REACTORES DE MEMBRANAS

un reactor de membrana es realmente sólo un reactor de flujo de pistón que contiene un cilindro adicional de un material poroso dentro de ella, como el tipo de tubo dentro de la carcasa de un intercambiador de calor de carcasa y tubo. La membrana porosa cilíndrica que se encuentra en el interior es la que da el nombre de reactor de membrana.

El término reactor de membrana describe varios tipos distintos de configuraciones de reactor que contienen una membrana.

La membrana puede suministrar una barrera para ciertos componentes, mientras que es permeable para otros, e impedir que los componentes como aquellos en forma de partícula, entren en contacto con el catalizador o contengan sitios reactivos y se conviertan en catalizadores.

El reactor de membrana es una técnica para impulsar las reacciones reversibles a la derecha hacia una conversión mas alta. Estas se pueden lograr permitiendo que uno de los productos de la reacción se difunda a través de una membrana semipermeable que rodea la mezcla de reacción.

Las reacciones termodinamicamente limitadas son aquellas muy reversibles, por esto, hay poca conversión. Si la reacción es exotérmica al elevar la temperatura, la reacción se desplazara aún mas hacia la izquierda y, al reducir la temperatura, la velocidad de reacción sera tan lenta que habra poca conversión. Si la reacción es endotérmica, al aumentar la temperatura la reacción se desplazara hacia la derecha para favorecer una mayor conversión; sin embargo, en muchas reacciones dicho incremento de temperatura ocasiona que elcatalizador se desactive.

La membrana se puede utilizar para diferentes tareas: Separación, la extracción selectiva de reactivos, la retención del catalizador, Distribución / dosis de una sustancia reaccionante y soporte de catalizador (a menudo combinado con la distribución de los reactivos)

Los reactores de membrana pueden usarse para aumentar la conversión cuando la reacción es termodinamicamente limitada y también para amentar la selectividad cuando ocurren reacciones múltiples.

Existen varios tipos de reactor de membranas, pero los dos mas importantes son: el RMICA (Reactor de membrana inerte con partículas de catalizador en el lado de la alimentación) y el RMC (Reactor de membrana catalítica).


RMICA


RMC

Areas de aplicación

Estos reactores han sido comúnmente usados para aplicaciones en las cuales los rendimientos de la reacción estan limitados por el equilibrio.

También han sido propuestos y usados para otras aplicaciones; para incrementar el rendimiento y la selectividad de reacciones enzimaticas y catalíticas influyendo a través de la membrana sobre la concentración de una (o mas) especies intermedias, removiéndolas selectivamente (o ayudando a mantenerlas en una concentración baja), evitando la posibilidad de que dichos compuestos envenenen o desactiven el catalizador y para proveer una interfase controlada entre dos o mas reactantes

También se ven utilizadas en revisiones críticas, aspectos fundamentales, tratamiento de aguas residuales municipales y domésticas, aguas residuales industriales, tratamiento para purificación de agua y otras, las cuales incluyen la remoción de gas, el tratamiento de lodos y la producción de hidrógeno. Con lo anterior, se puede observar que laaplicación e investigación en este campo esta cobrando una importancia extraordinaria ya que la profundización en los fundamentos de la tecnología es basica para lograr un óptimo rendimiento de los MBR.


MODELAMIENTO


Partiendo de la siguiente reacción General aplicada para la reacción de deshidrogenacion.



1. Balances Molares

Se realiza un balance Molar para cada especie, donde A es , B es (la especie B es permeable para la membrana del reactor) y C es .


Esquema de RMICA para balance molar (Figura 4-13, Flogler cap. 4, sección 4.9).





Para especie A


Para especie B



Para especie C



Dividiendo Entre y encontrando el limite cuando , obtenemos las siguientes expresiones para cada Flujo.


ESPECIES
A
B
C










2. Ley de Velocidad

Suponiendo una Reacción de tipo elemental, la expresión de velocidad de reacción de la especie A esta dada por la siguiente expresión:



3. Transporte de salida

Para el componente B como es el único que se difunde a través de la membrana, la velocidad de transporte que sale a través de la membrana





Donde,
: Velocidad de transporte del componente B por la membrana
: Coeficiente global de transferencia de masa (m/s).
: Concentración de B antes de traspasar la membrana
: Concentración de B en el canal de gas Barrido
: Area por unidad de volumen del reactor (m2/m3)

Si reemplazamos WB en RB, obtenemos:


Sea y asumiendo que la concentración de B en el gas de barrido es practicamente 0.


Donde esta dado en s-1.


4. Estequiometria

Para este tipo de Problemas es adecuado trabajar las concentraciones en función de los flujos y no de la conversión, trabajando de la siguiente manera:Teniendo en cuenta que la reacción se da en fase gaseosa, el volumen no es constante y
Viene dado por la siguiente expresión.




Asumiendo que no existe caída de presión y que el proceso es isotérmico, nos queda:



La Concentración de cada especie viene dada por la siguiente expresión:


Reemplazando en la ecuación anterior obtenemos:




Donde,

Aplicando la ecuación anterior para cada Especie obtenemos:

ESPECIES
A
B
C










Donde:



Basandonos en la reacción inicial:



Podemos obtener relaciones de la velocidad de reacción de las especies B y C en función de la velocidad de reacción de la especie A:





5. Combinación de ecuaciones

Para la solución de los sistemas de ecuaciones diferenciales, es necesario expresar dichas ecuaciones en función del flujo de cada especie, por lo que es necesario reemplazar las concentraciones de cada especie, en la ecuación de la velocidad de reacción de A:




Ademas de expresar el término en función del flujo de B de basandonos en la estequiometria mencionada anteriormente:

Obteniendo así:

ESPECIES
A
B
C











Ejemplo 4-8 Reactor de Membrana Capitulo 4 Fogler.

Según el departamento de energía de estados unidos, se pudo lograr un ahorro energético de 10 billones de BTU al año, Usando reactores Catalíticos de membrana, para sustituir los reactores convencionales para reacciones de deshidrogenacion como la deshidrogenacion de butano para dar buteno:



Simbólicamente la ecuación viene representada por:



Esta reacción ocurre del lado del catalizador en un RMICA. La constante de equilibrio para esta reacción es muy pequeña 227ºC (es decir, KC = 0.05 mol/dm3), la membrana espermeable a B, pero no a A ni a C. A gaseoso puro entra al reactor a 8,2 atm, y 227ºC a razón de 10 mol/min, .

a) realizar balances molares diferenciables de A, B y C. en función del Flujo de cada especie.
b) Graficar los flujos en función del Volumen
c) Calcular la conversión de V= 400 dm3

Solución

Debido a que la reacción es de deshidrogenacion, en el cual solo es permeable a una especie, podemos utilizar las ecuaciones diferenciales y algebraicas, expresadas anteriormente.

Parametros




= 830,6 Kp
R = 8,314 Kpa.dm3/(mol.K)


Ecuaciones Algebraicas






Ecuaciones Diferenciales.




Grafica de Flujo de cada especie (mol/min) VS Volumen del reactor (dm3).


Para el calculo de la conversión a 400 dm3, tenemos en cuenta el Flujo de A, en la entrada y al recorrer un volumen de 400 dm3, el cual es de aproximadamente 4,1 mol/min.


Para realizar una comparación con el efecto que causa la utilización de la membrana, se realizo el sistema de ecuaciones, pero sin tener en cuenta la permeabilidad de el componente B dentro de la membrana, para lo cual el Flujo de B, queda expresado, como


Realizando el procedimiento en MatLab, para la resolución del sistema de ecuaciones diferenciales, obtuvimos las siguiente graficas para las diferentes especies.



Grafica de Flujo de cada especie (mol/min) VS Volumen del reactor (dm3).

Para el calculo de la conversión tenemos en cuenta el Flujo de A al recorrer una distancia de 400 dm3


ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Con la aplicación del reactor de membrana, obtenemos una mayor disminución del flujo de la especie A al recorrer el volumen del reactor, y un aumento en la cantidad del flujo de la especie C, con relación a la no utilización de dicho reactor.

Debido a la alta reversibilidad de la reacción, podemos evidenciar que en el caso de no utilizar un reactor con membrana, los flujos van a llegar a un punto en que van ser constante por lo tanto, hasta ese punto llega la reacción.




CONCLUSIONES

La aplicabilidad de los reactores de membrana queda evidenciado totalmente, puesto que se alcanzó una mayor conversión utilizando este reactor, que al no utilizarlo, muestra una diferencia de 0.14 mas de conversión.Económicamente es mas factible el uso de este tipo de reactores para procesos termodinamicamente limitados, puesto que generaría grandes ahorros y aumento en las ganancias

EL REACTOR BIOLOGICO DE MEMBRANA EN EL TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES (Resumen Artículo)
Las innovaciones en el campo del tratamiento de las aguas residuales son una de las estrategias mas importantes para la conservación del medio ambiente. Una de las innovaciones mas importantes de los últimos tiempos es el biorreactor de membrana (MBR). Este tratamiento combina un proceso de depuración biológica con una filtración por membrana. La membrana retiene practicamente la totalidad de los sólidos en suspensión y la biomasa, logrando de esta manera un efluente de gran calidad. Ademas se trata de un sistema muy compacto que permite un notable ahorro de espacio respecto a las plantas de fangos activados convencionales.

Este artículo pretende ofrecer un analisis resumido en el que se exponen algunas de las claves de este método, prestando especial atención a la membrana, elemento clave de esta tecnología, así como al principal problema de este sistema: el ensuciamiento (fouling).

La membrana

La membrana es, posiblemente, el elemento mas importante de los MBR. Su función es retener los sólidos en suspensión, la biomasa depuradora y otros microrganismos presentes en el agua. Algunas de las características importantes para las membranas son:

Hidrofilicidad.
No biodegradabilidad e inercia a agentes microbiológicos.
Bajo coste.
Facil limpieza.
Robustez.
Buena resistencia química y mecanica.

Existen dos grandes grupos: las membranas organicas y las inorganicas o ceramicas:

Las membranas organicas se obtienen a partir de diferentes polímeroshomogéneos, como el polietileno, el polipropileno o las poliamidas. Son membranas económicamente asequibles, pero presentan graves deficiencias en lo que se refiere a resistencias mecanica, térmica y química. Las membranas ceramicas se fabrican a partir de materiales como el óxido de zirconio, óxido de titanio, mezclas de ambos o alúmina. Son membranas mucho mas caras que las organicas, pero poseen unas mayores resistencias, tanto química, como mecanica y térmica. Ademas, por su mayor robustez, permiten trabajar a elevadas velocidades de flujo.

Módulos de Membrana

Un módulo de membrana es la unidad de operación en la que se disponen las membranas. Los factores mas a tener en cuenta a la hora de escoger un módulo son la facilidad de montaje y ensamblaje, una elevada compacidad, es decir, tratar el maximo de permeado posible con la mínima superficie y permitir la modulación. En el mercado existen cuatro tipos principales:
De placa y bastidor.
De enrollamiento en espiral.
Tubulares.
De fibra hueca.

Funcionamiento

El funcionamiento de un MBR es relativamente sencillo. El primer paso es bombear el agua a tratar desde el tanque de homogeneización hasta el reactor. Es aquí donde los microrganismos depuradores degradan la materia organica. Acto seguido la membrana retiene los sólidos en suspensión y evita que la biomasa sea arrastrada con el efluente. El proceso de degradación suele llevarse en condiciones aerobias, por lo que existe un continuo burbujeo de aire desde el fondo del tanque. El efluente se filtra a través de la membrana libre de microrganismos y de sólidos en suspensión. Para extraer este permeado se suele recurrir a una bomba de succión. El exceso de fangos se elimina por una vía diferente,mientras que la biomasa retenida por la membrana vuelve al reactor.

Ensuciamiento

El ensuciamiento es el principal inconveniente de los procesos de membrana. Consiste en la deposición sobre o dentro de la membrana de diferentes elementos presentes en el agua. Los elementos que suelen producir el ensuciamiento son proteínas, materias coloidales o las substancias poliméricas extracelulares (EPS) que son metabolitos excretados por la biomasa depuradora.

Existen dos tipos diferenciados de ensuciamiento:

Ensuciamiento externo o reversible
Ensuciamiento interno o irreversible

Las consecuencias del ensuciamiento son realmente graves. En primer lugar, se observa una reducción en el cabal de permeado debido a la obstrucción de los poros, ya sea a nivel externo como a nivel interno. Esta es, tal vez, la consecuencia mas facilmente observable.

Tratamientos antiensuciamientos

En la actualidad, existen diversos tratamientos para minimizar o eliminar el ensuciamiento de la membrana.
En general se pueden dividir en métodos físicos y químicos. Los métodos físicos mas empleados son el flujo inverso (backflushing) y la creación de la turbulencia. Como método químico se suele utilizar un lavado químico.

Parametros operacionales

A la hora de llevar a cabo un proceso en MBR se han de tener en cuenta muchos parametros, como el estado físico y cantidad de biomasa, la viscosidad del agua a tratar, los tiempos de retención hidraulicos y de fangos, la velocidad de flujo o el modo de operación.

Requerimientos energéticos

Los requerimientos energéticos de un sistema MBR son mucho mayores que los de una planta de fangos activados convencional. Los requerimientos energéticos de los sistemas MBR sonbasicamente:

El bombeo de la alimentación.
La recirculación de la biomasa (configuraciones externas).
La succión del permeado.
La aireación.

Uno de los principales frenos en los inicios de esta tecnología lo constituía el elevado coste económico asociado a estas plantas. El primer aspecto, y posiblemente el mas influyente, es el coste asociado a la membrana.

Los procesos MBR tienen importantes ventajas sobre los sistemas convencionales que compensan en cierta manera el gran gasto energético y los problemas derivados del ensuciamiento. A continuación, se exponen las mas importantes:

Calidad del efluente
Independencia de los tiempos de retención hidraulica y retención de fangos
Reducción de espacios


BIBLIOGRAFÍA

1. VELAZCO P., Alejandra; Solar Gonzalez, Rocío – BIORREACTORES DE MEMBRANA DE MEMBRANA: TECNOLOGÍA PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES: Areas de aplicación
2. MENDIBURU DÍAZ, Henry – REACTORES QUÍMICOS: TIPOS DE REACTORES QUÍMICOS – En línea

3. AGUADO ALSONSO, José. REACTORES BIOLÓGICOS DE MEMBRANA: Una alternativa para el tratamiento de la reutilización e agua.

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5. Article on the beneficial results that can be derived, Separation Science and Technology, 34 (1999) 2113-2123.
6. Environmentally Friendly Gas Technologies 2nd Canadian-Korean joint WORKSHOP Feb. 28 to Mar. 2, 2000 Montreal / Boucherville / Varennes / Bells Corners Canada.