تحقیق درباره راکتورهای غشایی کاتالیستی

اختصاصی از کوشا فایل تحقیق درباره راکتورهای غشایی کاتالیستی دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 34

راکتورهای غشایی کاتالیستی

چکیده

امروزه استفاده از راکتورهای غشایی در فرآیندهای شامل واکنش کاتالیستی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در چنین سیستم های ترکیبی، فرآیند جداسازی غشایی با یک واکنش کاتالیستی همراه گشته و استفاده از غشاء موجب افزایش انتخابگری و بازده واکنش در فرآیند ترکیبی می گردد. در تحقیق حاضر، در ابتدا به انواع راکتورهای غشایی بر اساس نوع هندسه، ساختار مواد سازنده ی غشا، ساختار و نوع عملکرد راکتور بر اساس جایگاه و نوع کاتالیست اشاره می گردد. سپس سامانه های شامل واکنش همراه شده با فرایند جداسازی غشایی به مانند راکتورهای غشایی کاتالیستی، راکتورهای غشایی تراوش تبخیری و بیوراکتورهای غشایی مورد بررسی قرار می گیرد. علاوه بر این به انواع راکتورهای غشایی کاتالیستی و واکنش های انجام شده در اینگونه سامانه ها به تفصیل پرداخته می شود.

کلمات کلیدی : راکتورهای غشایی، واکنش کاتالیستی، فرآیند ترکیبی، جداسازی

1- مقدمه

مهم ترین و پر هزینه ترین مرحله در فرآیندهای شیمیایی، واکنش شیمیایی و جدا سازی جریان محصولات می باشد. ترکیب این دو فرآیند در یک فرآیند واحد باعث تحقق اهدافی به مانند ملاحظات اقتصادی فرایند، افزایش سرعت واکنش، صرفه جویی در مصرف انرژی و مصرف واکنش دهنده ها و کاهش تولید محصولات جانبی میشود. تا قبل از این، استفاده از غشاها در فرایندهای با دمای پائین و محیط های شیمیایی ملایم محدود شده بود. اما پیشرفت های اخیر در علم مواد، استفاده از غشاها را در دماهای بالا و شرایط شیمیایی سخت، گسترده کرده است. این امر باعث استفاده بیشتر غشاها در راکتورهای شیمیایی شده است.

ایده راکتورهای غشایی که از بهم پیوستن دو فرآیند متفاوت واکنش و جداسازی بوجود آمده به اولین سالهای استفاده از سیستم های غشایی برمیگردد.

اولین تحقیقات انجام شده در رابطه با راکتورهای غشایی در سال 1960 میلادی صورت گرفت [1]. با این وجود سیر رشد در زمینه تحقیقات علمی در 20 سال اخیر بعلت پیدایش غشاهای غیر آلی بسیار درخشان بوده است [3 ،2].

اولین بار، چنین فرآیندی جهت افزایش بازده و بر هم زدن تعادل در واکنش های دی هیدروژناسیون و استری شدن بکار گرفته شد [34-‍4]. یک نمای شماتیک از راکتورهای غشایی کاتالیستی شامل واکنش برگشت پذیر A↔B+C در شکل (1) نمایش داده شده است.

شکل (1) شماتیکی ازیک راکتور غشائی[4]

در این فرآیند غشاء نسبت به جزء B انتخابگر بوده و با خارج کردن این جزء از مخلوط واکنش موجب برهم زدن تعادل و دسترسی به مقادیر درصد تبدیل فراتر از مقادیر تعادلی می گردد. از دیگر واکنش های کاتالیستی انجام شده در راکتورهای غشایی می توان به واکنش های هیدروژناسیون، اکسیداسیون جزئی و کلی اشاره نمود ‍‍‍[42-34].

در چنین فرآیندهایی استفاده از غشاء موجب افزایش بازده و انتخابگری واکنش گشته که میزان این افزایش علاوه بر پارامترهای فرآیند به خواص غشاء نیز وابستگی شدید دارد.

بطور کلی سامانه های شامل واکنش همراه شده با فرایند جداسازی غشایی به سه دسته راکتورهای غشایی کاتالیستی، راکتورهای غشایی تراوش تبخیری و بیوراکتورهای غشایی تقسیم بندی می شوند [43].

در این مقاله در ابتدا به انواع راکتورهای غشایی بر اساس نوع هندسه، ساختار مواد سازنده ی غشا، ساختار و نوع عملکرد راکتور بر اساس جایگاه و نوع کاتالیست کاربردی اشاره می گردد. در ادامه مطالبی راجع به راکتورهای غشایی تراوش تبخیری و بیوراکتورهای غشایی ارائه شده و سپس به توصیف فرایند های جداسازی غشائی کاتالیستی که مبحث اصلی این تحقیق است، پرداخته می شوند. در پایان مهمترین واکنش هایی که در راکتورهای غشایی صورت میگیرند، مورد بررسی قرار می گیرند.

2- راکتورهای غشایی

راکتورهای غشایی را می توان بر اساس هندسه، ساختار مواد سازنده غشا و ساختار راکتور تقسیم بندی نمود [44].

2-1- دسته بندی راکتورهای غشایی بر اساس هندسه ی غشا

در دسته بندی اولیه راکتورهای غشایی بر اساس هندسه ی غشاء مجزا می شوند. متداول ترین اشکال غشاء هندسه های تخت و لوله ای هستند. به علت سهولت ساخت غشاهای تخت، از این غشاها در تحقیقات در مقیاس آزمایشگاهی، مکرراً استفاده شده، اما در عملیات در مقیاس تجاری به علت نیاز به نسبت های بالا ی سطح به حجم غشاء از ساختار لوله ای استفاده میشود. در حال حاضر راکتورهای غشایی کاتالیستی با ساختار چند لوله ای بسیار مورد توجه قرار گرفته و در این زمینه، کارهای تحقیقاتی زیادی بر روی ساختار لوله و پوسته منفرد انجام شده است [44]. با اینحال در سامانه های بیو راکتورهای غشایی کاربرد غشاهای الیاف میان تهی متداول تر است.

2-2- دسته بندی راکتورهای غشایی بر اساس ساختار مواد سازنده

غشاها از نظر ساختار مواد سازنده به دو دسته متراکم و متخلخل تقسیم بندی می شوند. غشاهای متراکم از جنس پلیمر، فلزات و آلیاژهای آنها و اکسیدهای فلزی میباشند و در این میان غشاهای پلیمری گرانقیمت بوده و بجز موارد معدودی از مقاومت گرمایی پایینی برخوردار هستند‌‍‌. غشاهای متراکم فلزی نیز اغلب از جنس فلزاتی به مانند پالادیم، پلاتین، روتنیم، ردنیم، ایریدیم و نقره و آلیاژهای آنها می باشند [45].

غشاهای متخلخل نیز از جنس پلیمر، شیشه و مواد سرامیکی بوده، که در فرآیندهای ترکیبی واکنش – جداسازی بکار می روند. در این میان غشاهای متخلخل آلی در بیوراکتورهای غشایی و یا در فرآیندهای دما پایین مورد استفاده قرار می گیرند [4]. مواد با قطر روزنه های بزرگ، مانند غشاهای آلفا آلومینا، مستقیما در فرآیند جدا سازی شرکت نکرده، بلکه به عنوان تکیه گاه غشاهای انتخابگر با روزنه های کوچکتر در ساخت غشاهای مرکب مورد استفاده قرار می گیرند. در حقیقت این نوع غشاها انتخابگر نبوده و بر اساس قابلیت تراوایی بالا به عنوان تکیه گاه لایه های انتخابگر بکار میروند [5].

مواد با اندازه حفرات متوسط برای ساخت غشاهایی که عموماً روزنه هایی در محدوده4 تا 5 نا نو متر نیاز باشد به کار می روند، بنابراین نفوذ اجزاء در طول غشاء های حفره متوسط از مکانیسم نفوذ نودسن پیروی می کند. مقدار فاکتور جداسازی برای بیشتر سیستم هایی که در آنها از غشاهای حفره متوسط استفاده شده پایین بوده و در محدوده 5/1 تا 10 گزارش میشود. موادی مانند شیشه ویکور، و غشاهای مرکب گاما آلومینا که برروی پایه ای از جنس آلفا آلومینا قرار گرفته اند جزء این طبقه بندی به شمار می روند.

غشاهای حفره کوچک که اخیراً موضوع بسیاری از تحقیقات بوده اند به عنوان غربال کننده های ملکولی در فرآیند جداسازی بکاررفته و فاکتورهای جداسازی با مقادیر بالایی را نتیجه میدهند. کربن با خاصیت غربال کنندگی، شیشه هایی با اندازه حفرات کوچک و زئولیت ها از جمله موادی هستند که در ساخت این نوع غشاء ها کاربرد دارند. در این میان، زئولیت ها به علت پایداری بالا در شرایط فرایندی بیشترین توجه را به خود جلب کرده اند. بعضی از مواد مانند آلومیناهای آندیک نیز به علت کمبود اطلاعات راجع به مکانیسم جذب و انتقال اجزاء از داخل روزنه ها کمتر مورد بررسی قرار گرفته اند. اخیراً فعال ترین سطوح توسعه یافته برای ساخت غشاء، فیلم های متراکم نازکی هستند که برای حفظ پایداری بر روی لایه های محافظ قرار می گیرند. شایان ذکر است که مواد بکاررفته در لایه های محافظ نباید مقاومت اضافی در برابر تراوش داشته باشند. غشاهای مرکبی که بدین صورت ساخته میشوند قابلیت انتخابگری کامل برای یک جزء را داشته، ولی دارای سرعت تراوش پایینی می باشند [5].

2-3- دسته بندی راکتورهای غشایی کاتالیستی بر اساس ساختار راکتور

در تقسیم بندی دیگر، راکتورهای غشایی بر اساس ساختار راکتور از لحاظ موقعیت کاتالیست متمایز میشوند. این دسته بندی در جدول (1) ارائه شده است [5].

غشاهای بکاررفته در راکتورهای غشایی می توانند ذاتا خاصیت کاتالیستی داشته باشند، بدین صورت که ذرات کاتالیست در روزنه های غشاء نشانده شوند. در این صورت این راکتور، راکتور غشایی کاتالیستی نامیده میشود. در نوعی دیگر از راکتورهای غشایی با ساختار لوله ای، غشاء از خود خاصیت کاتالیستی نشان نداده و ذرات کاتالیست به صورت فشرده در محفظه ی داخلی غشا (لوله) و یا خارج از غشا در قسمت پوسته قرار داده میشوند. این نوع ساختار