Reator de membrana - Membrane reactor

Esboço de um reator de membrana

Um reator de membrana é um dispositivo físico que combina um processo de conversão química com um processo de separação por membrana para adicionar reagentes ou remover produtos da reação.

Os reatores químicos que utilizam membranas são geralmente chamados de reatores de membrana. A membrana pode ser usada para diferentes tarefas:

  • Separação
    • Extração seletiva de produtos
    • Retenção do catalisador
  • Distribuição / dosagem de um reagente
  • Suporte de catalisador (muitas vezes combinado com distribuição de reagentes)

Os reatores de membrana são um exemplo para a combinação de duas operações unitárias em uma etapa, por exemplo, filtração por membrana com a reação química. A integração da seção de reação com a extração seletiva de um reagente permite um aumento das conversões em relação ao valor de equilíbrio. Esta característica torna os reatores de membrana adequados para realizar reações endotérmicas de equilíbrio limitado .

Benefícios e questões críticas

Membranas seletivas dentro do reator levam a vários benefícios: a seção do reator substitui vários processos a jusante . Além disso, remover um produto permite ultrapassar as limitações da termodinâmica. Desta forma, é possível alcançar conversões mais altas dos reagentes ou obter a mesma conversão com uma temperatura mais baixa.

As reações reversíveis são geralmente limitadas pela termodinâmica: quando as reações diretas e reversas, cuja taxa depende das concentrações dos reagentes e do produto, são balanceadas, um estado de equilíbrio químico é alcançado. Se a temperatura e a pressão forem fixas, este estado de equilíbrio é uma restrição para a razão de produtos versus concentrações de reagentes, obstruindo a possibilidade de atingir conversões mais altas.

Este limite pode ser superado retirando um produto da reação: desta forma, o sistema não consegue atingir o equilíbrio e a reação continua, alcançando conversões mais altas (ou a mesma conversão em temperatura mais baixa).

No entanto, existem vários obstáculos em uma comercialização industrial devido às dificuldades técnicas em projetar membranas com longa estabilidade e devido aos altos custos das membranas. Além disso, falta um processo que conduza a tecnologia, ainda que nos últimos anos essa tecnologia tenha sido aplicada com sucesso na produção de hidrogênio e na desidrogenação de hidrocarbonetos.

Configurações do reator

Reatores de leito compactado e de membrana de leito fluidizado

Geralmente, os reatores de membrana podem ser classificados com base na posição da membrana e na configuração do reator. Normalmente existe um catalisador dentro: se o catalisador é instalado dentro da membrana, o reator é chamado de reator de membrana catalítica (CMR); se o catalisador (e o suporte) são compactados e fixados internamente, o reator é denominado reator de membrana de leito compactado ; se a velocidade do gás for alta o suficiente e o tamanho da partícula for pequeno o suficiente, ocorre a fluidização do leito e o reator é denominado reator de membrana de leito fluidizado. Outros tipos de reator recebem o nome de material de membrana, por exemplo, reator de membrana de zeólitos.

Dentre essas configurações, maior atenção nos últimos anos, principalmente na produção de hidrogênio, é dada ao leito fixo e ao leito fluidizado: nesses casos, o reator padrão é simplesmente integrado com membranas dentro do espaço de reação.

Reatores de membrana para produção de hidrogênio

Hoje, o hidrogênio é usado principalmente na indústria química como um reagente na produção de amônia e na síntese de metanol, e em processos de refinaria para hidrocraqueamento. Além disso, há um interesse crescente em seu uso como carreador de energia e como combustível em células a combustível.

Atualmente, mais de 50% do hidrogênio é produzido a partir da reforma a vapor do gás natural, devido aos baixos custos e ao fato de ser uma tecnologia madura. Os processos tradicionais são compostos por uma seção de reforma a vapor, para produzir gás de síntese a partir do gás natural, dois reatores de água a gás que aumentam o hidrogênio no gás de síntese e uma unidade de adsorção com oscilação de pressão para purificação do hidrogênio. Os reatores de membrana fazem uma intensificação do processo incluindo todas essas seções em uma única unidade, com benefícios econômicos e ambientais.

Membranas para produção de hidrogênio

Para serem adequadas à indústria de produção de hidrogênio , as membranas devem ter alto fluxo, alta seletividade em relação ao hidrogênio, baixo custo e alta estabilidade. Dentre as membranas, as inorgânicas densas são as mais indicadas, tendo uma seletividade ordens de magnitude maiores que as porosas. Dentre as membranas densas, as metálicas são as mais utilizadas devido aos maiores fluxos em relação às cerâmicas.

O material mais utilizado em membranas de separação de hidrogênio é o paládio, principalmente sua liga com prata. Este metal, mesmo sendo mais caro que os outros, apresenta uma solubilidade muito elevada em relação ao hidrogênio.

O mecanismo de transporte de hidrogênio dentro das membranas de paládio segue um mecanismo de solução / difusão: a molécula de hidrogênio é adsorvida na superfície da membrana e então é dividida em átomos de hidrogênio; esses átomos atravessam a membrana por difusão e, em seguida, recombinam-se novamente na molécula de hidrogênio no lado de baixa pressão da membrana; então, é dessorvido da superfície.

Nos últimos anos, vários trabalhos foram realizados para estudar a integração de membranas de paládio dentro de reatores de membrana de leito fluidizado para produção de hidrogênio.

Outras aplicações

Biorreatores de membrana para tratamento de águas residuais

Os biorreatores de membrana submersa e de fluxo lateral em estações de tratamento de águas residuais são os reatores de membrana à base de filtração mais desenvolvidos.

Reatores eletroquímicos de membrana ecMR

A produção de cloreto (Cl 2 ) e soda cáustica NaOH a partir do NaCl é realizada industrialmente pelo processo cloro-álcali usando uma membrana polieletrólita condutora de prótons. É usado em larga escala e substituiu a eletrólise do diafragma. Nafion foi desenvolvido como uma membrana de duas camadas para suportar as condições adversas durante a conversão química.

Sistemas biológicos

Em sistemas biológicos, as membranas cumprem várias funções essenciais. A compartimentação das células biológicas é realizada por membranas. A semipermeabilidade permite separar reações e ambientes de reação. Várias enzimas são ligadas à membrana e frequentemente o transporte de massa através da membrana é ativo em vez de passivo como nas membranas artificiais , permitindo que a célula mantenha gradientes, por exemplo, usando o transporte ativo de prótons ou água.

O uso de uma membrana natural é o primeiro exemplo de utilização para uma reação química. Usando a permeabilidade seletiva da bexiga de um porco , a água pode ser removida de uma reação de condensação para mudar a posição de equilíbrio da reação em direção aos produtos de condensação de acordo com o princípio de Le Châtelier .

Exclusão de tamanho: reator de membrana enzimática

Como as enzimas são macromoléculas e frequentemente diferem muito em tamanho dos reagentes, elas podem ser separadas por filtração por membrana de exclusão de tamanho com membranas artificiais de ultra ou nanofiltração. Isso é usado em escala industrial para a produção de aminoácidos enantiopuros por resolução racêmica cinética de aminoácidos racêmicos quimicamente derivados . O exemplo mais proeminente é a produção de L- metionina em uma escala de 400t / a. A vantagem deste método sobre outras formas de imobilização do catalisador é que as enzimas não são alteradas em atividade ou seletividade, uma vez que permanece solubilizado.

O princípio pode ser aplicado a todos os catalisadores macromoleculares que podem ser separados dos outros reagentes por meio de filtração. Até agora, apenas enzimas foram usadas de forma significativa.

Reação combinada com pervaporação

Na pervaporação, membranas densas são usadas para separação. Para membranas densas, a separação é governada pela diferença do potencial químico dos componentes da membrana. A seletividade do transporte através da membrana depende da diferença na solubilidade dos materiais na membrana e de sua difusividade através da membrana. Por exemplo, para a remoção seletiva de água usando membranas lipofílicas . Isso pode ser usado para superar as limitações termodinâmicas de condensação, por exemplo, reações de esterificação removendo água.

Dosagem: Oxidação parcial de metano em metanol

No processo STAR para a conversão catalítica do metano do gás natural com o oxigênio do ar, em metanol pela oxidação parcial
2CH 4 + O 2 2CH 3 OH.

A pressão parcial do oxigênio deve ser baixa para evitar a formação de misturas explosivas e para suprimir a reação sucessiva ao monóxido de carbono , dióxido de carbono e água . Isso é conseguido usando um reator tubular com uma membrana seletiva de oxigênio . A membrana permite a distribuição uniforme de oxigênio, já que a força motriz para a permeação de oxigênio através da membrana é a diferença nas pressões parciais do lado do ar e do lado do metano.

Notas

Referências

  • Gallucci, Fausto; Basile, Angelo (2011). Membranas para reatores de membrana: preparação, otimização e seleção . Wiley. ISBN   978-0-470-74652-3 .
  • Basile, Angelo; De Falco, Marcello; Centi, Gabriele; Iaquaniello, Gaetano (2016). Engenharia de reator de membrana: aplicações para uma indústria de processos mais ecológica . Wiley. ISBN   978-1-118-90680-4 .
  • De Falco, Marcello; Marrelli, Luigi; Iaquaniello, Gaetano (2011). Reatores de membrana para processos de produção de hidrogênio . Springer. ISBN   978-0-85729-150-9 .
  • Ho, WS Winston; Sirkar, Kamalesh K. (1992). Manual da membrana . Springer Science + Business Media New York. ISBN   978-1-4613-6575-4 .
  • Baker, Richard W. (2012). Tecnologia de membrana e aplicações . Wiley. ISBN   978-0-470-74372-0 .

links externos