反应分离集成技术之——膜反应器制氢
膜反应器是一种将化学反应与膜分离过程组合联用的反应分离集成技术，它在一个单元中整合了反应与分离两种操作，膜本身可利用其高选择性分离产物，同时还可作为催化活性材料或者催化剂载体。这样不仅有效促进了有选择性的催化转化，而且可把某种反应物或产物分离开，打破热力学平衡限制，大幅度提高转化率和产率。
膜反应器被广泛应用于催化转化、发酵、废水处理等领域，其中催化脱氢、催化加氢便是其非常重要的一项应用。今年的化工设计比赛中有许多同学做的是异戊烷脱氢工艺，那是否也可以使用这种技术呢？大家可以试着翻阅一些资料，从中也许就能找到一些蛛丝马迹哦，比如这篇美国专利 (US3562346) 里就报道了一种可用于异戊烷脱氢的钯合金膜催化剂：
那为什么膜反应器能够在制氢工艺中被广泛应用呢？传统的制氢流程往往受到吸热与平衡的约束，转化率并不高。为使反应器压降小，催化剂颗粒一般都比较大，内扩散阻力大，同时在反应过程中还非常容易积碳而导致催化剂失活。
而如果将催化反应和氢分离过程整合进一个单元中，便可实现在反应的同时连续地移除反应产物氢气，消除了反应的热力学瓶颈。通过氢选择性渗透膜移出氢气，根据Le Chatelier原理，平衡将向右移动，并可同时获得高纯度的氢气。
氢气分离膜有许多种，最常见的是致密金属膜，这种材料是III-V族的金属元素，如钯（Pd），镍（Ni）和铂（Pt），以及它们的金属合金，这些膜的最突出特点是它们具有极高的氢选择性，因此它们通常被用于生产超纯氢。这类金属和金属合金结构具有的允许氢选择性扩散的同时阻挡其他气体的能力。但是，又因为这些致密金属膜中没有孔结构，所以相比其他膜，它们的氢气渗透性相对会比较低。
氢透过致密金属膜的溶解扩散机制
除了致密膜以外，具有较高渗透性，较大选择性以及良好的热稳定与化学稳定性的微孔膜也被用于研究用作氢气分离膜，比如沸石膜、二氧化硅膜、碳膜等。这类多孔膜材料均具有独特的孔隙结构，通过这些膜的气体传输主要由努森扩散、表面扩散和分子筛机制进行。输送机制则由吸附特性决定，主要取决于气体分子的动力学直径与膜孔径之间的差异。
最常见的膜反应器是固定床膜反应器，它可分为填充床膜反应器（PBMR）和催化膜反应器（CMR）两种类型。前者的膜只具有原始的分离功能，通常会在分离膜的周围填充固体催化剂，催化剂可以放置在膜内或者是膜外（反应器的壳程内）。而后者的膜兼具分离和催化功能，其膜具有催化活性，所以被称作催化膜反应器。
此外，流化床膜反应器目前在制氢领域正成为一种更具潜力的反应器。相比固定床膜反应器，它具有更好的气固接触和传热能力，更灵活的结构以及更大的膜面积，同时压降的大大降低，使催化剂颗粒可以做得更小，从而减小内扩散阻力，因此具有更理想的制氢性能。如果在制氢过程中燃烧一小部分回收的氢气，或者通入氧气以燃烧部分进料，还可以为反应器内的反应提供热量，即成为自热式反应器。
总而言之，在涉及氢气生产的流程中，将催化反应和氢选择性渗透膜相结合，可以大大减少工艺单元的数量，降低所需的总反应器体积，还可以规避热力学限制，减少对分离的能源需求，因此具有更高的能效。
那往年队伍的作品中是否也采用过膜技术来分离产物呢？除了膜反应器外还有哪些高效反应与分离技术呢，大家可以回顾一下小编的这篇文章：作品回顾|高效反应与分离技术创新。
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参考文献：
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