新型流化床膜反应器的应用基础研究

Gas-solid reactions play important roles in chemical process industries. Fluidized-bed membrane reactors (FBMRs) can be used to in-situ separate catalysts from gas products in the gas-solid reaction process. They significantly improve the operational efficiency of catalysts, purify the product and thus protect the atmospheric environment. Based on the understanding of the high-temperature stability of membrane materials, cooperative mechanisms between transmission and reaction, and membrane fouling mechanism, which restrict the industrial application of FBMRs, this proposal is to make fundamental investigations on the FBMRs in complicated gas-solid reaction environment using the synthesis of organosilicon monomers as the model reaction. A major emphasis will be placed on understanding new rules of chemical engineering and materials science and promoting industrial application of FBMRs. This study will involve the following tasks: 1) Reveal evolution rules of membrane materials and microstructures in the typical reaction atmospheres, and look for the ways to improve high-temperature stabilities and operational life of membrane materials, 2) Explore the cooperative mechanisms between gas-solid reaction and membrane separation, and develop the cooperative methods of controlling heterogeneous reaction systems, 3) Demonstrate the mechanisms of cake layer formation on and removal from the membrane surface, and establish structure-functionality relationships between the membrane parameters and applied performance.

气固相反应是化学工业中应用最广、规模最大的一种反应过程。流化床膜反应器可在高温下实现气固相反应过程中气相产物与固相催化剂的原位分离，有效提高催化剂使用效率，同时实现产物净化与大气环境保护。针对制约流化床膜反应器工程化应用的膜材料高温稳定性、传递与反应协同机制、膜污染机理与控制等一系列难题，本申请项目以有机硅单体合成为模型反应，开展复杂气固相反应环境下流化床膜反应器的应用基础研究，认知化学工程学科与材料科学交叉领域的新规律，促进流化床膜反应器的工程化应用。主要研究内容包括：1）揭示典型反应气氛中膜材料及膜微结构的演变规律，探索提高膜材料高温稳定性及使用寿命的途径；2）明晰气固相反应过程与膜分离过程耦合机制，发展多相反应体系传递与反应过程的协同控制方法；3）明确膜面滤饼形成与反吹脱除机理，建立膜性质参数与过程应用性能之间的构效关系。

气固相反应是化学工业中应用最广、规模最大的一种反应过程。流化床膜反应器可在高温下实现气固相反应过程中气相产物与固相催化剂的原位分离，有效提高催化剂使用效率，同时实现产物净化与大气环境保护。针对制约流化床膜反应器工程化应用的膜材料高温稳定性、传递与反应协同机制、膜污染机理与控制等一系列难题，本项目设计制备了用于高温气固分离的碳化硅膜材料，系统研究了其在复杂高温气相环境下的微结构演变规律，发展了引入纳米纤维提高膜强度的方法；以有机硅单体合成为模型反应，模拟了流化床反应器内部的流体动力学过程，研究气固反应过程与膜分离过程耦合机制，优化了流化床膜反应器的过程控制参数；开发了模板法等多种陶瓷膜表面形貌调整方法，实现了陶瓷膜表面形貌的控制，在此基础上考察了膜面微观形貌对粒子吸附沉积的影响，揭示了污染物与膜表面间物理化学作用规律，通过研究发现二甲基二氯硅烷(DMDC) 选择性与Si粉转化率分别为84%以上和42%左右，当催化剂浓度小于4%(质量)时，二甲基二氯硅烷的选择性均可维持在85%以上，不同催化剂浓度下，陶瓷膜对粉尘的截留率均可达100%。本项目的实施提高了流化床膜反应器在化工与石油化工、新能源、环境等领域的应用性能，对气固相反应过程的发展具有重要的科学意义，其研究结果促进了陶瓷膜技术在高温气固分离过程的推广应用，目前已在催化反应过程、高温窑炉等建立示范工程3项。项目执行期间，获国家技术发明二等奖一项（2014），入选国家重点研发计划青年科学家、江苏省六大人才高峰高层次人才培养工程、江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师等。发表期刊论文24篇(SCI收录18篇，EI收录10篇)，申请中国发明专利22项（已授权4项），申请PCT专利2项，申请美国专利2项，培养研究生20多名。