Мембранный реактор - Membrane reactor

Эскиз мембранного реактора

А мембранный реактор это физическое устройство, которое сочетает в себе процесс химического преобразования с процесс мембранного разделения добавить реагенты или удалить продукты реакции.[1]

Химические реакторы, в которых используются мембраны, обычно называют мембранными реакторами. Мембрану можно использовать для разных задач:[2]

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

Мембранные реакторы - это пример комбинации двух единичные операции за один этап, например, мембранная фильтрация с химической реакцией.[3] Интеграция реакционной секции с селективным извлечением реагента позволяет улучшить конверсии по сравнению с равновесным значением. Эта характеристика делает мембранные реакторы пригодными для работы в условиях ограниченного равновесия. эндотермические реакции.[4]

Преимущества и важные проблемы

Селективные мембраны внутри реактора дают несколько преимуществ: секция реактора заменяет несколько последующие процессы. Более того, удаление продукта позволяет выйти за пределы термодинамических ограничений.[5] Таким образом можно достичь более высоких конверсий реагентов или получить такую ​​же конверсию при более низкой температуре.[5]

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

Этот предел может быть преодолен путем удаления продукта реакции: таким образом система не может достичь равновесия, и реакция продолжается, достигая более высоких конверсий (или таких же конверсий при более низкой температуре).[6]

Тем не менее, существует несколько препятствий на пути промышленной коммерциализации из-за технических трудностей в разработке мембран с длительной стабильностью и из-за высокой стоимости мембран.[7] Более того, отсутствует процесс, ведущий к 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 каталитический мембранный реактор (CMR);[1] если катализатор (и носитель) набиты и закреплены внутри, реактор называется мембранный реактор с уплотненным 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 получили название от мембранного материала, например, мембранный реактор с цеолитами.

Среди этих конфигураций в последние годы, особенно при производстве водорода, повышенное внимание уделяется неподвижному слою и псевдоожиженному слою: в этих случаях стандартный реактор просто объединяется 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 синтеза 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]

В настоящее время более 50% водорода 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 синтетического газа из природного газа, двух реакторов конверсии водяного газа, которые повышают содержание водорода в синтез-газе, и блока адсорбции с переменным давлением для очистки водорода.[12] Мембранные реакторы интенсифицируют процесс, объединяя все эти секции в одну единицу, что дает как экономические, так и экологические преимущества.[13]

Мембраны для производства водорода

Быть подходящим для производство водорода В промышленности мембраны должны обладать высокой текучестью, высокой селективностью по отношению к водороду, низкой стоимостью и высокой стабильностью.[14] Среди мембран наиболее подходящими являются плотные неорганические, обладающие избирательностью на порядки выше, чем пористые.[15] Среди плотных мембран больше всего используются металлические из-за более высоких флюсов по сравнению с керамическими.[9]

Чаще всего в мембранах для отделения водорода используется палладий, особенно его сплав с серебром. Этот металл, даже если он дороже других, показывает очень высокую растворимость по отношению к водороду.[16]

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

В последние годы было выполнено несколько работ по изучению интеграции палладиевых мембран в мембранные 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 развитыми мембранными реакторами на основе фильтрации.

Электрохимические мембранные реакторы ecMR

Производство хлорида (Cl2) и каустической соды NaOH из NaCl производят в промышленных условиях хлор-щелочным способом с использованием протонпроводящей полиэлектролитной мембраны. Он используется в больших масштабах и заменил диафрагменный электролиз. Нафион был разработан как двухслойная мембрана, чтобы выдерживать суровые условия во время химического преобразования.

Биологические системы

В биологических системах мембраны выполняют ряд важных функций. Разделение биологических клетки достигается мембранами. В полупроницаемость позволяет разделить реакции и реакционные среды. Номер ферменты связаны с мембраной, и часто массоперенос через мембрану активен, а не пассивен, как в искусственные мембраны, позволяя клетке выдерживать градиенты, например, используя активный транспорт протонов или воды.

Использование натуральной мембраны - это первый пример использования в химической реакции. Используя избирательную проницаемость свиной пузырь, воду можно удалить из реакции конденсации, чтобы сместить равновесное положение реакции в сторону продуктов конденсации в соответствии с принципом Ле Шателье.

Исключение по размеру: ферментный мембранный реактор

В качестве ферменты находятся макромолекулы и часто сильно отличаются по размеру от реагентов, их можно разделить с помощью гель-фильтрационной мембранной фильтрации с помощью ультра- или нанофильтрационных искусственных мембран. Это используется в промышленных масштабах для производства энантиочистка аминокислоты путем кинетического рацемического разделения химически полученных рацемический аминокислоты. Наиболее ярким примером является производство L-метионин в масштабе 400т / год.[18] Преимущество этого метода перед другими формами иммобилизация катализатора заключается в том, что активность или селективность ферментов не изменяется, поскольку он остается солюбилизированным.

Этот принцип может применяться ко всем макромолекулярным катализаторам, которые можно отделить от других реагентов с помощью фильтрации. Пока только ферменты были использованы в значительной степени.

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 растворимость материалов в мембране и их диффузионность через мембрану. Например, для селективного удаления воды с помощью липофильный мембраны. Это может быть использовано для преодоления термодинамических ограничений конденсации, например, этерификация реакции путем удаления воды.

Дозирование: частичное окисление метана до метанола.

В процессе STAR[нужна цитата ] для каталитического превращения метан из натуральный газ с кислород с воздуха, чтобы метанол путем частичного окисления
2CH4 + O2 2CH3ОЙ.

В частичное давление кислорода должно быть низким, чтобы предотвратить образование взрывоопасных смесей и подавить последовательную реакцию на монооксид углерода, углекислый газ и воды. Это достигается за счет использования трубчатого реактора с кислород -селективная мембрана. Мембрана обеспечивает равномерное распределение кислорода, поскольку движущей силой проникновения кислорода через мембрану является разница в парциальные давления со стороны воздуха и со стороны метана.

Примечания

  1. ^ а б c d Галлуччи 2011, п. 1.
  2. ^ Базиль 2016, п. 9.
  3. ^ Де Фалько 2011, п. 2.
  4. ^ Де Фалько 2011, п. 110.
  5. ^ а б c d Де Фалько 2011, п. 3.
  6. ^ Де Фалько 2011, п. 7.
  7. ^ Базиль 2016, п. 12.
  8. ^ Базиль 2016, п. 13.
  9. ^ а б Галуччи, Фаусто; Медрано, Хосе; Фернандес, Экаин; Мелендес, Джон; Ван Синт Анналанд, Мартин; Пачеко, Альфредо (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. Дои:10.22079 / jmsr.2017.23644. ISSN  2476-5406.
  10. ^ а б Де Фалько 2011, п. 103.
  11. ^ Ди Маркоберардино, Джоэле; Форести, Стефано; Бинотти, Марко; Манцолини, Джампаоло (июль 2018 г.). «Возможность установки мембранного риформинга биогаза для децентрализованного производства водорода». Химическая инженерия и обработка - интенсификация процессов. 129: 131–141. Дои:10.1016 / j.cep.2018.04.023.
  12. ^ Де Фалько 2011, п. 108.
  13. ^ Ди Маркоберардино, Джоэле; Ляо, Сюнь; Дауриат, Арно; Бинотти, Марко; Манцолини, Джампаоло (8 февраля 2019 г.). «Оценка жизненного цикла и экономический анализ инновационного реформатора биогазовой мембраны для производства водорода». Процессы. 7 (2): 86. Дои:10.3390 / pr7020086.
  14. ^ а б Галуччи, Фаусто; Фернандес, Экаин; Коренгия, Пабло; ван Синт Анналанд, Мартин (апрель 2013 г.). «Последние достижения в области мембран и мембранных реакторов для производства водорода». Химическая инженерия. 92: 40–66. Дои:10.1016 / j.ces.2013.01.008.
  15. ^ Кардозу, Симау П; Азенха, 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 2016, п. 7.
  17. ^ Арратибель, Альба; Пачеко Танака, Альфредо; Ласо, Икер; ван Синт-Анналанд, Мартин; Галуччи, Фаусто (март 2018 г.). «Разработка двустенных мембран на основе Pd для производства водорода в мембранных реакторах с псевдоожиженным слоем». Журнал мембрановедения. 550: 536–544. Дои:10.1016 / j.memsci.2017.10.064.
  18. ^ Промышленные биотрансформации, 2-е, полностью переработанное и расширенное издание Андреас Лизе (редактор), Карстен Зилбах (редактор), Кристиан Уандри (редактор)ISBN  978-3-527-31001-2.

Рекомендации

  • Галуччи, Фаусто; Базиль, Анджело (2011). Мембраны для мембранных реакторов: подготовка, оптимизация и выбор. Вайли. ISBN  978-0-470-74652-3.
  • Базиль, Анджело; Де Фалько, Марчелло; Сенти, Габриэле; Якуаньелло, Гаэтано (2016). Конструирование мембранных реакторов: приложения для более экологичной перерабатывающей промышленности. Вайли. ISBN  978-1-118-90680-4.
  • Де Фалько, Марчелло; Маррелли, Луиджи; Якуаньелло, Гаэтано (2011). Мембранные реакторы для процессов производства водорода. Springer. ISBN  978-0-85729-150-9.
  • Хо, У. С. Уинстон; Сиркар, Камалеш К. (1992). Справочник по мембранам. Springer Science + Business Media Нью-Йорк. ISBN  978-1-4613-6575-4.
  • Бейкер, Ричард В. (2012). Мембранные технологии и области применения. Вайли. ISBN  978-0-470-74372-0.

внешняя ссылка