6.1.3. Мембранный реактор

Концепция мембранного реактора заключается в следующем: при проведении большинства химических реакций скорость накопления продукта постоянно падает и превращается в нуль при достижении системой равновесия. Накапливающийся продукт инициирует и постоянно ускоряет обратную реакцию, при равновесии скорости прямой и обратной реакций равны. Если из системы выводить продукт, можно добиться полной конверсии сырья и сохранить высокую начальную производительность процесса. Вывести продукт из реакционной среды проще всего с помощью полупроницаемой мембраны.

На рисунке 6.5 представлены два варианта мембранного реактора – со встроенной в реактор мембраной (а) и с вынесенным мембранным аппаратом (б).

Рис.6.5. Принципиальные схемы мембранных реакторов:

а – со встроенной мембраной; б – с вынесенным мембранным аппаратом

Для реализации концепции мембранного реактора необходимо, чтобы мембрана легко пропускала продукт, но задерживала исходные реагирующие компоненты. Это ограничивает перечень процессов. Наиболее успешно концепция развивается в биотехнологии, где протекают процессы ферментативного и микробного катализа.

6.2. Рынок мембранных технологий

Если исследовать рынок, беря за основу мембранные процессы, то он хорошо иллюстрируется диаграммой, представленной на рисунке 6.6.

Рис.6.6. Существующая и прогнозируемая рыночная конъюнктура мембранных процессов

Намечается и абсолютный, и относительный рост всех мембранных процессов, за исключением микрофильтрации. Это можно объяснить тем, что микрофильтрация в основном является вспомогательным процессом для предварительной очистки растворов, с ней конкурируют тонкие фильтры зернистого слоя, которые легче регенерировать, а также новые фильтровальные материалы типа металлических сеток.

Перспективы роста любого продукта на рынке обусловлены глубиной научной и технической разработки и проявляемыми преимуществами перед конкурентным продуктом. С этой точки зрения линию жизни любого продукта, в том числе и технологического процесса с использованием мембран, можно разбить на несколько стадий. На рисунке 6.7 представлена последовательность этих стадий.

Рис.6.7. Линия жизни научно-технического продукта

Как правило, далее следует спад продаж из-за появления нового лучшего продукта, хотя есть примеры очень большой продолжительности жизни продукта, особенно если фирмы-производители не жалеют средств на его усовершенствование и модернизацию.

С этой точки зрения рассмотрим некоторые традиционные и перспективные мембранные продукты, т.е. технологии с использованием мембранных процессов разделения.

6.2.1. Опреснение соленых вод

Рост населения и нехватка воды ведут к растущей потребности в новых источниках питьевой воды. По прогнозам Всемирной метеорологической организации к 2025 году больше 1 млрд.человек столкнется с критической нехваткой воды. Вода морей и океанов – это неограниченный источник. Мембранная технология может стать универсальным способом добычи питьевой воды. Если говорить об обратном осмосе или электродиализе для этих целей, то по линии жизни они находятся на 4 стадии, но тормозит их дальнейшее продвижение высокая получающаяся себестоимость опресненной воды.

Кроме того, работающие опреснительные заводы столкнулись с проблемой засоления районов водозабора из-за сброса образующихся концентратов. Возникла новая задача – комплексная переработка соленых вод с получением нескольких продуктов. Например, из морской воды можно получить:

- различные соединения магния (хлориды, сульфаты, оксиды), которые в свою очередь являются сырьем для выработки металлического магния. Область его применения широка – в металлургии для производства сплавов, в сельском хозяйстве как добавка к удобрениям и кормам, в химии, фармацевтике, производстве строительных материалов и т.п. Металлический магний и его соединения являются биржевым товаром;

- калийные соли, которые являются химическим удобрением;

- поваренная соль пищевого качества. Уже сегодня третья часть продукта производится из морской воды. Из самой соли электролизом и электродиализом получают металлический натрий, едкий натр, соляную кислоту и чистый хлор;

- гипс как строительный материал;

- соединения брома, основными потребителями которого являются производства негорючих пластических масс, производства бромцинковых элементов питания (батареек), производства компонентов для глубинного бурения.

Вот этот новый продукт – комплексная технология – находится на первой стадии.