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 diferentes tareas: [2]
Los reactores de membrana son un ejemplo de 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 de equilibrio limitado . [4]
Las membranas selectivas dentro del reactor generan varios beneficios: la sección del reactor sustituye varios procesos posteriores . Además, eliminar un producto permite superar las limitaciones termodinámicas. [5] De esta forma, es posible alcanzar mayores conversiones de los reactivos o 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 las concentraciones de los reactivos y del producto, se logra un estado de equilibrio químico . [5] Si la temperatura y la presión son fijas, este estado de equilibrio es una limitación para la relación entre las concentraciones de productos y 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 más altas (o la misma conversión a menor temperatura). [6]
Sin embargo, existen varios obstáculos en la comercialización industrial debido a las dificultades técnicas en el diseño de membranas con estabilidad prolongada y debido a los altos costos de las membranas. [7] Además, falta un proceso que lidere la tecnología, aunque en los últimos años esta tecnología se ha aplicado con éxito a la producción de hidrógeno y a la deshidrogenación de hidrocarburos. [8]
Generalmente, los reactores de membrana se pueden clasificar según la posición de la membrana y la configuración del reactor. [1] Generalmente hay un catalizador en su interior: si el catalizador se instala dentro de la membrana, el reactor se llama reactor catalítico de membrana (CMR); [1] si el catalizador (y el soporte) están empaquetados y fijados en su interior, el reactor se denomina reactor de membrana de lecho empacado ; Si la velocidad del gas es lo suficientemente alta y el tamaño de las partículas 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 reactores toman el nombre del material de la membrana, por ejemplo, reactor de membrana de zeolita .
Entre estas configuraciones, en los últimos años se presta mayor atención, particularmente en la producción de hidrógeno, al lecho fijo y al lecho fluidizado: en estos casos el reactor estándar simplemente está integrado con membranas dentro del espacio de reacción. [9]
Hoy en día, el hidrógeno se utiliza principalmente en la industria química como reactivo en la producción de amoníaco y en la síntesis de metanol, y en procesos de refinería para el 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 sus bajos costes y a que se trata de 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 una intensificación del proceso incluyendo todas estas secciones en una sola unidad, con beneficios tanto económicos como medioambientales. [13]
Para ser adecuadas para la industria de producción de hidrógeno , las membranas deben tener un alto flujo, una alta selectividad hacia el hidrógeno, un bajo coste y una alta estabilidad. [14] Entre las membranas, las inorgánicas densas son las más adecuadas y tienen una selectividad de órdenes de magnitud mayor que las porosas. [15] Entre las membranas densas, las metálicas son las más utilizadas debido a sus mayores flujos 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 mediante 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]
Los biorreactores de membrana sumergidos y de corriente lateral en plantas de tratamiento de aguas residuales son los reactores de membrana basados en filtración más desarrollados. [ cita necesaria ]
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 sustituido a la electrólisis de diafragma. Nafion ha sido desarrollado como una membrana bicapa para soportar las duras condiciones durante la conversión química.
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 ambientes de reacción. Varias enzimas están unidas a membranas 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 a la célula mantener gradientes, por ejemplo, mediante el transporte activo de protones o agua. [ cita necesaria ]
El uso de una membrana natural es el primer ejemplo de utilización para una reacción química. Utilizando la permeabilidad selectiva de la vejiga de un cerdo , se podría eliminar agua de una reacción de condensación para cambiar la posición de equilibrio de la reacción hacia los productos de condensación según el principio de Le Châtelier .
Como las enzimas son macromoléculas y a menudo difieren mucho en tamaño de los reactivos, se pueden separar mediante filtración con membrana de exclusión de tamaño con membranas artificiales de ultra o nanofiltración. Se utiliza a escala industrial para la producción de aminoácidos enantiopuros mediante resolución cinética racémica 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 actividad o selectividad ya que permanece solubilizado. [ cita necesaria ]
El principio se puede aplicar a todos los catalizadores macromoleculares que pueden separarse de los demás reactivos mediante filtración. Hasta ahora sólo se han utilizado de forma significativa enzimas .
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 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 lipófilas . Esto se puede utilizar para superar las limitaciones termodinámicas de la condensación, por ejemplo, reacciones de esterificación eliminando agua.
En el proceso STAR [ cita necesaria ] 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.
La presión parcial de oxígeno debe ser baja para evitar la formación de mezclas explosivas y suprimir las reacciones sucesivas con monóxido de carbono , dióxido de carbono y agua . Esto se consigue utilizando un reactor tubular con una membrana selectiva para el 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 en el lado del metano.
