ProboStat CMR Reator de Membrana Catalítica

Introdução

As densas membranas cerâmicas ou metálicas, assim como as cerâmicas microporosas, encontram aplicações potenciais para separar oxigênio do ar, hidrogênio do gás de síntese e CO2 do gás de combustão, todas importantes em várias tecnologias de energia para reduzir as emissões de CO2 do uso de combustíveis fósseis. Além disso, podem ser aplicados em processos de oxidação / redução ou hidrogenação / desidrogenação. Eles podem ser usados ​​como uma membrana independente (reator de membrana, MR) ou em combinação íntima com um catalisador (reator de membrana catalítica, CMR). Neste último, a membrana pode efetivamente remover ou adicionar um reagente, deslocando o equilíbrio termodinâmico e, assim, o rendimento e / ou seletividade.

Muitas membranas operam a temperaturas elevadas, especialmente membranas cerâmicas densas, utilizando a seletividade superior da permeação de gás pelo transporte ambipolar de íons e elétrons. Para estes, as membranas tubulares - geralmente com a membrana densa como um filme fino suportado por uma estrutura principal porosa ("membranas assimétricas") - oferecem uma boa alternativa a montagens de membranas planas monolíticas ou planas mais eficientes em termos de espaço durante testes de laboratório e provas de -conceitos de conceito. As principais virtudes da instalação tubular são a possibilidade de vedações a frio, fácil substituição de tubos e abordagens geométricas relativamente simples para integração com um catalisador e fluxo de gás e análise.

No entanto, a construção de tais configurações de laboratório para geometrias de membrana tubulares (como para outras) é demorada e cara, e tem havido falta de padrões e produtos comerciais. O sistema de suporte de amostras Norosp ProboStat para caracterização elétrica em altas temperaturas e em atmosferas controladas ganhou amplo uso e aceitação, e agora está disponível como versão especializada para testes de reator de membrana catalítica mais otimizados.

ProboStat normal

Um ProboStatTM é um suporte de amostra que pode acomodar uma membrana de disco suportada e selada no topo de um tubo de suporte na zona quente, ou uma membrana tubular fechada na zona de alta temperatura e selada de outra forma ao suporte de amostra na zona fria. Os tubos de suporte ou tubos de membrana são selados a um pedestal e formam uma câmara interna, enquanto um tubo externo de fechamento forma uma câmara externa. Com uma versão normal do ProboStatTM, cada uma das duas câmaras tem duas conexões de gás (entrada e saída - total de quatro) e um número de passagens elétricas (4 para o interno e 12 para o externo). Essas passagens podem ser usadas para eletrodos, termopares e aquecedores ôhmicos internos, bem como, e. sensores de oxigênio. O ProboStat é adequado para medições elétricas em amostras de muitas geometrias e - o foco desta nota - de permeação através de membranas de disco ou tubulares.

As figuras abaixo mostram esquematicamente três configurações diferentes com membranas tubulares. Os dois à esquerda mostram uma membrana tubular de tamanho médio fechada com um tubo de descarga de gás no interior. A fotografia mostra a unidade de base e o tubo de membrana, enquanto o esquema mostra também o tubo de lavagem interno e um tubo externo de fechamento. O tubo de descarga para a câmara externa pode ser usado, mas é omitido nas figuras, por simplicidade. A terceira figura mostra o tubo de membrana, em vez disso, como o tubo mais fino e mais interno, e o tubo de tamanho aberto de tamanho médio, que serve para guiar o fluxo de gás ao longo do lado da membrana. A figura mais à direita mostra este tubo guia preenchido com um catalisador para fazê-lo funcionar como um reator de membrana catalítica. O catalisador pode também ser colocado na (s) superfície (s) dos tubos de membrana nas duas outras configurações.

Este é um exemplo de como se pode usar o CMR ProboStatTM. O usuário pode encontrar maneiras próprias de usar as 5 conexões de gás e fazer soquetes personalizados para seus tubos.
A figura da esquerda acima mostra o enrolamento de um aquecedor ôhmico interno (Pt10Rh) ao redor da área ativa da membrana. O uso disto ajuda a alcançar a temperatura de operação na parte quente da membrana enquanto utiliza menos energia no forno tubular ao redor da célula. Isso ajuda a evitar o superaquecimento do gargalo da unidade base e as vedações dos tubos nessa parte. É possível também usar um pequeno aquecedor Pt10Rh ôhmico dentro do tubo de membrana para ajudar a reduzir o gradiente de temperatura entre a membrana externa e interna. Os termopares podem ser colocados em vários locais para monitorar temperaturas e gradientes.

Coisas a ter em conta
O ProboStat e especialmente o ProboStatTM CMR são muito versáteis e oferecem muitas possibilidades de configuração de permeação e outros experimentos. Todas as peças na zona quente podem ser substituídas facilmente e podem ser encomendadas em dimensões e materiais padrão ou personalizados da NorECs ou feitas pelo cliente. Nós e o manual ajudamos com dimensões e conselhos para o último. Mas ProboStatTM e - por causa de seus usos tipicamente exigentes - ProboStatTM CMR também tem suas limitações e desafios. As configurações podem ser tão complexas e baseadas nos tubos e nas dimensões do usuário que o usuário deve assumir a responsabilidade de entender como a configuração e as medições devem ser feitas e executadas, e que as dimensões da cerâmica estão dentro dos limites.
As dimensões nos tubos são particularmente importantes. O comprimento deve ser idealmente pelo menos 30 cm; por exemplo, 5 cm de frio, 10 cm de zona de transição e 15 cm de zona quente. Com tubos mais curtos, é preciso comprometer; a zona fria pode ficar muito quente e com vida útil mais curta de vedações e peças. A zona de transição fica curta e sobrecarrega os tubos. E a zona quente fica curta e potencialmente menos homogênea.
Tubos curtos podem ser prolongados com tubos de metal ou cerâmica, mas isso requer o uso de um selo quente.
A espessura dos tubos também é crítica. O espaço interior do tubo de revestimento ProboStatTM tem cerca de 30 mm de diâmetro. Isso limita o diâmetro externo dos tubos de membrana e meio. Idealmente, um tubo de membrana tem cerca de 10 mm de diâmetro externo. Da mesma forma, o diâmetro interno dos tubos de membrana não deve ser muito pequeno, porque os tubos de lavagem a gás, os aquecedores e os termopares não podem se encaixar.
A retidão do tubo e o alinhamento correto durante a colagem também são importantes se os tubos forem compridos, uma vez que vários tubos passam entre si.
Ao todo - a configuração dos testes normais de permeação da membrana ProboStatTM com membranas tubulares é bastante simples, a menos que os tubos sejam muito curtos, enquanto a possibilidade adicional do 5º gás da versão CMR requer um pensamento mais cuidadoso dos diâmetros e outros detalhes. Ajudamos o cliente a obter as melhores peças possíveis, mas o cliente deve assumir a responsabilidade de entender o que ele deseja configurar.
Peças na zona quente, como aquecedores ôhmicos, podem ter vida útil limitada. Eles podem ser reparados pelo usuário ou solicitados aos Norecs.
Um ProboStatTM CMR pode ser usado como um ProboStatTM normal para testes de permeação e catalíticos por não usar a conexão de 5º gás e usando o soquete CMR normal em vez do especial.

Em uma versão especial, todas as passagens normais de eletrodo são substituídas por fios de compensação, de modo a permitir um número maior de termopares na zona quente - 7 no total.

Estes artigos referem-se ao ProboStat ou a outros produtos NORECS, filtrados por palavras-chave: 'CMR'

Conversão direta de metano para aromáticos em reator de membrana co-iônica catalítica
Autores: S.H.Morejudo, R.Zanon, S.escolastico, I. Yuste-Tirados, H. Malerod-Fjeld, P.K. Vestre, W.G.Coors, A.Martinez, T.Norby, J.M.Serra, C.Kjølseth
Fonte: Ciência, Volume: 353, edição: 6299, páginas: 563-566
Editora: Associação Americana para o Avanço da Ciência (AAAS), ISBN: Imprimir ISSN: 0036-8075 ISSN online: 1095-9203, época da publicação: 2016-08
Resumo: A desidroaromatização não oxidativa de metano (MDA: 6CH4 ↔ C6H6 + 9H2) utilizando catalisadores mo / zeólitos seletivos é uma tecnologia fundamental para a exploração de reservas de gás natural encalhado por conversão direta em líquidos transportáveis. No entanto, esta reação enfrenta duas questões principais: A conversão de uma passagem é limitada pela termodinâmica e o catalisador é desativado rapidamente através da formação de coque cineticamente favorecida. Mostramos que a integração de uma membrana eletroquímica à base de BaZrO3 exibindo condutividade de íons de prótons e óxidos em um reator MDA dá origem a altos rendimentos aromáticos e melhora a estabilidade do catalisador. Esses efeitos se originam da extração simultânea de hidrogênio e injeção distribuída de íons de óxido ao longo do comprimento do reator. Além disso, demonstramos que o reator de membrana co-iônica eletroquímica permite altas eficiências de carbono (até 80%) que melhoram a viabilidade do processo técnico-econômico. O gás metano é caro para enviar. Geralmente é convertido em monóxido de carbono e hidrogênio e, em seguida, liquefeito. Isto é economicamente viável apenas em escalas muito grandes. Assim, o metano produzido em pequenas quantidades em locais remotos é queimado ou não extraído. Uma alternativa promissora é a conversão para benzeno e hidrogênio com catalisadores de molibdenumólitos. Infelizmente, esses catalisadores desativam devido ao acúmulo de carbono; além disso, o hidrogênio deve ser removido para direcionar a reação para frente. Morejudo et al. abordar esses dois problemas com um reator de membrana BaZrO3 de estado sólido que elimina o hidrogênio de forma eletroquímica e fornece oxigênio para suprimir o acúmulo de carbono.
Palavras-chave CMR, MDA, reator de membrana catalítica, ZSM-5, MCM-22, FBR, FBR-PoliM, Pd-CMR, CMR Co-iônica, FT, unidade base ProboStat CMR (NorECs)

BaZrO3   Ligação