Реакционно-мембранный процесс

Одним из интенсивно развивающихся направлений в химической технологии является создание мембранных реакторов, где в одном аппарате реализуется тот же принцип совмещения процессов. При протекании обратимой реакции продукты (или один из продуктов) непрерывно удаляются через стенку реактора, представляющую собой полупроницаемую мембрану, тем самым смещая реакцию в прямом направлении. Это увеличивает выход целевых продуктов, повышает селективность процесса, значительно упрощает аппаратурное оформление и в конечном счете приводит к рациональному использованию материалов и энергии.

Одна из возможностей реализации такого процесса связана с использованием селективных газоразделительных мембран. Рассмотрим, например, образование бензола из циклогексана согласно реакции:

С₆Н₁₂ ↔ С₆Н₆ + 3Н₂

Неравновесность этого процесса в проточном мембранном реакторе с микропористой стеклянной мембраной позволяет увеличить конверсию циклогексана в бензол примерно в 2,5 раза по сравнению с равновесной величиной. Особенно наглядно преимущества мембранного реактора проявляются при использовании палладиевой мембраны, проницаемой исключительно для водорода. Принципиальная схема такого реактора представлена на рис. 14.

Реализация процесса в подобном мембранном реакторе позволяет достигать степени конверсии 99,5% и более. Таким образом, бензол становится практически единственным компонентом на выходе из реактора, что исключает последовательную операцию разделения бензола и циклогексана, значительно снижая стоимость производства.

III IY

I С₆Н₁₂ → С₆Н₆ + 3Н₂ II

III IY

2 1 3 Y

Рис.14. Принципиальная схема мембранного реактора дегидрирования циклогексана с палладиевой мембраной

1-палладиевая мембрана, 2-катализатор, 3-наружная оболочка реактора, I-циклогексан, II-бензол, III-инертный газ-носитель, IV-удаляющаяся из сферы реакции смесь газа-носителя и водорода, Y – поток водорода

Следует отметить, что другим важнейшим направлением в разработке мембранных реакторов является изучение свойств катализаторов, стабилизированных на полимерных мембранах. В этом случае мембраны выполняют роль среды, в которой может создаваться высокая локальная концентрация реагирующих компонентов и необходимое окружение. Речь в частности идет о фотокаталитическом разложении сероводорода в присутствии коллоида CdS, иммобилизованного на фторсодержащей катионообменной мембране. Высокая химическая стойкость перфторированных полимерных мембран позволяет использовать их в агрессивных средах в широком температурном интервале. Сам процесс фоторазложения H₂S вызывает интерес в связи с поисками нетрадиционных энергоносителей, к которым относится и получающийся в результате реакции водород. Кроме того таким путем можно уменьшить воздействие на окружающую среду токсичных соединений серы, большое количество которых выделяется в качестве отходов в химических, металлургических и нефтехимических производствах. Наконец, элементная сера – второй продукт реакции – является ценным сырьем, и его источником могли бы стать газовые месторождения с высоким содержанием сероводорода.

В последние годы широкое распространение получили разработки мембранных реакторов, в которых химические превращения осуществляются под действием катализаторов биологического происхождения. Такого рода аппараты называют мембранными биореакторами. Решение комплексных проблем, связанных с применением мембранных биореакторов, включая производство, выделение, очистку ферментов и их использование в качестве иммобилизованных биокатализаторов, является сегодня ведущим направлением биотехнологии. Мембраны служат дешевой и надежной основой для иммобилизации ферментов и для создания компактных и гибких устройств, совмещающих процесс разделения с химической реакцией. Биокатализатор располагается с одной стороны мембраны, субстрат приводится в контакт с биокатализатором, а получающийся продукт, молекулы которого должны быть достаточно малы, проникает через мембрану. На рис.15 приведена одна из типичных схем устройства мембранного биореактора проточного типа.

Мембранные биореакторы позволяют многократно использовать биокатализатор и применяются для проведения реакций гидролиза белков, крахмала, целлюлозы. Более высокая степень интеграции химической реакции и мембранного разделения достигается в мембранных биореакторах на основе полых волокон (рис.16).

I

1 II

Рис.15. Схема проточного мембранного биореактора:

1 - биокатализатор; 2 - мембрана; 3 - насос;

I - исходная смесь; II - продукт

1 II

I II

Рис.16. Конфигурация биореактора с мембранами в виде

полых волокон:

1 - пучок полых волокон с нанесенным на их

поверхность ферментом; 2 - насос; 3 - корпус аппарата;

I - исходная смесь; II - продукт

Кроме того, режим работы таких аппаратов приближается к режиму идеального вытеснения, что позволяет достигать глубокой конверсии субстрата. Фермент в данном случае нанесен на внешнюю поверхность полого волокна, а субстрат прокачивается через внутренний объем. Продукт может отбираться либо с наружной стороны, либо из внутреннего объема.

Дальнейшее развитие мембранных биореакторов заключается в иммобилизации биокатализатора внутри пористой полимерной матрицы. Причем в качестве биокатализатора могут выступать ферменты или целые клетки, устойчивые к воздействию органических растворителей, используемых при формировании мембраны. Значительное число мембранных биореакторов этого типа разработано для процессов, используемых в пищевой промышленности.