Reactor de membrana
Esquema de un reactor de membrana

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 habitualmente reactores de membrana. La membrana se puede utilizar para distintas 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 cuestiones críticas

Las membranas selectivas dentro del reactor tienen varias ventajas: la sección del reactor sustituye varios procesos posteriores . Además, la eliminación de un producto permite superar las limitaciones termodinámicas. [5] De esta manera, es posible alcanzar conversiones más altas de los reactivos o obtener la misma conversión con una temperatura más baja. [5]

Las reacciones reversibles suelen estar limitadas por la termodinámica: cuando las reacciones directas e inversas, cuya velocidad depende de las concentraciones de reactivos y productos, están equilibradas, se alcanza un estado de equilibrio químico . [5] Si la temperatura y la presión son fijas, este estado de equilibrio es una limitación para la relación de productos frente a concentraciones de reactivos, lo que obstruye 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 mayores (o la misma conversión a menor temperatura). [6]

Sin embargo, existen varios obstáculos para la comercialización industrial debido a las dificultades técnicas en el diseño de membranas con estabilidades prolongadas 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 del reactor

Reactores de membrana de lecho empacado y lecho fluidizado

Generalmente, los reactores de membrana se pueden clasificar según la posición de la membrana y la configuración del reactor. [1] Por lo general, hay un catalizador en el interior: si el catalizador está instalado dentro de la membrana, el reactor se llama reactor de membrana catalítica (CMR); [1] si el catalizador (y el soporte) están empaquetados y fijados en el interior, el reactor se llama reactor de membrana de lecho empaquetado ; 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 llama reactor de membrana de lecho fluidizado. [1] Otros tipos de reactores toman el nombre del material de la membrana, por ejemplo, reactor de membrana de zeolita .

Entre estas configuraciones, en los últimos años se ha prestado mayor atención, 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 la síntesis de metanol, y en procesos de refinería para hidrocraqueo. [10] Además, existe un creciente interés en su uso como portador de energía y como combustible en pilas de combustible. [10]

Actualmente, más del 50% del hidrógeno se produce 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 se componen de 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 oscilación de presión para la purificación del hidrógeno. [12] Los reactores de membrana realizan una intensificación del proceso al incluir todas estas secciones en una sola unidad, con beneficios tanto económicos como ambientales. [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, teniendo órdenes de magnitud de selectividad mayores que las porosas. [15] Entre las membranas densas, las metálicas son las más utilizadas debido a flujos más altos en comparación con las cerámicas. [9]

El material más utilizado en las membranas de separación de hidrógeno es el paladio, en particular su aleación con plata. Este metal, aunque es más caro que otros, presenta una solubilidad muy alta frente al hidrógeno. [16]

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, luego se divide en átomos de hidrógeno; estos átomos atraviesan la membrana por difusión y luego se recombinan nuevamente en moléculas de hidrógeno en el lado de baja presión de la membrana; luego, se desorben de la superficie. [14]

En los últimos años se han realizado varios trabajos para estudiar la integración de membranas de paladio dentro 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. [ cita requerida ]

Reactores electroquímicos de membrana 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 conductor de protones . Se utiliza a gran escala y ha reemplazado a la electrólisis de diafragma. Nafion se ha desarrollado como una membrana bicapa para soportar las duras condiciones durante la conversión química.

Sistemas biológicos

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 las reacciones y los 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 uso del transporte activo de protones o agua. [ cita requerida ]

El uso de una membrana natural es el primer ejemplo de su utilización en una reacción química. Mediante el uso de la permeabilidad selectiva de la vejiga de un cerdo , se podría extraer agua de una reacción de condensación para desplazar la posición de equilibrio de la reacción hacia los productos de condensación según el principio de Le Chatelier .

Exclusión de tamaño: reactor de membrana enzimático

Como las enzimas son macromoléculas y a menudo difieren mucho en tamaño de los reactivos, se pueden separar mediante filtración por membrana de exclusión por tamaño con membranas artificiales de ultrafiltración o nanofiltración. Esto 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 400 t/a. [18] La ventaja de este método sobre otras formas de inmovilización del catalizador es que las enzimas no se alteran en su actividad o selectividad ya que permanecen solubilizadas. [ cita requerida ]

El principio se puede aplicar a todos los catalizadores macromoleculares que se pueden separar de los demás reactivos mediante filtración. Hasta ahora, solo se han utilizado enzimas de forma significativa.

Reacción combinada con pervaporación.

En la pervaporación se utilizan membranas densas para la separación. En el caso de las membranas densas, la separación se rige por la diferencia del potencial químico de los componentes en la membrana. La selectividad del transporte a través de la membrana depende de la diferencia de solubilidad de los materiales en la membrana y de su difusividad a través de la membrana. Por ejemplo, para la eliminación selectiva de agua mediante el uso de membranas lipofílicas . Esto se puede utilizar para superar las limitaciones termodinámicas de la condensación, por ejemplo, en las reacciones de esterificación mediante la eliminación de agua.

Dosificación: Oxidación parcial de metano a metanol

En el proceso STAR [ cita requerida ] para la conversión catalítica de metano del gas natural con oxígeno del aire, a metanol mediante la oxidación parcial
2CH 4 + O 2 2CH 3 OH. → {\displaystyle \flecha derecha}

La presión parcial de oxígeno debe ser baja para evitar la formación de mezclas explosivas y suprimir la reacción sucesiva de monóxido de carbono , dióxido de carbono y agua . Esto se logra utilizando un reactor tubular con una membrana selectiva de oxígeno . La membrana permite la distribución uniforme del oxígeno, ya que la fuerza impulsora para la permeación del oxígeno a través de la membrana es la diferencia de presiones parciales en el lado del aire y el lado del metano.

Notas

  1. ^ abcd Gallucci y Basile 2011, pag. 1.
  2. ^ Basile, De Falco y CentiIaquaniello 2016, p. 9.
  3. ^ De Falco, Marrelli y Iaquaniello 2011, p. 2.
  4. ^ De Falco, Marrelli y Iaquaniello 2011, p. 110.
  5. ^ abcd De Falco, Marrelli y Iaquaniello 2011, p. 3.
  6. ^ De Falco, Marrelli y Iaquaniello 2011, p. 7.
  7. ^ Basile, De Falco y CentiIaquaniello 2016, p. 12.
  8. ^ Basile, De Falco y CentiIaquaniello 2016, p. 13.
  9. ^ ab Gallucci, Fausto; Medrano, Jose; Fernandez, Ekain; Melendez, Jon; Van Sint Annaland, Martin; Pacheco, Alfredo (1 de julio de 2017). "Avances en membranas basadas en 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.
  10. ^ ab De Falco, Marrelli y Iaquaniello 2011, p. 103.
  11. ^ Di Marcoberardino, Gioele; Foresti, Stefano; Binotti, Marco; Manzolini, Giampaolo (julio de 2018). "Potencialidad de un reformador de membrana de biogás para la producción descentralizada de hidrógeno". Ingeniería química y procesamiento - Intensificación de procesos . 129 : 131–141. Bibcode :2018CEPPI.129..131D. doi : 10.1016/j.cep.2018.04.023 . hdl : 11311/1057444 .
  12. ^ De Falco, Marrelli y Iaquaniello 2011, p. 108.
  13. ^ 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 . hdl : 11311/1077208 .
  14. ^ ab Gallucci, Fausto; Fernandez, Ekain; Corengia, Pablo; van Sint Annaland, Martin (abril de 2013). "Avances recientes en membranas y reactores de membrana para la producción de hidrógeno". Chemical Engineering Science . 92 : 40–66. Bibcode :2013ChEnS..92...40G. doi :10.1016/j.ces.2013.01.008.
  15. ^ Cardoso, Simão P; Azenha, Ivo S; Lin, Zhi; Portugal, Inés; Rodrigues, Alírio E; Silva, Carlos M (4 de diciembre de 2017). "Membranas inorgánicas para la separación de hidrógeno". Reseñas de separación y purificación . 47 (3): 229–266. doi :10.1080/15422119.2017.1383917.
  16. ^ Basile, De Falco y CentiIaquaniello 2016, p. 7.
  17. ^ Arratibel, Alba; Pacheco Tanaka, Alfredo; Laso, Iker; van Sint Annaland, Martin; Gallucci, Fausto (marzo de 2018). "Desarrollo de membranas de doble piel basadas en Pd para la producción de hidrógeno en reactores de membrana de lecho fluidizado" (PDF) . Journal of Membrane Science . 550 : 536–544. doi :10.1016/j.memsci.2017.10.064.
  18. ^ 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 . Springer. 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 de membranas y aplicaciones . Wiley. ISBN 978-0-470-74372-0.
  • 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
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