naar top
Menu
Logo Print
28/05/2018 - IR. H.W.J. VOGELSANG

BENZEEN RECHTSTREEKS UIT METHAAN VIA CO-IONISCHE MEMBRAANREACTOR

Noorse fabrikant ontwikkelt reactor die H2 snel afvoert en roetvorming onderdrukt

Niet-oxidatieve methaandehydroaromatisering (6 CH4 → C6H6 + 9 H2), gebruikmakend van selectieve molybdeem/zeolietkatalysatoren, is een belangrijke techniek voor de exploitatie van afgelegen gasvelden door een directe conversie van methaan in de transporteerbare vloeistof benzeen. Deze reactie ondervindt echter twee hinderpalen: de conversie wordt gelimiteerd door de thermodynamica van de reactie waarbij de gevormde H2 de reactie remt en de katalysator snel deactiveert door de vorming van roet dat de poriën van de katalysator verstopt. Het is dus noodzakelijk dat de gevormde H2 snel wordt afgevoerd en dat de roetvorming wordt onderdrukt. De Noorse membraanfabrikant CoorsTek heeft recent een reactor ontwikkeld die aan deze beide voorwaarden voldoet.

 

HET PROBLEEM

Aromaten kunnen via het Fischer-Tropsch proces (zie NPT nr. 4, 2011) worden gemaakt uit synthesegas (een mengsel van CO en H2). Dit synthesegas wordt op zijn beurt gemaakt uit methaan door het reformproces: CH4 + H2O ↔ CO + 3 H2.

Bij de bereiding van synthesegas komt er echter ook altijd CO2 vrij:

CO + H2O ↔ CO2 + H2.

In Noorwegen is er nu een membraanfabrikant (CoorsTek) die denkt dat methaan rechtstreeks kan worden omgezet in aromaten zonder de in de inleiding genoemde beperkingen. Dit kan in een co-ionische membraanreactor en een katalysator van molybdeen-nanoclusters op een poreus zeoliet met de volgende reactie: 6 CH4 ↔ C6H6 + 9 H2. Een membraanreactor is een reactor die een chemisch conversieproces combineert met een scheidingsproces om reactanten toe te voegen aan of te verwijderen uit het reactiemengsel. Bij het ontwikkelde proces komt er geen CO2 vrij. Het enige bijproduct is H2, die via het Haber-Bosch proces kan worden omgezet in NH3 (zie NPT nr.1, 2009).

Het eerste probleem bij het nieuwe proces was dat de ontstane H2 het evenwicht van de hierboven genoemde reactie naar links doet verschuiven. De oplossing hiervoor is het snel afvoeren van deze H2 via een membraan. Een ander probleem is dat de poriën van de poreuze zeolietdrager van de katalysator verstopt raken met roet. Hierdoor zijn de molybdeennanoclusters niet meer bereikbaar voor de reactanten. Ook dit probleem wordt met de nieuwe reactor opgelost.

 

SchemaDE OPLOSSING

De Noorse membraanfabrikant (CoorsTek) wil de H2 afvoeren uit het reactiemengsel via een buisvormig drielaags keramisch membraan, dat werkt als een elektrochemische cel en omgeven wordt door het cilindervormige katalysatorbed. De anode (positief) aan de buitenkant van de buis bestaat uit koper en de kathode (negatief) aan de binnenzijde van de buis bestaat uit nikkel en hiertussen bevindt zich de elektrolyt die bestaat uit gedoteerd bariumzirkoonoxide.

Onder invloed van het potentiaalverschil tussen de koperanode en de nikkelkathode laat de elektrolyt ertussen van buiten naar binnen

H+-ionen door en van binnen naar buiten

O2-ionen. Rondom het buisvormige drielaagse membraan bevindt zich de katalysator waarin de reactie plaatsvindt. Hierbij ontstaan benzeen en waterstof. De ontstane waterstof wordt aan de koperanode aan de buitenzijde van het buisvormige membraan omgezet in H+-ionen volgens de reactie:

H2 → 2 H+ + 2 e-.

Vervolgens passeren de H+-ionen de elektrolyt en komen ze aan op de nikkelkathode.

Hier worden ze weer omgezet in H2 volgens de reactie: 2H+ + 2 e- → H2.

Hierna wordt de waterstof afgevoerd. Verder wordt de binnenzijde van de buisvormige membraan bevochtigd met stoom.

Hierdoor vindt aan de kathode tevens de reactie 2 e- + H2O → O2 + H2 plaats.

De ontstane O2-ionen stromen vervolgens via de elektrolyt naar de anode waar de omgekeerde reactie plaatsvindt:

O2 + H2 → H2O + 2 e-.

Het hierbij ontstane water onderdrukt de roetvorming door omzetting van roet in CO en H2. De hier beschreven reactor heet een co-ionische membraanreactor. Volgens CoorsTek zet hij 80% van het aangevoerde methaan om in benzeen. Deze prestaties zijn vergelijkbaar met die van de GTL fabriek voor het Fischer Tropsch proces in Qatar (Pearl GTL, zie NPT nr.1, 2012).

DE VOORDELEN

Het voordeel van de co-ionische membraanreactor is dat je ook op kleine schaal kunt produceren, wat bij het Fischer Tropsch proces niet kan. Hierdoor kan je ook aardgas uit kleine afgelegen velden vloeibaar maken door de omzetting in benzeen dat makkelijk transporteerbaar is. Het benzeen bedient wel een andere markt dan methaan, maar de prijs van benzeen is hoger dan die van methaan. 

Referentie: Membraan valoriseert methaan, C2W life science 17, 7 oktober 2016