Мембранный реактор
Эскиз мембранного реактора

Мембранный реактор — это физическое устройство, которое объединяет процесс химического преобразования с процессом мембранного разделения для добавления реагентов или удаления продуктов реакции. [1]

Химические реакторы, использующие мембраны, обычно называют мембранными реакторами. Мембрана может использоваться для различных задач: [2]

  • Разделение
    • Селективное извлечение продуктов
    • Удержание катализатора
  • Распределение/дозирование реагента
  • Поддержка катализатора (часто в сочетании с распределением реагентов)

Мембранные реакторы являются примером объединения двух единичных операций в один шаг, например, мембранной фильтрации с химической реакцией. [3] Интеграция реакционной секции с селективным извлечением реагента позволяет повысить конверсию по сравнению с равновесным значением. Эта характеристика делает мембранные реакторы подходящими для выполнения эндотермических реакций, ограниченных равновесием . [4]

Преимущества и критические проблемы

Селективные мембраны внутри реактора приводят к нескольким преимуществам: реакторная секция заменяет несколько последующих процессов . Более того, удаление продукта позволяет превзойти термодинамические ограничения. [5] Таким образом, можно достичь более высоких конверсий реагентов или получить ту же конверсию при более низкой температуре. [5]

Обратимые реакции обычно ограничены термодинамикой: когда прямые и обратные реакции, скорость которых зависит от концентраций реагентов и продуктов, уравновешены, достигается состояние химического равновесия . [5] Если температура и давление фиксированы, это состояние равновесия является ограничением для соотношения концентраций продуктов и реагентов, препятствуя возможности достижения более высоких конверсий. [5]

Этот предел можно преодолеть, удалив продукт реакции: таким образом, система не сможет достичь равновесия, и реакция продолжится, достигая более высоких конверсий (или той же конверсии при более низкой температуре). [6]

Тем не менее, существует несколько препятствий для промышленной коммерциализации из-за технических трудностей в проектировании мембран с длительной стабильностью и из-за высокой стоимости мембран. [7] Более того, отсутствует процесс, который бы лидировал в технологии, даже если в последние годы эта технология успешно применялась для производства водорода и дегидрирования углеводородов. [8]

Конфигурации реактора

Мембранные реакторы с насадочным и псевдоожиженным слоем

Как правило, мембранные реакторы можно классифицировать на основе положения мембраны и конфигурации реактора. [1] Обычно внутри находится катализатор: если катализатор установлен внутри мембраны, реактор называется каталитическим мембранным реактором (CMR); [1] если катализатор (и носитель) упакованы и закреплены внутри, реактор называется мембранным реактором с насадочным слоем ; если скорость газа достаточно высока, а размер частиц достаточно мал, происходит псевдоожижение слоя, и реактор называется мембранным реактором с псевдоожиженным слоем. [1] Другие типы реакторов берут свое название от материала мембраны, например, цеолитный мембранный реактор.

Среди этих конфигураций в последние годы, особенно при производстве водорода, большее внимание уделяется неподвижному слою и псевдоожиженному слою: в этих случаях стандартный реактор просто интегрируется с мембранами внутри реакционного пространства. [9]

Мембранные реакторы для производства водорода

Сегодня водород в основном используется в химической промышленности в качестве реагента при производстве аммиака и синтезе метанола, а также в процессах нефтепереработки для гидрокрекинга. [10] Более того, растет интерес к его использованию в качестве энергоносителя и топлива в топливных элементах. [10]

Более 50% водорода в настоящее время производится путем парового риформинга природного газа из-за низких затрат и того факта, что это зрелая технология. [11] Традиционные процессы состоят из секции парового риформинга для производства синтез-газа из природного газа, двух реакторов конверсии водяного газа, которые повышают содержание водорода в синтез-газе, и блока адсорбции при переменном давлении для очистки водорода. [12] Мембранные реакторы обеспечивают интенсификацию процесса, включая все эти секции в одном блоке, что дает как экономические, так и экологические преимущества. [13]

Мембраны для производства водорода

Чтобы быть пригодными для промышленности по производству водорода , мембраны должны иметь высокий поток, высокую селективность по отношению к водороду, низкую стоимость и высокую стабильность. [14] Среди мембран наиболее подходящими являются плотные неорганические, имеющие селективность на порядки больше, чем пористые. [15] Среди плотных мембран наиболее используются металлические из-за более высоких потоков по сравнению с керамическими. [9]

Наиболее часто используемый материал в мембранах для разделения водорода — палладий, особенно его сплав с серебром. Этот металл, хотя и дороже других, показывает очень высокую растворимость по отношению к водороду. [16]

Механизм транспорта водорода внутри палладиевых мембран следует механизму растворения/диффузии: молекула водорода адсорбируется на поверхности мембраны, затем она расщепляется на атомы водорода; эти атомы проходят через мембрану посредством диффузии, а затем снова рекомбинируют в молекулу водорода на стороне низкого давления мембраны; затем она десорбируется с поверхности. [14]

В последние годы было проведено несколько работ по изучению интеграции палладиевых мембран в реакторы с псевдоожиженным слоем для производства водорода. [17]

Другие приложения

Мембранные биореакторы для очистки сточных вод

Погружные и боковые мембранные биореакторы на очистных сооружениях являются наиболее разработанными мембранными реакторами на основе фильтрации. [ необходима ссылка ]

Электрохимические мембранные реакторы ecMR

Производство хлорида (Cl2 ) и каустической соды NaOH из NaCl осуществляется в промышленных масштабах хлорщелочным методом с использованием протонпроводящей полиэлектролитной мембраны. Она используется в больших масштабах и заменила диафрагменный электролиз. Nafion был разработан как двухслойная мембрана, выдерживающая жесткие условия во время химического преобразования.

Биологические системы

В биологических системах мембраны выполняют ряд важных функций. Компартментализация биологических клеток достигается мембранами. Полупроницаемость позволяет разделять реакции и реакционные среды. Ряд ферментов связаны с мембраной, и часто массовый транспорт через мембрану является активным, а не пассивным, как в искусственных мембранах , что позволяет клетке поддерживать градиенты, например, с помощью активного транспорта протонов или воды. [ необходима цитата ]

Использование натуральной мембраны является первым примером использования для химической реакции. Используя избирательную проницаемость мочевого пузыря свиньи , можно было удалить воду из реакции конденсации, чтобы сместить положение равновесия реакции в сторону продуктов конденсации в соответствии с принципом Ле Шателье .

Исключение размера: ферментный мембранный реактор

Поскольку ферменты являются макромолекулами и часто сильно отличаются по размеру от реагентов, их можно разделить с помощью мембранной фильтрации с исключением размера с использованием искусственных мембран ультра- или нанофильтрации. Это используется в промышленных масштабах для производства энантиочистых аминокислот путем кинетического рацемического разделения химически полученных рацемических аминокислот. Наиболее ярким примером является производство L- метионина в масштабе 400 т/год. [18] Преимущество этого метода перед другими формами иммобилизации катализатора заключается в том, что активность или селективность ферментов не изменяются, поскольку они остаются солюбилизированными. [ необходима цитата ]

Принцип может быть применен ко всем макромолекулярным катализаторам, которые могут быть отделены от других реагентов с помощью фильтрации. До сих пор в значительной степени использовались только ферменты .

Реакция в сочетании с первапорацией

При первапорации для разделения используются плотные мембраны. Для плотных мембран разделение регулируется разницей химического потенциала компонентов в мембране. Селективность транспорта через мембрану зависит от разницы в растворимости материалов в мембране и их диффузии через мембрану. Например, для селективного удаления воды с использованием липофильных мембран. Это может быть использовано для преодоления термодинамических ограничений конденсации, например, реакций этерификации путем удаления воды.

Дозирование: Частичное окисление метана в метанол

В процессе STAR [ требуется ссылка ] для каталитической конверсии метана из природного газа с кислородом воздуха в метанол путем частичного окисления
2CH 4 + O 2 2CH 3 OH. → {\displaystyle \rightarrow}

Парциальное давление кислорода должно быть низким, чтобы предотвратить образование взрывоопасных смесей и подавить последовательную реакцию на оксид углерода , диоксид углерода и воду . Это достигается с помощью трубчатого реактора с кислород -селективной мембраной. Мембрана обеспечивает равномерное распределение кислорода, поскольку движущей силой для проникновения кислорода через мембрану является разница парциальных давлений на стороне воздуха и стороне метана.

Примечания

  1. ^ abcd Gallucci & Basile 2011, с. 1.
  2. ^ Базиль, Де Фалько и CentiIaquaniello 2016, стр. 9.
  3. ^ Де Фалько, Маррелли и Якуаньелло 2011, стр. 2.
  4. ^ Де Фалько, Маррелли и Якуаньелло 2011, стр. 110.
  5. ^ abcd Де Фалько, Маррелли и Якуаньелло 2011, стр. 3.
  6. ^ Де Фалько, Маррелли и Якуаньелло 2011, стр. 7.
  7. ^ Базиль, Де Фалько и CentiIaquaniello 2016, стр. 12.
  8. ^ Базиль, Де Фалько и CentiIaquaniello 2016, стр. 13.
  9. ^ ab Gallucci, Fausto; Medrano, Jose; Fernandez, Ekain; Melendez, Jon; Van Sint Annaland, Martin; Pacheco, Alfredo (1 июля 2017 г.). «Достижения в области высокотемпературных мембран на основе Pd и мембранных реакторов для очистки и производства водорода». Журнал мембранной науки и исследований . 3 (3): 142–156. doi :10.22079/jmsr.2017.23644. ISSN  2476-5406.
  10. ^ ab De Falco, Marrelli & Iaquaniello 2011, стр. 103.
  11. ^ Ди Маркоберардино, Джоэле; Форести, Стефано; Бинотти, Марко; Манцолини, Джампаоло (июль 2018 г.). «Потенциал реформера биогазовой мембраны для децентрализованного производства водорода». Химическая инженерия и переработка — интенсификация процессов . 129 : 131–141. Bibcode : 2018CEPPI.129..131D. doi : 10.1016/j.cep.2018.04.023 . hdl : 11311/1057444 .
  12. ^ Де Фалько, Маррелли и Якуаньелло 2011, стр. 108.
  13. ^ Ди Маркоберардино, Джоэле; Ляо, Сюнь; Дориа, Арно; Бинотти, Марко; Манцолини, Джампаоло (8 февраля 2019 г.). «Оценка жизненного цикла и экономический анализ инновационного мембранного риформера биогаза для производства водорода». Процессы . 7 (2): 86. doi : 10.3390/pr7020086 . hdl : 11311/1077208 .
  14. ^ ab Gallucci, Fausto; Fernandez, Ekain; Corengia, Pablo; van Sint Annaland, Martin (апрель 2013 г.). «Последние достижения в области мембран и мембранных реакторов для производства водорода». Chemical Engineering Science . 92 : 40–66. Bibcode : 2013ChEnS..92...40G. doi : 10.1016/j.ces.2013.01.008.
  15. ^ Кардозу, Симау П; Азенья, Иво С; Линь, Чжи; Португалия, Инес; Родригес, Алирио Э; Сильва, Карлос М. (4 декабря 2017 г.). «Неорганические мембраны для разделения водорода». Обзоры разделения и очистки . 47 (3): 229–266. дои : 10.1080/15422119.2017.1383917.
  16. ^ Базиль, Де Фалько и CentiIaquaniello 2016, с. 7.
  17. ^ Арратибель, Альба; Пачеко Танака, Альфредо; Ласо, Икер; ван Синт Анналанд, Мартин; Галлуччи, Фаусто (март 2018 г.). «Разработка двухслойных мембран на основе Pd для производства водорода в реакторах с мембранами с псевдоожиженным слоем» (PDF) . Журнал мембранной науки . 550 : 536–544. doi :10.1016/j.memsci.2017.10.064.
  18. ^ Промышленные биотрансформации, 2-е, полностью переработанное и расширенное издание Андреас Лизе (редактор), Карстен Зилбах (редактор), Кристиан Вандри (редактор) ISBN 978-3-527-31001-2 . 

Ссылки

  • Галлуччи, Фаусто; Базиль, Анджело (2011). Мембраны для мембранных реакторов: подготовка, оптимизация и выбор . Wiley. ISBN 978-0-470-74652-3.
  • Базиле, Анджело; Де Фалько, Марчелло; Сенти, Габриэле; Иакуаниелло, Гаэтано (2016). Мембранная реакторная инженерия: применение для более экологичной перерабатывающей промышленности . Wiley. ISBN 978-1-118-90680-4.
  • Де Фалько, Марчелло; Маррелли, Луиджи; Иакуаниелло, Гаэтано (2011). Мембранные реакторы для процессов производства водорода . Springer. ISBN 978-0-85729-150-9.
  • Ho, WS Winston; Sirkar, Kamalesh K. (1992). Справочник по мембранам . Springer Science+Business Media New York. ISBN 978-1-4613-6575-4.
  • Бейкер, Ричард В. (2012). Мембранная технология и ее применение . Wiley. ISBN 978-0-470-74372-0.
  • Сайт европейского проекта Fuelcell, посвященный применению мембранных реакторов для конверсии биоэтанола
  • Сайт европейского проекта Bionico, посвященный применению мембранных реакторов в производстве водорода из биогаза
  • Сайт европейского проекта Macbeth, посвященный различным применениям мембранных реакторов и их индустриализации
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Мембранный_реактор&oldid=1228964205"