти. Молекули аміаку і метанолу мають значний дипольний момент і в особливості придатні для використання пропонованого винаходу. Нижченаведена таблиця дає деякі величини дипольного моменту в дебаях (Д). Молекула Дипольний момент (Д) H2 0 N2 0 NH3 1,47 CH3OH 1,7 3 UA 111943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 CO2 0 CO 0,11 H2O 1,8 SO2 1,6 SO3 0 NO 0,15 NO2 0,33 Вищенаведені значення показують, що аміак (NH3) можна ефективно відокремити від реагентів азоту (N2) і водню (Н2). Навпаки, традиційна система на основі мембран, що використовує, наприклад, різницю тисків в якості рушійної сили, нездатна відділити аміак від азоту і водню, так як розмір молекули аміаку є проміжним між розміром молекули Н 2 і розміром молекули N2. Переважно, щоб дипольний момент реагентів був нульовим або незначним, але навіть невелику різницю між дипольним моментом продукту і дипольним моментом реагентів можна використовувати для покращення ефективності хімічного процесу. Відповідно з деякими варіантами здійснення винаходу, повного відокремлення продуктів від реагентів не потрібно, і навіть помірне відділення (наприклад, 10 % відділення продукту) може бути достатнім для досягнення мети покращення ефективності хімічної реакції. У випадках, коли різниця у показниках дипольних моментів незначна, можна використовувати різницю в здатності поляризуватися. Хімічна реакція може протікати в одному або декількох каталітичних шарах, хоча це несуттєво для реалізації пропонованого винаходу. Якщо хімічна реакція включає каталітичний шар (і), спосіб винаходу можна здійснити безпосередньо в каталітичному шарі, вище або нижче по потоку від каталітичного шару або між двома каталітичними шарами, якщо використовують більше одного шару. Варіанти здійснення винаходу включають: видалення продукту з проточної реакційної суміші, що утворилася в каталітичному шарі, видалення продукту з потоку, що випливає з каталітичного шару, перед впусканням в інший каталітичний шар, або видалення продукту з частково прореагованої газоподібної проточної суміші в теплообміннику з проміжним шаром. У варіантах здійснення винаходу з декількома шарами видалення продуктів реакції між двома каталітичними шарами, а саме з газоподібної суміші, що виходить з першого каталітичного шару, дозволяє живити більш реакційноздатною сумішшю другий каталітичний шар. Винахід можна використовувати незалежно від потоку в каталітичному шарі, який може бути, наприклад, осьовим, радіальним, змішаним осьовим-радіальним, поперечним або горизонтальним потоком. У деяких варіантах здійснення винаходу в каталітичний шар вмонтований теплообмінник для забезпечення ізотермічного режиму, тобто для підтримки температури шару в межах заданого діапазону шляхом підведення або відведення тепла. Даний винахід можна поєднувати з іонізатором, генеруючим іони. Іонізуючий засіб можна додати в схему розташування обладнання цього винаходу, подібним способом можна використовувати спільну дію ефекту діелектрофоретичної сили і іонізуючої здатності для збільшення поділу реагентів і продуктів. У цьому додатковому варіанті здійснення винаходу необхідно взяти до уваги орієнтацію електричного поля, так як іонізуюча здатність має ту ж орієнтацію вектора напруженості електричного поля. Головною перевагою пропонованого винаходу є більш висока конверсія реагентів завдяки здатності збільшення ступеня конверсії шляхом видалення продуктів з проточної системи. Загалом, секція синтезу хімічного продукту стає більш ефективною і менш енерговитратною. Інша пов'язана з цим перевага полягає в меншій витраті подачі реагентів, це перевага спостерігається, наприклад, в області синтезу метанолу і аміаку, де для стиснення свіжого газу, що містить реагенти, потрібні значні витрати енергії. Також знижуються енерговитрати при рециркуляції газоподібних продуктів. Інший позитивний ефект пропонованого винаходу полягає в тому, що хімічна енергія (у разі її екзотермічності) дає більше тепла завдяки більш високому виходу конверсії. Коли відвід тепла виробляє корисний ефект, наприклад, при виробленні гарячої пари, що використовують у процесі, отримують додаткову перевагу. Нижче спосіб роз'яснюється більш докладно. Просторово неоднорідне електричне поле генерує діелектрофоретичну силу FDEP на поляризованих частинках. Ця сила вказує на зону з більш сильним електричним полем. Ця сила визначається наступною формулою (1): FDEP  p  E (I) 4 UA 111943 C2 5 де: Е представляє електричне поле; р представляє (постійний або наведений) вектор дипольного моменту; ∆ представляє оператор Гамільтона. Формулу (1) можна далі розгорнути з урахуванням того, що наведений дипольний момент залежить від обсягу частинки та ефективної здатності поляризуватися, а саме: p  (  )    E 10 де:  представляє об'єм частинки; α представляє наведену поляризованість, яку можна розрахувати за формою частинок і діелектричних характеристик, включаючи електропровідність і діелектричну проникність, Ω представляє постійну здатність поляризуватися. Беручи до уваги формулу (II), формулу (I) можна переписати як: 15 FDEP  20 25 30 35 40 45 50 55 (II)        2 E 2 (III) показуючи, що знак електричного поля Е не впливає на напрям сили FDEP; іншими словами, навіть якщо напрямок електричного поля змінився на зворотний, сила FDEP і, отже, рух поляризованих частинок буде завжди спрямовано однаково, вказуючи на зону, де електричне поле сильніше. В деяких випадках α набагато більше, ніж Ω (α >>Ω), це означає, що наведений дипольний момент на кілька порядків нижче, ніж постійний (за наявності) дипольний момент. У цих випадках наведеним ЕДМ можна знехтувати. У всіх варіантах здійснення винаходу електрична напруга, прикладена до електродів для утворення електричного поля, складає переважно близько 1000 В і більш переважно знаходиться в діапазоні від 1000 до 15000 В (від 1 до 15кВ). Загалом, електричну напругу переважно збільшують, якщо потрібна велика сила FDEP на частинках і, отже, більш високий ступінь поділу. Величина (напруженість) електричного поля переважно знаходиться в діапазоні 10÷2000 кВ/м. Аспектом винаходу також є реактор, пристосований для проведення процесу згідно з доданою формулою винаходу. Відповідно до переважних варіантів здійснення винаходу мембрану виготовляють на основі оксиду алюмінію, діоксиду цирконію, діоксиду титану, діоксиду кремнію, вуглецю та цеоліту. Зокрема, оксид алюмінію, діоксид цирконію, діоксид титану більш придатні для виготовлення мезопористих мембран, тоді як діоксид кремнію, вуглець і цеоліт більш підходять для виготовлення мікропористих мембран. У бажаному варіанті здійснення винаходу згадана мембрана являє собою мікропористу -9 мембрану з діаметром пор менше 2 нм (2 × 10 м). Переважно, розміри електричного поля в кілька разів менше, ніж розміри пор мембрани, що забезпечує розвиток ефективного електричного поля. Товщина мембрани переважно (але цим не обмежується) менше ніж 10000 мкм і більше ніж 1000 мкм. Багатошарові мембрани переважніше одношарових мембран через більш високу механічну міцність. Більш переважно, мембрану виготовляють при температурі щонайменше на 100÷150 °C вище робочої температури для гарантування високої стабільності мембрани. Реактор може включати один або два позитивних електроди і один або декілька негативних електродів. Електроди можуть мати будь-яку форму, прикладами є подовжені електроди у вигляді стрижнів або по суті двовимірні електроди у вигляді пластин або елементів стінки; просту конфігурацію електродів, яку можна використовувати для здійснення винаходу, виготовляють із двох співвісних (коаксіальних) циліндрів. Внутрішній електрод в співвісному пристрої можна виготовити з прямого дроту. Хімічний реактор може включати один або декілька каталітичних шарів в апараті високого тиску. Електроди або щонайменше один електрод занурюють в каталітичний шар. У бажаному варіанті здійснення винаходу мембрана утворює щонайменше частину стінки каталітичного шару, що відокремлює шар від збірки продукту; перший електрод занурюють в каталітичний шар, протилежний електрод знаходиться поза шаром, переважно в збірнику продукту. Термін 5 UA 111943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 "електрод" може позначати ряд електродів. Неоднорідне електричне поле, що утворилося між електродами в процесі використання, сприяє проходженню молекул продуктів з каталітичного шару в напрямку збірника продукту. У бажаному варіанті здійснення винаходу з циліндричною симетрією, каталітичний шар має по суті кільцеву структуру і розташований навколо центральної труби, яка утворює збірник продукту. Циліндричний елемент стінки, занурений в каталітичний шар, утворює негативний електрод, тоді як один або декілька позитивних електродів розташовані усередині центральної труби. Проникна мембрана утворює частину граничної поверхні між кільцевим каталітичним шаром і центральним каналом. Іншим аспектом пропонованого винаходу є новий пристрій багатошарового конвертера, наприклад, для синтезу аміаку або метанолу. Багатошаровий конвертер включає кілька каталітичних шарів: свіже завантаження реагентів подають у перший шар, що потім послідовно реагує в наступному шарі (ах); реактор додатково включає кожухотрубний теплообмінник з проміжним шаром непрямої дії, в якому потік частково прореагувавшого газу, що виходить з одного з каталітичних шарів, надходить в міжтрубному зону і охолоджується перед подачею в іншу каталітичну зону і збірник продукту для потоку, що виходить з останнього каталітичного шару. Подібний конвертер характеризується наявністю: проникної мембрани, утворює щонайменше частину граничної стінки між міжтрубною зоною теплообмінника з проміжним шаром і збіркою продукту; щонайменше перший електрод, розташований в міжтрубній зоні теплообмінника з проміжним шаром, і другого електрода, розташованого в збірнику продукту; причому перший і другий електроди мають різні форми для генерування просторово неоднорідного електричного поля впоперек (через) мембрани при додатку до електродів електричної напруги. Даний варіант здійснення винаходу застосовується, наприклад, до відомого тришарового конвертера у формі бутля. Далі пропонований винахід роз'яснюється за допомогою нижченаведеного опису переважних і не обмежуючих варіантів здійснення винаходу. Наводиться приклад переваг, що досягаються на установці для виробництва аміаку. Короткий опис креслень На фіг. 1 показана базова схема способу видалення продуктів з газоподібної суміші, відповідно до одного варіанту здійснення винаходу. На фіг. 2 показаний ескіз осьового-радіального проточного конвертера, відповідно до одного з варіантів здійснення винаходу. На фіг. 3 показаний ескіз конвертера у відповідності з іншим варіантом здійснення винаходу. На фіг. 4 показана схема тришарового аміачного або метанольного конвертера у відповідності з рівнем техніки. На фіг. 5 показана блок-схема конвертера відповідно до фіг. 4. На фіг. 6 показана схема модифікації, яку можна використовувати для частини конвертера на фіг. 4 з метою здійснення цього винаходу. На фіг. 7 показана блок-схема модифікованого конвертера відповідно до фіг. 6. Детальний опис переважних варіантів здійснення На фіг. 1 посилальний номер 1 позначає перший електрод, а посилальний номер 2 - другий електрод. Перший електрод 1 і другий електрод 2 мають різні форми і розташовані на протилежних сторонах проникної мембрани 3. Мембрана 3 має малі пори, наприклад, мікропори, дозволяють проходити крізь неї молекулам газу при наявності рушійної сили в системі. У даному прикладі електрод 1 є негативним, а електрод 2 позитивним, однак протилежна конфігурація також працює аналогічним способом; коли електроди підключені до джерела енергії, лінії електричного поля 4, проходячи через мембрану 3, умовно розташовуються відповідно до фіг. 1, виходячи з негативного електрода 1 і вказуючи на позитивний електрод 2. Через різну форму електродів 1 і 2 генерується просторово неоднорідне електричне поле. Зокрема, лінії поля розташовуються ближче один до одного (тобто поле є сильнішим) поблизу позитивного електрода 2. Мембрана 3 утворює щонайменше частину граничної поверхні між першим і другим середовищами. У цьому прикладі першим середовищем є реакційний простір S і другим середовищем є зона С збору продукту. Простір S і зона С можуть бути, наприклад, різними середовищами хімічного реактору. Простір S може бути також поділяючим простором між двома каталітичними шарами. 6 UA 111943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 У реакційний простір S подають свіжий газ, що включає реагенти, молекули яких позначені як R1 і R2. Дані реагенти реагують з утворенням продукту Р, можливо, в присутності каталізатора. Молекула продукту Р має електричний дипольний момент, тоді як R1 і R2 електрично нейтральні або мають незначний дипольний момент, наприклад, в 5 разів менше, ніж ЕДМ продукту Р. Отже, молекули Р набагато чутливіші до електричного поля 4, ніж молекули R1 і R2. Під дією електричного поля 4 молекули Р піддаються дії діелектрофоретичної сили FDEP, спрямованої до позитивного електрода 2, тому молекули Р прагнуть до проходження крізь мембрану 3 і концентруються навколо позитивного електрода 2. Газоподібний продукт 5, що містить продукт Р, отримують в зоні С збору продукту. Це означає, що певна кількість продукту Р безперервно віддаляється з реакційного простору S, тоді як проточні реагенти R1 і R2 прагнуть залишитися в середовищі S будучи нечутливими до електричного поля 4, яке рухає молекули Р крізь мембрану. Якщо простір S являє собою розділовий простір між стадіями реакції, то він виробляє газоподібний потік 6 з низьким вмістом Р, який може бути більш реакційноздатним на наступній стадії реакції. Якщо молекули реагенту, наприклад, R1 проходять крізь пори мембрани 3 завдяки своїм розмірам, деяку кількість R1 виявляють в газоподібному продукті 5. У цьому випадку в традиційному сепараторі на основі мембрани буде спостерігатися значна втрата реагенту R1 крізь мембрану, в обхід, наприклад, подальшої стадії, реакції. Відповідно до пропонованих винаходом електричне поле 4 рухає молекули Р в напрямку мембрани, тоді як молекули R1 залишаються рівномірно розподіленими в просторі S. Це означає, що навіть якщо деякий реагент втрачено, проходячи крізь мембрану, співвідношення P/R1 в газоподібному продукті 5 є більш сприятливим порівняно з традиційною технікою на основі мембрани. Іншими словами, селективність видалення продукту Р з простору S більше і втрата корисного реагенту R1 менше. В прикладі синтезу аміаку, R1 являє собою водень (Н2), R2 - азот (N2) і продукт Р - аміак (NH3). У просторі S може знаходитися каталітичний шар. На фіг. 2 і 3 представлені два приклади. На фіг. 2 показаний реактор / конвертер, який включає циліндричну посудину 10, що містить кільцевий каталітичний шар 11, розташований навколо центрального каналу 12. Шар 11 має верхню зону 11А і нижню зону 11В. Реагенти входять на впуску 13 і рухаються в осьовому напрямку крізь шар 11. Продукти збирають за допомогою центрального каналу 12, який з'єднаний з випуском 14. Для підтримки квазі-ізотермічної операції в каталітичний шар 11 занурюють трубчастий або пластинчастий теплообмінник. Подібний пристрій осьового проточного реактору відомо і далі не буде описано. Негативний електрод 1 передбачений у формі циліндричної стінки усередині шару 11. Кілька позитивних електродів 2 розміщені всередині каналу 12. Ці позитивні електроди 2 мають форму, відмінну від форми негативного електрода 1. Проникна мембрани 3 утворює частину граничної поверхні між шаром 11 і каналом 12. На фіг. 2 показаний приклад варіанту здійснення винаходу з низкою позитивних електродів. Загалом, будь-який позитивний і / або негативний полюс електричного поля може бути утворений одним або декількома електродами. Свіжий газ 20, що містить реагенти, входить на впуску 13 і поступово конвертується, рухаючись в осьовому напрямку вниз в шарі 11 з верху до низу конвертера. Продуктовий потік 23 утворюється рядом проміжних, радіальних потоків 21, що проходять крізь мембрану 3, і нижнім потоком 22; в деяких промислових конвертерах лише нижній потік 22 забезпечує газову суміш на випуску. Концентрація реагентів крізь шар 11 поступово знижується зверху вниз і одночасно зростає концентрація продуктів. Завданням проміжних потоків 21 є видалення щонайменше деяких продуктів із шару з метою запобігання занадто високої концентрації продуктів (а саме, повільна реакція) в нижній зоні 11В шару. Електричне поле 4, спрямоване від зовнішнього електрода 1 до внутрішніх електродів 2, забезпечує більш високу концентрацію продуктів в проміжних радіальних потоках 21. У відсутність електричного поля значна частина реагентів видаляється крізь мембрану 3 і більше продуктів досягає нижньої зони 11В, що має два негативних ефекти: зниження ступеня конверсії в нижній зоні 11В шару і зменшення чистоти потоку 23. Завдяки запропонованому винаходу, поділ продуктів на основі мембрани є більш селективним і ступінь конверсії в нижній зоні 11В каталітичного шару вище, ніж у рівні техніки. На фіг. 3 показаний типовий варіант здійснення винаходу для конвертера синтезу аміаку. Селективне видалення продуктів (наприклад, аміаку) має місце в теплообміннику між двома кільцевими каталітичними шарами 31 і 32, що містяться в апараті 10. Електроди 1 і мембрана 3 є циліндричними елементами, концентрично розташованими на випуску першого шару 31. Відповідні теплообмінні елементи, наприклад, для охолодження газоподібних продуктів, 7 UA 111943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 розташовані між електродом 1 і мембраною 3. Електроди 2 знаходяться всередині каналу або труби 12, як у попередньому прикладі на фіг. 2. Що виходить з першого шару 31 потік 33 направляють у другий нижній шар 32. У цьому випадку перевага пропонованого винаходу полягає в більш ефективному використанні другого шару 32. Після реакції в шарі 31 газ охолоджують і одночасно продуктовий аміак частково відділяють за допомогою реагентів при пропуску крізь мембрану 3, розташовану у внутрішньому теплообміннику, завдяки рушійній силі, забезпеченої неоднорідним електричним полем, генерованим електродами з різною формою. Не прореагувавший газ, що виходить з теплообмінника, потім подають у другий шар 32, де більш високе співвідношення реагенти / продукт сприяє зрушенню рівноваги реакції в напрямі продуктів. Приклад Пропонований винахід представлено на прикладі тришарового конвертера з гартівним охолодженням. На фіг. 4 показаний конвертер в формі бутля у відповідності з конструкцією обмінного апарату з гартівним охолодженням. Цей конвертер відомий, наприклад, з US 4735780 і не описується в деталях. На фіг. 5 показана блок-схема конвертера. Загалом, конвертер включає: апарат 130, каталітичний контейнер 131, що містить три каталітичних шари 132, 133 і 134, кожухотрубний верхній підігрівач 135, теплообмінник 136 з проміжним шаром, через який проходить потік газу між другим шаром 133 і третім шаром 134. Теплообмінник 136 з проміжним шаром являє собою теплообмінник з пучком труб. Живильний потік 101 газу входить в конвертер через нижнє сопло 137 апарату і рухається вгору, промиваючи апарат в кільцевому просторі 138 між апаратом 130 і контейнером 131. Досягнувши верху конвертора, що живить газ входить в міжтрубну зону верхнього підігрівача 135, де підігрівається охолодженням гарячого продуктового газу 108 (фіг. 5). Отриманий таким чином підігрітий свіжий газ змішують з потоком 113 газу, що рухаються з трубної зони теплообмінника 136 з проміжним шаром. Температуру суміші можна регулювати за допомогою байпаса 112 свіжого газу. Газовий потік 103 є результатом змішання підігрітого свіжого газу, потоку 113 і, в кінцевому рахунку, байпаса 112. Потік 113 входить в перший і верхній шар 132, де частково вступає в реакцію. Після виходу з першого шару 132 частково прореагувавший потік 134 різко охолоджують свіжим газом 110; охолоджений газ 105 потім рухається крізь другий проміжний шар 133. Потік 106, що виходить з другого шару 133, охолоджують в міжтрубному просторі теплообмінника 136 з проміжним шаром перед входом в третій шар 134, нагріванням залишкового потоку живлячої газу 111, що рухається в трубах теплообмінника 136 і утворює згаданий потік 113. Охолоджений, частково прореагувавший газ 107, який являє собою суміш реагентів і продуктів, далі реагує в третьому шарі 134. Після виходу з третього шару 134 газовий потік 108, конвертований у продуктовий газ, проходить крізь трубний простір верхнього підігрівача 135 для підігріву свіжого завантаження 102 реагентів. Охолоджений потік 109 являє собою потік продуктового газу з конвертера. Гарячий продуктовий потік 108 збирають в центральному каналі 140 і направляють через цей канал з випуску нижнього каталітичного шару 134 у верхній підігрівач 135. Стінка труби 141 є граничної стінкою, що відокремлює канал 140 від кільцевого теплообмінника 136 з проміжним шаром (фіг. 4). У нижченаведених таблицях 1 і 2 міститься приклад витрати потоків і температур. Таблиця 1 Експлуатаційні умови всередині конвертера аміаку відповідно до фіг. 4. Пар № 101 102 103 104 105 106 107 108 Витрата кгмол/год. 26020 (*) 20070 18890 24840 23900 23900 23000 Tемпература °C 133,5 133,5 395,0 492,2 411,2 471,4 375,0 434,1 8 Тиск Бар.надл. 131,5 131,5 131 130,5 130,5 130,1 129,8 129,5 UA 111943 C2 Витрата кгмол/год. 23000 5950 9000 (*) Пар № 109 110 111 112 Tемпература °C 327,2 (**) 133,5 133,5 133,5 Тиск Бар.надл. 129,0 131,5 131,5 131,5 (*) Потоки 102+112=11070 кгмол/год. (**) Aдіабатична температура на випуску, без урахування втрат тепла Таблиця 2 Склад газу всередині конвертера аміаку відповідно до фіг. 4 Шар № 132 (верхній) 133 (проміжн.) 134 (нижній) Із конвертера 5 10 15 20 25 30 В Із В Із В Із NH3 1,91 8,28 6,75 10,94 10,94 15,30 15,30 H2 67,55 62,40 63,63 60,25 60,25 56,70 56,70 Склад газу, % мол. N2 CH4 17,68 9,10 15,66 9,67 16,14 9,53 14,82 9,90 14,82 9,90 13,43 10,29 13,43 10,29 Ar 3,76 3,99 3,94 4,09 4,09 4,25 4,25 Конвертор модифікований наступними кроками (фіг. 6,7). На фіг. 6 показаний ескіз теплообмінника 136 з проміжним шаром, де пунктирними лініями позначений трубний пучок. Щонайменше частина стінки труби 141 замінена проникною мембраною 300 на основі мікропористого цеоліту. Мембрана 300 відділяє перше середовище, яка є міжтрубним простором теплообмінника 136 з проміжним шаром, від каналу 140 збору продуктового газу. Перший електрод 301 встановлений у формі полого металевого циліндра, розташований у відповідності з кожухом теплообмінника 136 з проміжним шаром. Другий електрод 302 розташований усередині труби 140. Цей внутрішній електрод 302 являє собою позитивно чи негативно заряджену проволоку. У цьому випадку мембрана 300 розташована між внутрішнім електродом 302 і зовнішнім електродом 301. Електроди підключені до відповідного джерела енергії. При використанні прикладена електричне напруга становить 5000 В, і величина електричного поля становить близько 50 кВ / м. У відсутності додатка електричної напруги мембрана 300 поводиться як монолітна розділова стінка. Під час прикладання електричної напруги два концентричних циліндричних електроди 301 і 302 утворюють неоднорідне електричне поле, яке генерує рушійну силу для поляризованих частинок (або частинок, що мають постійний ЕДМ), що проходять крізь мембрану 300. Завдяки цьому проникненню крізь мембрану 300 з газоподібної суміші в міжтрубному просторі теплообмінника 136 з проміжним шаром відділяється потік 207а, збагачений аміаком. Цей потік 207а проходить крізь мембрану 300 в збірник 140. При цьому аміак видаляється із суміші в міжтрубному просторі теплообмінника, що утворює вхідний потік 207, спрямований у третій шар 134. Видалення аміаку робить потік 207 більше реакційноздатним в результаті зростання концентрації реагентів. Іншими словами, ступінь конверсії в третьому шарі 134 зростає в порівнянні з традиційною конструкцією. Потік 207а, збагачений аміаком, з'єднують, наприклад, з потоком 208а продуктового аміаку з третього шару, що піднімається вгору в збірнику 140 з утворенням продуктового потоку 208В (фіг. 7). Експлуатаційні характеристики модифікованого конвертера, при припущенні однакових початкових умов експлуатації та граничних умов (склад живильного газу, температура і тиск) на прикладі базового варіанту були розраховані нижченаведеним чином 9 UA 111943 C2 Таблиця 3 Експлуатаційні умови всередині модифікованого конвертера аміаку Потік № 201 202 203 204 205 206 207 207A 208A (***) 208B 209 210 211 212 Витрата [кгмол/год.] 26020 (*) 20070 18890 24840 23900 23120 790 21950 22740 22740 5950 9000 (*) Температура [°C] 133,5 133,5 395,0 492,2 411,2 471,4 375,0 375,0 454,8 451,1 344,4 (**) 133,5 133,5 133,5 Тиск [бар.надл.] 131,5 131,5 131 130,5 130,5 130,1 129,8 129,8 129,5 129,5 129,0 131,5 131,5 131,5 () Потоки 202+212=11070 кгмол/год. () Адіабатична температура на виході, без урахування втрат тепла () Після змішання між випуском з 3-ого шару і аміаком, що виходять з мембрани 300 Таблиця 4 Склад газу всередині модифікованого конвертера аміаку Шар № Впуск Випуск 133 Впуск Випуск 134 Впуск Випуск Потік 207A Із конвертера 132 5 10 NH3 1,91 8,28 6,75 10,94 7,92 13,64 100 16,62 H2 67,55 62,40 63,63 60,25 62,29 57,64 0 55,65 Склад газу, мол%. N2 17,68 15,66 16,14 14,82 15,32 13,48 0 13,02 CH4 9,10 9,67 9,53 9,90 10,24 10,78 0 10,41 Ar 3.76 3.99 3.94 4.09 4.23 4,45 0 4,30 Конверсія аміаку в конвертері аміаку зросла приблизно на 1,3 % з 15,3 мол. % (Див таблицю 2, випуск конвертера) до 16,62 мол. % (Див таблицю 4), збільшивши виробництво на установці для виробництва аміаку або, без збільшення продуктивності, знизивши одночасно циркуляцію в контурі синтезу і питоме навантаження холодильної установки контуру синтезу аміаку. Більш висока температура на випуску конвертера (344,4° С проти 327,2° С) збільшила також утилізацію тепла в контурі синтезу, знизивши енергоспоживання на установці. Використання цього винаходу знизило енергоспоживання на установці для виробництва аміаку на 0,1÷0,3 Гкал на кожну метричну тонну виробленого аміаку. Конверсію аміаку можна додатково збільшити шляхом збільшення електричної напруги між електродами. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 1. Спосіб селективного видалення газоподібного продукту (Р) з газоподібної системи, що включає цей продукт та інші компоненти (Rl, R2), в якому газоподібну систему впускають в перше середовище, яке відокремлене від другого середовища граничною стінкою, щонайменше частину якої формує проникна мембрана (3, 300); генерують просторово неоднорідне електричне поле (4) між першим електродом або першою групою електродів (1, 301), 10 UA 111943 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розташованих в першому середовищі, і другим електродом або другою групою електродів (2, 302), розташованих у другому середовищі, так що лінії цього неоднорідного електричного поля перетинають мембрану, і діелектрофоретична сила, що генерується на частинках газоподібного продукту (Р), є рушійною силою проникання через мембрану; селективно видаляють згаданий продукт (Р) з першого середовища і збирають у другому середовищі, причому частинки продукту (Р) мають постійний електричний дипольний момент, який більше, ніж електричний дипольний момент частинок інших компонентів (Rl, R2) газоподібної системи або частинок продукту (Р), поляризованість яких більше, ніж поляризованість частинок інших компонентів (Rl, R2) газоподібної системи, так що електричний дипольний момент, наведений на частинки продукту (Р) неоднорідним електричним полем, більше, ніж електричний дипольний момент, наведений тим же полем на інші компоненти системи. 2. Спосіб за п. 1, в якому постійний або наведений електричний дипольний момент згаданого продукту (Р) щонайменше на 50 % більше, ніж постійний або наведений електричний дипольний момент іншого компонента газоподібної системи, і переважно більше щонайменше у три рази. 3. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, у якому електричне поле неоднорідне внаслідок того, що перший електрод має форму, відмінну від форми другого електрода. 4. Спосіб за п. 3, в якому лінії електричного поля радіально спрямовані від першого електрода до другого електрода, причому перший електрод являє собою циліндричну поверхню і другий електрод являє циліндричну поверхню або дріт, коаксіальний з першим електродом. 5. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, у якому перше і друге середовище по суті знаходяться при одному і тому ж тиску. 6. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, у якому електрична напруга, прикладена до електродів, знаходиться в діапазоні від 1000 до 15000 В. 7. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, у якому величина просторово неоднорідного електричного поля знаходиться в діапазоні 102000 кВ/м. 8. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, у якому продукт, який підлягає видаленню, є продуктом хімічної реакції, та інші компоненти газоподібної системи включають реагенти цієї хімічної реакції, а селективне видалення продукту виконують безпосередньо в каталітичному шарі для цієї реакції або вище або нижче по потоку від каталітичного шару, або між двома каталітичними шарами. 9. Спосіб за п. 7, в якому згаданий продукт являє собою будь-який з продуктів, що включають аміак, метанол, ДМЕ, азотну кислоту, сірчану кислоту. 10. Хімічний реактор, призначений для здійснення способу за п. 1, який включає: впуск (13, 137) для завантаження реагентів, реакційний простір і збірник продукту (12, 140), проникну мембрану (3, 300), виконану з можливістю забезпечення щонайменше частини граничної стінки між першим і другим середовищами всередині реактора, причому перше середовище являє собою частину реакційного простору або середовище реактора, що живиться реагентами або сумішшю реагентів і продуктів, у проміжному положенні між такими, що граничать реакційними просторами, а друге середовище являє собою збірник продукту або його частину, реактор містить щонайменше перший і другий електроди, при цьому перший електрод розміщений в першому середовищі, а другий електрод - у другому середовищі, перший і другий електроди мають різні форми і виконані з можливістю генерування просторово неоднорідного електричного поля через мембрану при прикладанні до них електричної напруги, реактор додатково містить каталітичний шар (11), що має по суті кільцеву структуру і розташований навколо центральної труби (12), що утворює збірник продукту, негативний електрод, який являє собою циліндричний елемент стінки (1), занурений в каталітичний шар, і один або декілька позитивних електродів (2), розташованих усередині центральної труби, при цьому проникна мембрана (3) утворює частину граничної поверхні між кільцевим каталітичним шаром (11) і центральною трубою (12). 11. Хімічний реактор, призначений для здійснення способу за п. 1, який включає: впуск (13, 137) для загрузки реагентів, реакційний простір і збірник продукту (12, 140), проникну мембрану (3, 300), виконану з можливістю забезпечення щонайменше частини граничної стінки між першим і другим середовищами всередині реактора, причому перше середовище являє собою частину реакційного простору або середовище реактора, що живиться реагентами або сумішшю реагентів і продуктів, у проміжному положенні між такими, що граничать реакційними просторами, а друге середовище являє собою збірник продукту або його частину, 11 UA 111943 C2 5 10 15 20 25 30 реактор містить щонайменше перший і другий електроди, при цьому перший електрод розміщений в першому середовищі, а другий електрод - у другому середовищі, перший і другий електроди мають різні форми і виконані з можливістю генерування просторово неоднорідного електричного поля через мембрану при прикладанні до них електричної напруги, реактор додатково містить верхній каталітичний шар (31) і нижній каталітичний шар (32), що мають кільцеву структуру і розташовані навколо центральної труби (12) збірника продукту, а електроди (1, 2) і мембрана (3) розташовані коаксіально у випуску першого шару (31) і впуску другого шару (32). 12. Хімічний реактор, призначений для здійснення способу за п. 1, який являє собою багатошаровий конвертер, який містить декілька каталітичних шарів (132-134) з можливістю подачі в перший шар (132) свіжого завантаження реагентів, що реагують далі в наступному(их) шарі(ах), при цьому реактор додатково включає кожухотрубний теплообмінник (136) непрямої дії з проміжним шаром, в міжтрубний простір якого подається потік газового потоку, що частково прореагував, що виходить з одного з каталітичних шарів, з охолодженням перед подачею в наступний каталітичний шар, і реактор також включає збірник продукту (140) для потоку, що виходить з останнього каталітичного шару, причому: проникна мембрана (300) утворює щонайменше частину граничної стінки між міжтрубним простором теплообмінника з проміжним шаром і збірником продукту, щонайменше перший електрод (301) розташований в міжтрубному просторі теплообмінника з проміжним шаром, а другий електрод (302), розташований в збірнику продукту, перший і другий електроди мають різні форми і виконані з можливістю генерування просторового неоднорідного поля через мембрану при прикладенні до електродів електричної напруги. 13. Реактор за будь-яким з пп. 10-12, в якому вказана мембрана виготовлена на основі матеріалів, вибраних з оксиду алюмінію, оксиду цирконію, оксиду титану, діоксиду кремнію, вуглецю та цеоліту. 14. Реактор за будь-яким з пп. 10-12, в якому вказані електроди являють собою подовжені електроди у формі стрижнів або по суті двомірні електроди у формі пластин або елементів стінки, або два коаксіальних циліндри, або прямий дріт, що утворює внутрішній електрод, і циліндр, коаксіальний вказаному дроту, що утворює зовнішній електрод. 12 UA 111943 C2 13 UA 111943 C2 14 UA 111943 C2 15 UA 111943 C2 16 UA 111943 C2 17 UA 111943 C2 18 UA 111943 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 19