막반응기

Membrane reactor
막형 원자로의 스케치

막반응기는 화학변환과정과 막분리과정을 결합하여 반응물질을 첨가하거나 [1]반응생성물을 제거하는 물리적 장치이다.

막을 사용하는 화학반응기는 보통 막반응기라고 한다.막은 다양한 작업에 [2]사용할 수 있습니다.

  • 분리
  • 반응물의 분배/투여
  • 촉매 지원(대개 반응물 분포와 결합)

멤브레인 원자로는 예를 들어 화학 [3]반응에 의한 멤브레인 여과와 같은 두 단위 작동을 한 단계에서 조합하는 사례이다.반응 섹션과 반응 물질의 선택적 추출의 통합은 평형 값에 비해 변환의 향상을 가능하게 한다.이러한 특성은 멤브레인 원자로를 평형 제한 흡열 [4]반응을 수행하기에 적합하게 만든다.

이점 및 중요한 문제

원자로 내부의 선택적 막은 몇 가지 이점을 가져옵니다. 즉, 원자로 섹션은 몇 가지 다운스트림 프로세스를 대체합니다.또한 제품을 제거하면 열역학 [5]한계를 초과할 수 있습니다.이렇게 하면 반응물의 높은 변환에 도달하거나 낮은 [5]온도에서 동일한 변환을 얻을 수 있다.

가역적 반응은 보통 열역학에 의해 제한된다: 반응물과 생성물 농도에 따라 속도가 달라지는 직접 반응과 역반응이 균형을 이룰 때,[5] 화학적 평형 상태가 달성된다.온도와 압력이 고정되면 이 평형 상태가 생성물 대 반응물 농도의 비율에 대한 제약이 되어 더 높은 [5]변환에 도달할 가능성을 방해한다.

이 한계는 반응의 산물을 제거함으로써 극복할 수 있습니다. 이렇게 하면 시스템이 평형에 도달할 수 없고 반응이 계속되면서 더 높은 변환(또는 더 낮은 [6]온도에서 동일한 변환)에 도달합니다.

그럼에도 불구하고, 산업 상용화에는 오랜 안정성을 지닌 막을 설계하는 기술적 어려움과 높은 [7]막 비용으로 인해 몇 가지 장애물이 있다.또한, 최근 몇 년 동안 수소 생산과 탄화수소 [8]탈수소화에 성공적으로 적용되었다고 해도, 이 기술을 이끄는 공정이 부족하다.

원자로 구성

포장 바닥 및 유동 바닥막 원자로

일반적으로 멤브레인 원자로는 멤브레인 위치와 원자로 구성에 [1]따라 분류할 수 있다.보통의 촉매제가 안에:이 촉매는 세포막 내부에 설치될 경우 원자로 촉매 막형 반응기(CMR에 의하여)라고 불린다;만약 그 촉매인(대들보)고 안에 고정되어 있[1], 원자로 가스의 속도가 충분히 그 입자 크기 작은 데의, 유동화된 침대 막형 반응기라 불립니다.o바닥이 발생하고 원자로를 유동층막 [1]원자로라고 부른다.다른 유형의 원자로는 막 재료(예: 제올라이트 막 원자로)에서 이름을 따왔다.

이러한 구성 중에서 최근 몇 년 동안 특히 수소 생산에 있어 고정층 및 유동층에 더 많은 관심이 집중되었다. 이 경우 표준 원자로는 반응 [9]공간 내의 막과 통합되어 있을 뿐이다.

수소 생산용 막형 원자로

오늘날 수소는 주로 암모니아 생산과 메탄올 합성의 반응물질로 화학 산업에서 사용되며,[10] 수소 분쇄를 위한 정제 공정에서 사용됩니다.게다가, 연료 [10]전지에서의 에너지 운반체 및 연료로서의 사용에 대한 관심이 높아지고 있다.

현재 수소의 50% 이상이 천연가스의 증기 개질에서 생산되고 있는데, 이는 저렴한 비용과 성숙한 [11]기술이기 때문이다.기존 공정은 천연가스에서 신가스를 생산하는 증기 개질부, 신가스에서 수소를 증강하는 2개의 수소가스 시프트 리액터 및 수소 [12]정화를 위한 압력 스윙 흡착 유닛으로 구성되어 있다.멤브레인 원자로는 이러한 모든 섹션을 단일 단위로 포함하는 프로세스 강화를 경제 및 환경적 [13]편익을 모두 제공한다.

수소 제조용 막

수소 생산 산업에 적합하기 위해서는 막이 높은 플럭스, 높은 선택성, 낮은 비용 및 높은 [14]안정성을 가져야 합니다.막 중에서는 다공질보다 [15]선택도가 큰 것이 가장 적합하다.고밀도 막 중에서는 세라믹 [9]막에 비해 플럭스가 높아 금속 막이 가장 많이 사용된다.

수소 분리막에서 가장 많이 사용되는 물질은 팔라듐이며, 특히 은 합금입니다.이 금속은 다른 금속보다 비싸더라도 [16]수소에 대한 용해도가 매우 높다.

팔라듐막 내부의 수소의 수송 메커니즘은 용액/확산 메커니즘을 따릅니다: 수소 분자는 막의 표면에 흡착된 후 수소 원자로 분할됩니다; 이 원자들은 확산을 통해 막의 저압 쪽에서 다시 수소 분자로 재결합합니다; th표면에서 [14]탈착됩니다.

최근에는 수소 [17]생산을 위한 유동층막 원자로 내 팔라듐막의 통합을 연구하기 위한 여러 작업이 수행되었다.

기타 응용 프로그램

폐수 처리용 막 생물반응기

폐수 처리 공장의 수중 및 측류 막 생물 반응기는 가장 개발된 여과 기반 막 원자로이다.

전기화학막 반응기 에코MR

NaCl로부터의 염화물(Cl2)과 가성소다 NaOH의 생산은 프로톤 전도성 고분자 전해질막을 이용한 염소-알칼리 공정에 의해 산업적으로 이루어진다.이것은 대규모로 사용되며 횡격막 전기 분해를 대체했습니다.나피온은 화학변환 시 가혹한 조건에 견딜 수 있는 양층막으로 개발되었습니다.

생물계

생체 시스템에서 막은 많은 필수 기능을 수행합니다.생체 세포의 구획화는 막에 의해 이루어진다.반투과성을 통해 반응과 반응 환경을 분리할 수 있습니다.많은 효소가 막에 결합되어 있고 종종 인공막처럼 수동적이기 보다는 막을 통한 질량수송은 활성화되어 있어 세포가 예를 들어 양성자나 물의 능동수송을 사용하여 구배를 유지할 수 있게 한다.

자연막의 사용은 화학반응에 대한 이용의 첫 번째 예이다.돼지 방광의 선택적 투과성을 이용하여 르 샤텔리에의 원리에 따라 응축물 쪽으로 반응의 평형 위치를 이동시키기 위해 응축 반응에서 물을 제거할 수 있었다.

크기 제외:효소막반응기

효소는 고분자이며 종종 반응물질과 크기가 크게 다르기 때문에 초미세 또는 나노 여과 인공막으로 크기 제외 막 여과하여 분리할 수 있다.이것은 화학적으로 유도된 라세미 아미노산의 동적 라세미크 분해능에 의한 에난티오푸어 아미노산의 생산을 위해 산업 규모로 사용된다.가장 두드러진 예는 400t/a 스케일에서의 [18]L-메티오닌 생산이다.촉매의 다른 고정화 형태에 비해 이 방법의 장점은 효소가 가용화 상태를 유지하므로 활성이나 선택성이 변경되지 않는다는 것입니다.

이 원리는 여과로 다른 반응 물질과 분리될 수 있는 모든 고분자 촉매에 적용될 수 있습니다.지금까지는 효소만 상당히 많이 사용되었습니다.

반응과 퍼베이션을 조합하다

퍼포레이션에서는 분리를 위해 고밀도 막이 사용됩니다.고밀도 막의 경우 분리는 막 내 구성 요소의 화학적 전위차에 의해 제어된다.막을 통한 수송의 선택성은 막 내 물질의 용해성 차이와 막 내에서의 확산도에 따라 달라집니다.예를 들어 친유성 막을 이용한 선택적 물 제거.이것은 예를 들어 물을 제거함으로써 에스테르화 반응과 같은 응축의 열역학적 한계를 극복하는 데 사용될 수 있다.

투여량 : 메탄올에서 메탄올로의 부분 산화

천연가스에서 메탄과 공기의 산소의 촉매변환을 위한 STAR[citation needed] 공정에서 부분 산화에 의한 메탄올로의 전환
2CH4 + O2 {\ 화살표 2CHOH3.

산소 분압은 폭발성 혼합물의 형성을 방지하고 일산화탄소, 이산화탄소 및 물에 대한 연속적인 반응을 억제하기 위해 낮아야 합니다.이것은 산소 선택막이 있는 관형 원자로를 사용함으로써 달성된다.막은 공기 쪽과 메탄 쪽에서의 분압의 차이가 막에 산소를 투과시키는 원동력이기 때문에 산소의 균일한 분배를 가능하게 한다.

메모들

  1. ^ a b c d Galucci 2011, 페이지 1. 오류:: CITREEF 2011
  2. ^ Basile 2016, 페이지 9. 오류:: 2016
  3. ^ De Falco 2011, 페이지 2. 오류:: 2011
  4. ^ De Falco 2011, 페이지 110. 오류:: 2011
  5. ^ a b c d De Falco 2011, 페이지 3. 오류:: 2011
  6. ^ De Falco 2011, 페이지 7. 오류:: 2011
  7. ^ Basile 2016, 페이지 12. 오류:: 2016
  8. ^ Basile 2016, 페이지 13. 오류:: 2016
  9. ^ a b Gallucci, Fausto; Medrano, Jose; Fernandez, Ekain; Melendez, Jon; Van Sint Annaland, Martin; Pacheco, Alfredo (1 July 2017). "Advances on High Temperature Pd-Based Membranes and Membrane Reactors for Hydrogen Purifcation and Production". Journal of Membrane Science and Research. 3 (3): 142–156. doi:10.22079/jmsr.2017.23644. ISSN 2476-5406.
  10. ^ a b De Falco 2011, 페이지 103. 오류::
  11. ^ Di Marcoberardino, Gioele; Foresti, Stefano; Binotti, Marco; Manzolini, Giampaolo (July 2018). "Potentiality of a biogas membrane reformer for decentralized hydrogen production". Chemical Engineering and Processing - Process Intensification. 129: 131–141. doi:10.1016/j.cep.2018.04.023.
  12. ^ De Falco 2011, 페이지 108. 오류:: 2011
  13. ^ Di Marcoberardino, Gioele; Liao, Xun; Dauriat, Arnaud; Binotti, Marco; Manzolini, Giampaolo (8 February 2019). "Life Cycle Assessment and Economic Analysis of an Innovative Biogas Membrane Reformer for Hydrogen Production". Processes. 7 (2): 86. doi:10.3390/pr7020086.
  14. ^ a b Gallucci, Fausto; Fernandez, Ekain; Corengia, Pablo; van Sint Annaland, Martin (April 2013). "Recent advances on membranes and membrane reactors for hydrogen production". Chemical Engineering Science. 92: 40–66. doi:10.1016/j.ces.2013.01.008.
  15. ^ Cardoso, Simão P; Azenha, Ivo S; Lin, Zhi; Portugal, Inês; Rodrigues, Alírio E; Silva, Carlos M (4 December 2017). "Inorganic Membranes for Hydrogen Separation". Separation & Purification Reviews. 47 (3): 229–266. doi:10.1080/15422119.2017.1383917.
  16. ^ Basile 2016, 페이지 7. 오류:: 2016
  17. ^ Arratibel, Alba; Pacheco Tanaka, Alfredo; Laso, Iker; van Sint Annaland, Martin; Gallucci, Fausto (March 2018). "Development of Pd-based double-skinned membranes for hydrogen production in fluidized bed membrane reactors". Journal of Membrane Science. 550: 536–544. doi:10.1016/j.memsci.2017.10.064.
  18. ^ 공업용 생물 변환, 제2판, 완전 개정 증보판 Andreas Liese(편집자), 카르스텐 Seelbach(편집자), Christian Wandrey(편집자) ISBN 978-3-527-31001-2.

레퍼런스

  • Gallucci, Fausto; Basile, Angelo (2011). Membranes for membrane reactors : preparation, optimization, and selection. Wiley. ISBN 978-0-470-74652-3.
  • Basile, Angelo; De Falco, Marcello; Centi, Gabriele; Iaquaniello, Gaetano (2016). Membrane reactor engineering: applications for a greener process industry. Wiley. ISBN 978-1-118-90680-4.
  • De Falco, Marcello; Marrelli, Luigi; Iaquaniello, Gaetano (2011). Membrane reactors for hydrogen production processes. Springer. ISBN 978-0-85729-150-9.
  • Ho, W. S. Winston; Sirkar, Kamalesh K. (1992). Membrane handbook. Springer Science+Business Media New York. ISBN 978-1-4613-6575-4.
  • Baker, Richard W. (2012). Membrane technology and applications. Wiley. ISBN 978-0-470-74372-0.

외부 링크