Un reactor de membrana es un dispositivo físico que combina un proceso de conversión química con un proceso de separación de membrana para agregar reactivos o eliminar productos de la reacción. [1]
Los reactores químicos que utilizan membranas se denominan normalmente reactores de membrana. La membrana se puede utilizar para diferentes tareas: [2]
- Separación
- Extracción selectiva de productos
- Retención del catalizador
- Distribución / dosificación de un reactivo
- Soporte de catalizador (a menudo combinado con distribución de reactivos)
Los reactores de membrana son un ejemplo de la combinación de dos operaciones unitarias en un solo paso, por ejemplo, la filtración por membrana con la reacción química. [3] La integración de la sección de reacción con la extracción selectiva de un reactivo permite una mejora de las conversiones en comparación con el valor de equilibrio. Esta característica hace que los reactores de membrana sean adecuados para realizar reacciones endotérmicas limitadas por el equilibrio . [4]
Beneficios y problemas críticos
Las membranas selectivas dentro del reactor dan lugar a varios beneficios: la sección del reactor sustituye a varios procesos posteriores . Además, la eliminación de un producto permite superar las limitaciones termodinámicas. [5] De esta forma, es posible alcanzar mayores conversiones de los reactivos u obtener la misma conversión con una temperatura más baja. [5]
Las reacciones reversibles suelen estar limitadas por la termodinámica: cuando se equilibran las reacciones directas e inversas, cuya velocidad depende de los reactivos y las concentraciones de producto, se alcanza un estado de equilibrio químico . [5] Si la temperatura y la presión son fijas, este estado de equilibrio es una restricción para la relación de los productos frente a las concentraciones de reactivos, obstruyendo la posibilidad de alcanzar conversiones más altas. [5]
Este límite se puede superar eliminando un producto de la reacción: de esta manera, el sistema no puede alcanzar el equilibrio y la reacción continúa, alcanzando conversiones más altas (o la misma conversión a menor temperatura). [6]
Sin embargo, existen varios obstáculos en una comercialización industrial debido a las dificultades técnicas en el diseño de membranas con largas estabilidades y debido a los altos costos de las membranas. [7] Además, existe una falta de un proceso que lidere la tecnología, incluso si en los últimos años esta tecnología se aplicó con éxito a la producción de hidrógeno y la deshidrogenación de hidrocarburos. [8]
Configuraciones de reactores
Generalmente, los reactores de membrana se pueden clasificar basándose en la posición de la membrana y la configuración del reactor. [1] Por lo general, hay un catalizador en el interior: si el catalizador se instala dentro de la membrana, el reactor se denomina reactor de membrana catalítica (CMR); [1] si el catalizador (y el soporte) están empaquetados y fijados en el interior, el reactor se denomina reactor de membrana de lecho empacado ; si la velocidad del gas es lo suficientemente alta y el tamaño de partícula es lo suficientemente pequeño, se produce la fluidización del lecho y el reactor se denomina reactor de membrana de lecho fluidizado. [1] Otros tipos de reactor toman el nombre de material de membrana, por ejemplo, reactor de membrana de zeolitas.
Entre estas configuraciones, se ha prestado una mayor atención en los últimos años, particularmente en la producción de hidrógeno, al lecho fijo y al lecho fluidizado: en estos casos, el reactor estándar simplemente se integra con membranas dentro del espacio de reacción. [9]
Reactores de membrana para la producción de hidrógeno
En la actualidad, el hidrógeno se utiliza principalmente en la industria química como reactivo en la producción de amoníaco y síntesis de metanol, y en procesos de refinería para hidrocraqueo. [10] Además, existe un interés creciente en su uso como portador de energía y como combustible en pilas de combustible. [10]
Más del 50% del hidrógeno se produce actualmente a partir del reformado con vapor de gas natural, debido a los bajos costos y al hecho de que es una tecnología madura. [11] Los procesos tradicionales están compuestos por una sección de reformado con vapor, para producir gas de síntesis a partir de gas natural, dos reactores de desplazamiento de gas de agua que mejoran el hidrógeno en el gas de síntesis y una unidad de adsorción por cambio de presión para la purificación de hidrógeno. [12] Los reactores de membrana realizan un proceso de intensificación que incluye todas estas secciones en una sola unidad, con beneficios tanto económicos como medioambientales. [13]
Membranas para la producción de hidrógeno
Para ser adecuadas para la industria de producción de hidrógeno , las membranas deben tener un alto flujo, alta selectividad hacia el hidrógeno, bajo costo y alta estabilidad. [14] Entre las membranas, las inorgánicas densas son las más adecuadas y tienen una selectividad en órdenes de magnitud mayor que las porosas. [15] Entre las membranas densas, las metálicas son las más utilizadas debido a los flujos más altos en comparación con las cerámicas. [9]
El material más utilizado en las membranas de separación de hidrógeno es el paladio, particularmente su aleación con plata. Este metal, aunque es más caro que otros, muestra una solubilidad muy alta frente al hidrógeno. [dieciséis]
El mecanismo de transporte de hidrógeno dentro de las membranas de paladio sigue un mecanismo de solución / difusión: la molécula de hidrógeno se adsorbe en la superficie de la membrana y luego se divide en átomos de hidrógeno; estos átomos atraviesan la membrana a través de la difusión y luego se recombinan nuevamente en una molécula de hidrógeno en el lado de baja presión de la membrana; luego, se desorbe de la superficie. [14]
En los últimos años se han realizado varios trabajos para estudiar la integración de membranas de paladio en el interior de reactores de membrana de lecho fluidizado para la producción de hidrógeno. [17]
Otras aplicaciones
Biorreactores de membrana para el tratamiento de aguas residuales
Los biorreactores de membrana sumergidos y de corriente lateral en las plantas de tratamiento de aguas residuales son los reactores de membrana basados en filtración más desarrollados.
Reactores de membrana electroquímica ecMR
La producción de cloruro (Cl 2 ) y sosa cáustica NaOH a partir de NaCl se lleva a cabo industrialmente mediante el proceso cloro-álcali utilizando una membrana de polielectrolito conductora de protones. Se utiliza a gran escala y ha sustituido a la electrólisis de diafragma. Nafion se ha desarrollado como una membrana bicapa para resistir las duras condiciones durante la conversión química.
Sistemas biologicos
En los sistemas biológicos, las membranas cumplen una serie de funciones esenciales. La compartimentación de las células biológicas se consigue mediante membranas. La semipermeabilidad permite separar reacciones y entornos de reacción. Varias enzimas están unidas a la membrana y, a menudo, el transporte de masa a través de la membrana es activo en lugar de pasivo como en las membranas artificiales , lo que permite que la célula mantenga gradientes, por ejemplo, mediante el transporte activo de protones o agua.
El uso de una membrana natural es el primer ejemplo de la utilización de una reacción química. Mediante el uso de la permeabilidad selectiva de la vejiga de un cerdo , el agua podría eliminarse de una reacción de condensación para cambiar la posición de equilibrio de la reacción hacia los productos de condensación de acuerdo con el principio de Le Châtelier .
Exclusión de tamaño: Reactor de membrana enzimática
Como las enzimas son macromoléculas y a menudo difieren mucho en tamaño de los reactivos, pueden separarse mediante filtración por membrana de exclusión por tamaño con membranas artificiales de ultra o nanofiltración. Se utiliza a escala industrial para la producción de aminoácidos enantiopuros mediante resolución racémica cinética de aminoácidos racémicos derivados químicamente . El ejemplo más destacado es la producción de L- metionina a una escala de 400t / a. [18] La ventaja de este método sobre otras formas de inmovilización del catalizador es que las enzimas no se alteran en actividad o selectividad ya que permanece solubilizado.
El principio se puede aplicar a todos los catalizadores macromoleculares que pueden separarse de los demás reactivos mediante filtración. Hasta ahora, solo se han utilizado enzimas de manera significativa.
Reacción combinada con pervaporación.
En la pervaporación, se utilizan membranas densas para la separación. Para membranas densas, la separación se rige por la diferencia del potencial químico de los componentes de la membrana. La selectividad del transporte a través de la membrana depende de la diferencia en la solubilidad de los materiales en la membrana y su difusividad a través de la membrana. Por ejemplo, para la eliminación selectiva de agua mediante el uso de membranas lipofílicas . Esto puede usarse para superar las limitaciones termodinámicas de la condensación, por ejemplo, reacciones de esterificación eliminando agua.
Dosificación: oxidación parcial de metano a metanol
En el proceso STAR [ cita requerida ] para la conversión catalítica de metano de gas natural con oxígeno del aire, a metanol por oxidación parcial
2CH 4 + O 2 2CH 3 OH.
La presión parcial de oxígeno debe ser baja para evitar la formación de mezclas explosivas y para suprimir la reacción sucesiva al monóxido de carbono , el dióxido de carbono y el agua . Esto se logra mediante el uso de un reactor tubular con una membrana selectiva de oxígeno . La membrana permite la distribución uniforme de oxígeno ya que la fuerza impulsora para la permeación de oxígeno a través de la membrana es la diferencia de presiones parciales en el lado del aire y en el lado del metano.
Notas
- ↑ a b c d Gallucci , 2011 , p. 1.
- ↑ Basile , 2016 , p. 9.
- ↑ De Falco , 2011 , p. 2.
- ↑ De Falco , 2011 , p. 110.
- ↑ a b c d De Falco , 2011 , p. 3.
- ↑ De Falco , 2011 , p. 7.
- ↑ Basile , 2016 , p. 12.
- ↑ Basile , 2016 , p. 13.
- ^ a b Gallucci, Fausto; Medrano, José; Fernández, Ekain; Meléndez, Jon; Van Sint Annaland, Martin; Pacheco, Alfredo (1 de julio de 2017). "Avances en membranas a base de Pd de alta temperatura y reactores de membrana para la purificación y producción de hidrógeno". Revista de ciencia e investigación de membranas . 3 (3): 142-156. doi : 10.22079 / jmsr.2017.23644 . ISSN 2476-5406 .
- ↑ a b De Falco , 2011 , p. 103.
- ^ Di Marcoberardino, Gioele; Foresti, Stefano; Binotti, Marco; Manzolini, Giampaolo (julio de 2018). "Potencialidad de un reformador de membranas de biogás para la producción descentralizada de hidrógeno" . Ingeniería y procesamiento químico - Intensificación de procesos . 129 : 131-141. doi : 10.1016 / j.cep.2018.04.023 .
- ↑ De Falco , 2011 , p. 108.
- ^ Di Marcoberardino, Gioele; Liao, Xun; Dauriat, Arnaud; Binotti, Marco; Manzolini, Giampaolo (8 de febrero de 2019). "Evaluación del ciclo de vida y análisis económico de un reformador de membrana de biogás innovador para la producción de hidrógeno" . Procesos . 7 (2): 86. doi : 10.3390 / pr7020086 .
- ^ a b Gallucci, Fausto; Fernández, Ekain; Corengia, Pablo; van Sint Annaland, Martin (abril de 2013). "Avances recientes en membranas y reactores de membrana para la producción de hidrógeno". Ciencias de la Ingeniería Química . 92 : 40–66. doi : 10.1016 / j.ces.2013.01.008 .
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- ↑ Basile , 2016 , p. 7.
- ^ Arratibel, Alba; Pacheco Tanaka, Alfredo; Laso, Iker; van Sint Annaland, Martin; Gallucci, Fausto (marzo de 2018). "Desarrollo de membranas de doble capa a base de Pd para la producción de hidrógeno en reactores de membrana de lecho fluidizado". Revista de ciencia de membranas . 550 : 536–544. doi : 10.1016 / j.memsci.2017.10.064 .
- ^ Biotransformaciones industriales, segunda edición, completamente revisada y ampliada Andreas Liese (Editor), Karsten Seelbach (Editor), Christian Wandrey (Editor) ISBN 978-3-527-31001-2 .
Referencias
- Gallucci, Fausto; Basile, Angelo (2011). Membranas para reactores de membrana: preparación, optimización y selección . Wiley. ISBN 978-0-470-74652-3.
- Basile, Angelo; De Falco, Marcello; Centi, Gabriele; Iaquaniello, Gaetano (2016). Ingeniería de reactores de membrana: aplicaciones para una industria de procesos más ecológica . Wiley. ISBN 978-1-118-90680-4.
- De Falco, Marcello; Marrelli, Luigi; Iaquaniello, Gaetano (2011). Reactores de membrana para procesos de producción de hidrógeno . Saltador. ISBN 978-0-85729-150-9.
- Ho, WS Winston; Sirkar, Kamalesh K. (1992). Manual de membranas . Springer Science + Business Media Nueva York. ISBN 978-1-4613-6575-4.
- Baker, Richard W. (2012). Tecnología y aplicaciones de membranas . Wiley. ISBN 978-0-470-74372-0.
enlaces externos
- Sitio web del proyecto europeo Fuelcell, sobre la aplicación de reactores de membrana para la conversión de bioetanol
- Sitio web del proyecto europeo Bionico, sobre la aplicación de reactores de membrana en la producción de hidrógeno a partir de biogás
- Sitio web del proyecto europeo Macbeth, sobre diversas aplicaciones de los reactores de membrana y su industrialización