MXPA04009788A - Membrana reactiva de intercambio de protones, reactor y metodo para conversion de alcanos ligeros a hidrocarburos superiores y metodo para reactivar una capa de catalizador. - Google Patents

Abstract

Una membrana reactiva de intercambio de protones controlable que comprende una membrana de intercambio de protones, cuando menos dos capas de catalizador dispuestas en lados opuestos de la membrana de intercambio de protones, y una fuente de energia acoplada operablemente a la cuando menos dos capas de catalizador. Una direccion y magnitud de flujo de hidrogeno a traves de la membrana reactiva de intercambio de protones se controla modulando la fuente de energia a traves de la membrana de intercambio de protones, permitiendo de esta manera que el hidrogeno sea transportado en cualquier direccion a traves de la membrana reactiva de intercambio de protones. Controlando el transporte de hidrogeno, se mejora la extension de una reaccion de homologacion. Tambien se describe un reactor de membrana reactiva de intercambio de protones que comprende la membrana reactiva de intercambio de protones. Se describe un metodo para producir un hidrocarburo superior de un alcano ligero, asi como un metodo para regenerar una capa de catalizador.

Description

WO 2004/034487 A2 lililí lililí III II III IIJ IIJIII lili lili llill III llll |?|?? ll For two-letter codes and other abbreviatians, refer to the "Guid-ance Notes on Codes and Abbreviations" appearíng at the begin-ning ofeach regular issue ofthe PCT Gazette.

MEMBRANA REACTIVA DE INTERCAMBIO DE PROTONES) 'REACTOR Y MÉTODO PARA CONVERSIÓN DE ALCANOS LIGEROS A HIDROCARBUROS SUPERIORES Y MÉTODO PARA REACTIVAR UNA CAPA DE CATALIZADOR REFERENCIA A SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reclama el beneficio de la Solicitud de Patente de Estados Unidos No, de Serie 10/269,649, i presentada el 9 de octubre de 2002 para Membrana Reactiva de Intercambio de Protones, Reactor y Método para Conversión de Alcanos Ligeros a Hidrocarburos Superiores y < Método para Reactivar una Capa de Catalizador. DERECHOS GUBERNAMENTALES El Gobierno de los Estados Unidos tiene derechos en la siguiente invención de acuerdo con el Contrato No. DE-AC07-99ID13727 entre el Departamento de Energía de Estados Unidos y Bechtel B XT Idaho, LLC. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Campo de la Invención: La presente invención se relaciona generalmente con una membrana reactiva de intercambio de protones para uso al mejorar el grado de una reacción química. Más específicamente, la presente 1 invención se relaciona con el uso de una membrana reactiva de intercambio de protones para mejorar la extensión de una reacción de homologación para conversión de alcanos ligeros a hidrocarburos superiores. Estado del Ramo: Los procesos de refinería modernos producen cantidades significativas de productos secundarios de alcano ligero que tienen potencial limitado para mezclarse en combustibles de transporte líquidos. Para disponer de estos productos secundarios de alcano ligero, que contienen niveles bajos de azufre, los productos secundarios típicamente se encienden o queman como gas combustible de bajo valor para proporcionar calor. Sin embargo, estas técnicas de desecho representan una pérdida económica grande a refinerías. Los alcanos ligeros también existen en la forma de reservas grandes de gas natural en ubicaciones remotas dentro de los Estados Unidos y el mundo. Mientras que estas reservas son abundantes, no existen actualmente usos económicos para las reservas. Por lo tanto, estas reservas nunca se producen o bien se reinyectan o encienden. Un uso potencial de estos alcanos ligeros es convertirlos directamente en combustibles líquidos. En una reacción no oxidante, un alcano ligero se deshidrogena utilizando un catalizador de metal para producir un alqueno. El alqueno luego se oligomeriza o alquila para producir un hidrocarburo superior, tal como combustible líquido. Esta reacción se denomina en la presente como una reacción de homologación o "mejorar" el alcano a un hidrocarburo superior. Mientras que esta reacción tiene el potencial para crear combustibles líquidos de productos secundarios de alcano ligero, la conversión directa no se favorece ¦ I termodinámicaraente . Cuando esta reacción se, efectúa isotérmicamente, la reacción tiene una energía de reacción libre Gibbs positiva, que limita la conversión y rendimiento del combustible líquido resultante. I La extensión de la reacción, sin embargo, se puede mejorar si la reacción se realiza en dos pasos, como se discute en Amariglio y col., Fuel Proc. Technol . 42 (1995) I 291-323; Simón y col., Catal . Today 46 (1998) 217-222; Pareja y col., Ind. Eng . Chem. Res. 38 (1999) 1163-1165; y Amariglio y col., Catal. Today 25 (1995) 113-125.' Haciendo referencia a las Figuras 1A a 1C de los dibujos, en el primer paso (el paso de conversión de alcano) , un alcano^ ligero 100 se hace fluir sobre una superficie de un catalizador 110 de metal. Como se ilustra en la Figura 1A, el alcano 100 ligero se quimiosorbe hacia la superficie del catalizador 110 de i metal y forma hidrógeno 150 y una especia 120 de carbono activado, deshidrogenado. La formación de hidrógeno 150 durante el paso de conversión de alcano limita el equilibrio de la conversión de alcano debido a que, a medida que se acumula el hidrógeno 150, la reacción de deshidrogenación ya i no prosigue. Como se muestra en la Figura IB, la especie 120 de carbono activado luego se oligomeriza para formar un hidrocarburo 130 superior, deshidrogenado. Comp se ilustra en la Figura 1C, en el segundo paso de la reacción de homologación (el paso de rehidrogenación ) , el hidrógeno 160 se hace fluir sobre la superficie del catalizador 110 de metal. El hidrógeno 160 se proporciona de una fuente separada, típicamente externa a la cámara de reacción.

Además, la temperatura se puede a ustar. El hidrocarburo 130 i superior, deshidrogenado, se rehidrogena para formar el hidrocarburo 140 superior, que se libera de la superficie del catalizador 110 de metal. La reacción como sei describe es problemática debido a que si el hidrocarburo 130 'superior, deshidrogenada no se rehidrogena, se adhiere a la superficie del catalizador 110 de metal y desactiva potencialmente el catalizador 110 de metal. Para mejorar la extensión de la reacción total, los i dos pasos de la reacción anterior frecuentemente se conducen a temperaturas diferentes. El paso de conversión de alcano se favorece termodinámicamente a temperaturas superiores mientras que el paso de rehidrogenación se 1 favorece termodinámicamente a temperaturas inferiores. Las condiciones de reacción, tales como las temperaturas y presiones, son típicamente moderadas, con temperaturas inferiores a 350°C y presiones que varían de presión atmosférica a 17.58 kg/cm2 (250 psi). Mientras que' utilizando las dos temperaturas mejora la extensión de la reacción, la reacción todavía está limitada en equilibrio a menos que los dos pasos se separen haciendo fluir primero el hidrocarburo y luego haciendo fluir el hidrógeno.

I Para mejorar las cinéticas de reacción, s.e utiliza un catalizador. En Simón y col., se describe un catalizador de metal Ni-Cu sustentado sobre dióxido de silicio (Si02) . El catalizador de metal de Ni-Cu se utiliza para producir hidrocarburos que tienen hasta nueve carbonos de una corriente de alimentación de metanol. Mientras que el régimen de esta reacción se mejora, la deshidrogenación del alcano todavía está limitada en equilibrio por la presencia de exceso de hidrógeno. Además, la desactivación del catalizador de Ni-Cu es una reacción rápida y múltiple, se requieren pasos de separación y procesamiento para producir el hidrocarburo deseado. Además, los rendimientos I resultantes y la eficiencia de conversión del hidrocarburo son bajos. Las membranas de intercambio de protones ("PEMS") se conocen en el ramo que separan, transportan ¦ o suministran hidrógeno. Las PEMs se utilizan comúnmente en celdas de combustible para generar energía del hidrógeno. Como se ilustra en la Figura 2, la PEM 200 transporta hidrógeno 210 como protones haciendo pasar una corriente 240 eléctrica a i · través de un circuito 260 externo, que conecta los lados de la PEM 200. El hidrógeno 210 se introduce en un primer electrodo (ánodo) 230 en donde reacciona electroquímicamente en presencia de un catalizador para producir electrones 240 y protones ("?'") 250. Los electrones 240 se hacen circular del primer electrodo 230 a un segundo electrodo (cátodo) 230' a través de un circuito 260 eléctrico, que está conectado a una fuente de energía o un dispositivo que consume energía. Los protones 250 pasan a través de un electrolito sólido, conductor de protones al segundo electrodo 230' .. Después de pasar a través de la PEM 200, los protones 250 se recombinan con electrones 240 para formar hidrógeno 210k, que luego se descarga. La extensión de la reacción de homologación se ha mejorado utilizando una membrana de transporte de hidrógeno. En Garnier y col., Ind. Eng. Chem. Res. 36 (1997) 553-558, el uso de un reactor de membrana de Pd-Ag para producir hidrógeno e hidrocarburos superiores se describe. El reactor de membrana de Pd-Ag utiliza una membrana de, Pd-Ag para mejorar la deshidrogenación del alcano ligero. Mie'ntras que la extensión del paso de deshidrogenación se mejora, la membrana de Pd-Ag no mejora la extensión del ' paso de rehidrogenación debido a que la membrana de Pd-Ag remueve continuamente el hidrógeno que se necesita para producir el hidrocarburo superior. Por lo tanto, la membrana de Pd-Ag en realidad reduce la eficiencia del paso de rehidrogenación. Mientras que los procesos para convertir alcanos ligeros en hidrocarburos superiores existen, estos¡ procesos no son óptimos debido a que las termodinámicas limitan la extensión de la reacción. Estos procesos también son complicados debido a que requieren oscilaciones significativas en condiciones de operación. Adicionalmente, muchos de procesos son costosos y requieren múltiples pasos. Por ejemplo, procesos de deshidrogenación, tal como el proceso CYCLARHR de British Petroleum, que convierte propano I en benceno, opera a presiones bajas y requiere reciclado substancial para tratar con el equilibrio desfavorable. Otro proceso conocido isomeriza n-butano en isobutano, deshidrogena el isobutano para formar isobutileno, y luego hace reaccionar el isobutileno con metanol para formar éter I de butilo terciario de metilo ("MTBE"). Sin embargo, puesto que el uso de MTBE en gasolina se está eliminando, los licenciantes del proceso estén proponiendo dimerizar el isobutileno en isoocteno y luego hidrogenar el isoocteno para producir isooctano. Estos dos procesos se proponen combinarse para formar una ruta de homologación para n-butano a isooctano, pero este proceso se proyecta que sea costoso. Seria deseable ajustar adicionalmente el equilibrio de la reacción de homologación para mejorar la eficiencia de conversión de un alcano ligero y el rendimiento de hidrocarburo superior. Una reacción de homologación menos costosa que requiere condiciones de operación menos' intensas y menos pasos también seria atractivo. BREVE COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La presente invención incluye una membrana reactiva de intercambio de protones confortable ("PERM") que comprende una membrana de intercambio de protones ("PEM") dispuesta entre cuando menos dos capas de catalizador y una fuente de energía. La fuente de energía, que puede ser una fuente de corriente o una fuente de voltaje, está acoplada operablemente a las cuando menos dos capas de catalizador que flanquean la PEM de manera que una dirección y magnitud de flujo de hidrógeno a través de la PERM se puede controlar modulando una salida de la fuente de energía. Una magnitud de flujo de hidrógeno a través de la PERM se puede controlar, por ejemplo, modulando en amplitud el voltaje. El hidrógeno se puede transportar en cualquier dirección a través de la PERM, por ejemplo, . invirtiendo el flujo de corriente. Controlando el flujo de hidrógeno, la extensión de una reacción de homologación se puede mejorar. Cuando menos una de las cuando menos dos capas de catalizador se dispone en cada lado de la PEM y se acopla operablemente a la fuente de i energía. Capas de catalizador adicionales, si se desea o requiere, se pueden disponer en cada lado de la PEM. La presente invención también incluye pna PERM que comprende una PEM, cuando menos una capa de catalizador, y una fuente de energía también se describe. Equilibrando un régimen de deshidrogenación del alcano ligero con un régimen de rehidrogenación del hidrocarburo superior, deshidrogenado, ambos, el paso de conversión de alcano y el paso de rehidrogenación se realizan en un lado de la PEM. La presente invención también incluye un reactor de PERM. El reactor de PERM está configurado para producir hidrocarburos superiores de alcanos ligeros sin requerir una fuente de hidrógeno externa al reactor de PERM. El reactor de PERM comprende una PERM controlable que tiene una PEM dispuesta entre cuando menos dos capas de catalizador y una fuente de energía acoplada operablemente a las cuando menos dos capas de catalizador. El hidrógeno se puede transportar en cualquier dirección a través de la PERM controlable modulando direccionalmente la desviación de voltaje en la fuente de energía y la magnitud de flujo de hidrógeno se puede controlar variando la amplitud de voltaje. La presente invención también incluye un método para producir un hidrocarburo superior de un alcano ligero.

El método comprende poner en contacto la PERM con un alcano I ligero para formar un especie de carbono activado e hidrógeno en un lado de reacción de la PERM. El hidrógeno se transporta del lado de reacción de la PERM a un ^ado rico en hidrógeno modulando direccionalmente la desviación de voltaje • en la fuente de energía y modulando en amplitud el voltaje. La especie de carbono activado se oligomeriza y rehidrogena para formar un hidrocarburo superior haciendo fluir hidrógeno del lado rico en hidrógeno de la PERM al lado de reacción invirtiendo la dirección de la corriente desde la fuente de energía y controlando una magnitud de flujo de hidrógeno variando la amplitud del voltaje. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS DIVERSAS VISTAS DE LOS DIBUJOS En los dibujos, que ilustran lo que se considera actualmente que es el mejor modo para practicar la invención: Las Figuras 1A-C muestran la reacción de homologación de un alcano ligero a un hidrocarburo superior I utilizando el método de dos pasos del ramo anterior; La Figura 2 ilustra una membrana de intercambio de protones convencional; > Las Figuras 3A-C ilustran una modalidad de la membrana reactiva de intercambio de protones y muestra una reacción de un alcano ligero para formar un hidrocarburo superior utilizando la membrana reactiva de intercambio de protones ; I La Figura 4 ilustra otra modalidad de la membrana reactiva de intercambio de protones; La Figura 5 ilustra todavía otra modalidad de la membrana reactiva de intercambio de protones; y ! La Figura 6 muestra una ilustración esquemática de un reactor de membrana reactiva de intercambio de protones. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Se describe una PERM 300 controlable. En una modalidad, la PERM utiliza una PEM 200 dispuesta e'ntre cuando menos dos capas 340 de catalizador, y una fuente 330 de energía operablemente acopladas a una de las cuando menos dos capas 340 de catalizador en cada lado de la PEM(200. La PEM 200, las cuando menos dos capas 340 de catalizador, y la fuente 330 de energía están integrados de manera que una dirección y magnitud de flujo de hidrógeno a través de la PERM se puede controlar mediante modulación de la salida de la fuente 330 de energía. El hidrógeno se puede transportar en cualquier dirección a través de la PERM, por ejemplo, invirtiendo la dirección de la corriente, o manipulando de otra manera el flujo de corriente o capacidad cíclica. Una magnitud de flujo de hidrógeno se puede alterar, por ejemplo, cariando la amplitud del voltaje aplicado. Controlando el flujo de hidrógeno, la extensión de una reacción de homologación se puede mejorar. La PERM 300 controlable permite la homologación catalítica de alcanos ligeros para producir hidrocarburos superiores utilizando el potencial de desplazamiento de equilibrio de una membrana catalítica. La PERM controlable proporciona de esta manera un método para producir combustibles de transporte líquidos limpios utilizando la homologación no oxidante de alcanos ligeros a hidrocarburos superiores. Además, la eficiencia de conversión y rendimientos de producto de la reacción se mejoran significativamente y el proceso de reacción se simplifica. La PEM 200 se puede formar de un material sólido, conductor de protones conocido en el ramo, tales como una cerámica o un polímero. El material de cerámica puede ser un óxido de metal tal como un óxido de Ru o Ru-Ti, un óxido ácido de un elemento de post-transición pesado tal como antimonio o estaño, o un óxido de un metal de transición temprana pesado tal como Mo, W, o Zr. El material de cerámica también puede ser un óxido de tipo perovskite. La PEM también puede ser un material polimérico. El polímero puede ser ácido sulfónico perfluorado o un derivado del mismo, tal como NAFION1"0, que está disponible de ?.?. du Pont de Nemours and Company (Wilmington, DE) . El material utilizado en la PEM 200 se puede seleccionar dependiendo de la temperatura a la que se conduce la reacción de homologación. Por ejemplo, un material polimérico se puede utilizar como una PEM 200 a temperaturas de operación I inferior a aproximadamente 150°C. A temperaturas de operación mayores de aproximadamente 150°C, la PEM 200 se puede formar de un material de cerámica. El espesor de la PEM 200 se puede reducir al mínimo puesto que el régimen de transporte de hidrógeno a través de la PEM 200 está relacionado inversamente con su espesor. Sin embargo, la PEM 200 puede ser de espesor suficiente para mantener su integridad e impedir que se formen agujeros o grietas en la I PEM 200. La PEM 200 puede estar flanqueada en cada lado por una de las cuando menos dos capas de catalizador 1340, como se muestra en la Figura 3A. Cuando menos una de las capas 340 de catalizador en cada lado de la PEM 200 puede ser eléctricamente conductiva de manera que la corriente o voltaje de la fuente 330 de energía esté disponible a través de la superficie completa de la PERM 300. Sin embargo, i también se contempla que una capa eléctricamente conductora, pero no catalítica, se puede formar adyacente a las capas 340 de catalizador para conducir corriente o voltaje.de la fuente 330 de energía. Cada una de las capas 340 de catalizador se forma de un material catalizador que comprende un catalizador de metal. Puesto que la superficie externa de cada capa 340 de catalizador está expuesta a diferentes condiciones, cada una de las capas 340 de catalizador se puede formar de un material catalítico diferente. Por ejemplo, la capa 340 de catalizador en el lado 310 de reacción de la PERM 300 se puede exponer a reactivos y productos de la reacción de homologación. Pro lo tanto, la capa 340 de catalizador en el lado 310 de reacción se puede formar de un material conocido para catalizar la deshidrogenación del alcano ligero. La capa 340 de catalizador en el lado 310 de reacción también pueden formar protones 250 y electrones 240 de hidrógeno 150. La capa 340 de catalizador en un lado 320 rico en hidrógeno de la PERM 300 se expone a hidrógeno y, por lo tanto, puede ser compatible con hidrógeno. Además, la capa 340 de catalizador puede catalizar la reacción de protones 250 y electrones 240 para formar hidrógeno 150. La composición de las capas 340 de catalizador se puede ajusfar dependiendo de la reacción realizada y las condiciones bajos las que se realiza la reacción. Las capas 340 de catalizador se pueden i formar de materiales convencionales, tales como Co, Pt, Ni, Ni-Cu, ru, Cu, Ag, Pd, Pd-Ag, Pd-Yb, Rh, aleaciones de los mismos, o mezclas de los mismos. Por ejemplo, la capa 340 de catalizador en el lado 310 de reacción puede' ser un catalizador de Ni-Cu soportada sobre dióxido de silicio y la capa 340 de catalizador en el lado 320 rico en hidrógeno puede ser Pt, Ru, Rh, Co, Ni, Cu, Ag, Pd, Pd-Ag, o Pd-Yb. Además de la modalidad de la PERM 300 ilustrada en la Figura 3A, múltiples capas 340 de catalizador se pueden disponer en uno o ambos lados de la PEM 200. Dos o más capas 340 de catalizador se. pueden formar en cada lado de la PEM 200 con una primera capa 340 de catalizador catalizando la formación de hidrógeno 150 de protones 250 y electrones 240 o la descomposición de hidrógeno 150 hacia protones 250 y electrones 240. Una segunda capa 340 de catalizador cataliza la reacción de homologación. Utilizando dos o más capas 340 de catalizador en cada lado de la PEM 200, se pueble aumentar la eficiencia de la PEM 200 debido a que la reacción de homologación y la formación de hidrógeno 150 o protones 250 y electrones 240 se puede conducir en cada lado de la PEM 200 Por ejemplo, si dos capas 340 de catalizador se forman en cada lado de la PEM 200, la eficiencia se puede duplicar. En esta situación, la reacción de homologación puede ocurrir en un primer lado de la PEM 200 (tal como el lado 310 de reacción) mientras que la formación o descomposición de hidrógeno 150 ocurre en un segundo lado de la PEM 200 (tal como el lado 320 rico en hidrógeno) . Sin embargo, invirtiendo la dirección de la corriente, la reacción catalizada en cada lado de la PEM 200 se puede invertir de manera que la formación de hidrógeno 150 ocurre en el primer lado de la PEM 200 y la reacción de homologación ocurre en el segundo ladc. Como se ilustra en la Figura 4, dos capas 340A y 340B de catalizador se forman en el lado 310 de reacción de la PEM 200 y dos capas 340B y 340C de catalizador se forman en el lado 320 rico en hidrógeno. En la Figura 4, solamente la PERM 300, la PEM 200, los vestigios 270 conductores, la fuente 330 de energía, y las capas 340A-C de catalizador se muestran por claridad. La primera capa 340A de catalizador en el lado 310 de reacción se puede formar de un material catalítico que cataliza la descomposición de hidrógeno 150 hacia protones 250 y electrones 240. La segunda capa 340B de catalizador se puede formar de un material catalítico que cataliza la reacción de homologación. La segunda capa 340B de catalizador en cada lado de la PEM 200 se puede formar del mismo o de un material catalítico diferente. Si se utilizan múltiples capas 340 de catalizador en cada lado de la PEM 200, las capas 340 de catalizador que catalizan la formación o descomposición de hidrógeno 150 puede ser eléctricamente conductor de manera que la corriente o voltaje de la fuente 330 de energía está disponible a través de la superficie completa de la PERM 300. En otras palabras, las capas 340 de catalizador que catalizan la formación o descomposición de hidrógeno 150 pueden estar eléctricamente conectadas a la fuente 330 de energía a través de los trazos 270 conductores.

Sin embargo, las capas 340 de catalizador que catalizan la reacción de homologación pueden no requerirse para estar eléctricamente conectadas a la fuente 330 de energía. i También ' se contempla que una sola capa 340 de catalizador se puede disponer en cada lado de la PEM 200. La capa 340 de catalizador puede incluir un material catalítico que cataliza la reacción de homologación y ya sea la reacción para formar hidrógeno 150 o la reacción para descomponer hidrógeno 150. En otras palabras, la capa 340 de catalizador se puede formar de un material catalítico que tiene actividades catalíticas dobles y es capaz tanto de catalizar i la reacción de homologación como de catalizar ya sea la reacción para formar hidrógeno 150 o la reacción para descomponer hidrógeno 150. Por ejemplo, una capa 340 de catalizador en el lado 310 de reacción de la PEM '200 puede catalizar la reacción de homologación y la formación de protones 250 y electrones 250 del hidrógeno 150. La capa 340 de catalizador en el lado 320 rico en hidrógeno puede catalizar la reacción de homologación y la formación de hidrógeno 150. Si una sola capa 340 de catalizador que tiene actividad catalítica doble se dispone en cada lado de la PEM 200, cada una de estas capas 340 de catalizador pueden estar eléctricamente conectadas a la fuente 330 de energía. La capa 340 de catalizador también se puede formar de una mezcla de cuando menos dos materiales catalíticos, en donde por lo menos uno de los materiales catalíticos cataliza la reacción de homologación y el otro material catalítico cataliza la reacción para formar hidrógeno 150 o la reacción para formar protones 250 y electrones 240. Por ejemplo, una mezcla de materiales catalíticos se puede codepositar para formar la capa 340 de catalizador, tal como simultáneamente chisporroteando o coprecipitando los diferentes materiales catalíticos . La fuente 330 de energía utilizada en la PERM 300 puede ser una fuente de corriente o una fuente de voltaje y puede proporcionar un voltaje o corriente fijo, u otro i variable (corriente o voltaje) que flota a un valor que depende de la impedancia del circuito. Por ejemplo, la fuente 330 de energía puede ser una fuente de corriente bidireccional , tal como una fuente de corriente alterna, conectada por los trazos 270 conductores a las cuando menos dos capas 340 catalíticas. La corriente o voltaje provisto por la fuente 330 de energía se puede conducir entre la capa 340 de catalizador que forma hidrógeno 150 y la capa 340 de catalizador que descompone hidrógeno 150. La fuente 330 de i energía puede proporcionar el voltaje y corriente deseados a la PERM 300. Modulando su salida, la fuente 330 de energía se puede utilizar para controlar la dirección de movimiento de hidrógeno a través de la PERM 300. La modulación de la salida de fuente de energía se puede efectuar como es conocido en el ramo, tal como cambiando la polaridad de. la corriente o incluyendo un período de no corriente entre medios ciclos de la corriente. La modulación direccional I también se puede efectuar configurando la corriente contra tiempo dentro de cada medio ciclo para lograr una serie deseada de condiciones químicas en la capa 340 de catalizador dentro de cada medio ciclo. En esta situación,: los dos medies ciclos pueden o no ser idénticos. Durante el tiempo, los medios ciclos se pueden alterar para considerar 'variables tales como añejamiento de catalizador, cambios de material de alimentación, perturbaciones de temperatura de reactor, o un régimen de operación cambiado. De esta manera, sé apreciará por aquellos de experiencia ordinaria en el ramo que diversas maneras de modulación de la salida de la fuente de energía se pueden emplear para controlar cualquier o ambo,s de la dirección y magnitud de movimiento de hidrógeno a través de la PER 300, y el término "modulación" con respécto a la salida de fuente 330 de energía abarca cualquier variación, como sea relevante, en magnitud, polaridad, capacidad cíclica, forma o tiempo de componentes de voltaje y corriente, separadamente o en combinación de la salida de fuente de energía. En otra modalidad, la PERM 200, un capa 340 de catalizador para catalizar la reacción de homologación, y una fuente 330 de energía acoplada operablemente a la capa 340 de catalizador, como se ilustra en la Figura 5. Solamente estos elementos se muestran en la Figura 5 por claridad. La PEM 200, la capa 340 de catalizador, y la fuente 3301 de energía están integradas de manera que el flujo de hidrógeno a través de la PERM 300 se controle modulando la salida de la fuente 330 de energía. Ajustando la actividad catalítica de la capa 340 de catalizador y la concentración de reactivos, el régimen de deshidrogenación del alcano ligero (en el paso de conversión de alcano) puede ser substancialmente similar al régimen de rehidrogenación del hidrocarburo 130 superior, deshidrogenado (en el paso de rehidrogenación) . Equilibrando estos dos regímenes de reacción, la PERM 300 puede transportar una cantidad de hidrógeno 150 a través de la PEM 200 para remover el exceso de hidrógeno 150' que no se requiere en el paso de rehidrogenación. Puesto que ambos pasos de la reacción de homologación puede ocurrir en un lado de la PEM 200, solamente ese lado de la PEM 200 requiere una capa 340 de catalizador capaz de catalizar la reacción de i homologación. Sin embargo, se entiende que una capa 340 de catalizador puede ser todavía necesaria en el lado 320 rico en hidrógeno para combinar los protones 250 y electrones 240 para formar hidrógeno 150. En esta modalidad, una fuente 330 de energía cíclica puede no ser necesaria. ' Más bien, la fuente 330 de energía se puede hacer funcionar con una polaridad. Sin embargo, la corriente o voltaje se pueden variar para considerar el cambio de condiciones de reactor. 1 Puesto que la PERM 300 es controlable, el flujo de hidrógeno 150 a través de la PERM 300 se puede activar o inactivar como se desee. Como se muestra en la Figura 3A, cuando un exceso de- hidrógeno 150 está presente en el lado 310 de reacción de la PERM 300, el hidrógeno 150 se puede mover a través de la PERM al lado 320 rico en 'hidrógeno activando la fuente 330 de energía para ocasionar que la corriente fluya en una primera dirección como se muestra, en donde la amplitud del voltaje se utiliza para controlar la magnitud de flujo de hidrógeno. Como se muestra en la Figura 3C, si un exceso de hidrógeno 150' está presente en el lado 320 rico en hidrógeno de la PERM 300 o si hidrógeno 150' adicional se necesita en el lado 310 de reacción de la PERM 300, el hidrógeno 150' se puede transportar al lado 310 de reacción de la PERM 300 activando la fuente 330 de energía para ocasionar que la corriente fluya en una segunda dirección, opuesta, como se muestra. Cuando el flujo de hidrógeno 150 ya no es necesario, el movimiento de hidrógeno 150 en cualquier dirección se puede detener inactivando la fuente 330 de energía, como se muestra en la Figura 3B. La especie 120 de carbono activado reacciona para rehidrogenarse con ya sea hidrógeno reciclado (del lado rico en hidrógeno) , hidrógeno suministrado por la descomposición continua del alcano ligero, hidrógeno suministrado en la alimentación de alcano, o una combinación de los mismos. Se contempla que las cinéticas de reacción se pueden mejorar para proporcionar un proceso de conversión continuo, de estado constante. El hidrógeno 150 puede fluir en cualquier, dirección a través de la PERM 300 dependiendo de la dirección de flujo de corriente. El hidrógeno 150 se puede hacer fluir desde el lado 310 de reacción al lado 320 rico en hidrógeno o en la dirección de reversa, del lado 320 rico en hidrógeno al lado 310 de reacción modulando la salida de la fuente 330 de energía. Puesto que el hidrógeno 150 se puede hacer fluir en cualquier dirección, una fuente separada de hidrógeno, · tal como hidrógeno 160 en la Figura 1C, ya no se necesita para soportar el segundo paso de la reacción de homologación ( rehidrogenación) . Para ilustrar que el hidrógeno 150 en ambos lados de la PERM 300 es . de la misma fuente, el hidrógeno presente en el lado 320 rico en hidrógeno de la PER 300 se etiqueta como 150' mientras que eí hidrógeno representa en el lado 310 de reacción se etiqueta como 150. El flujo de hidrógeno 150 a través de la PERM se puede utilizar para cambiar el equilibrio de la reacción de homologación removiendo selectivamente o ¦ "bombeando" hidrógeno en alejamiento del lado 310 de , reacción. Removiendo este hidrógeno 150, el equilibrio de la reacción se mejora. La PERM 300 se puede producir mediante técnicas conocidas en el ramo y, por lo tanto, la producción de la PERM .300 no se discute con detalle en la presente. Por ejemplo, la PEM 200, las capas 340 de catalizador, y la fuente 330 de energía se pueden producir utilizando técnicas convencionales o dichos elementos y componentes se pueden adquirir comercialmente . Para transportar el hidrógeno 150 desde un lado de la PERM 300 al otro lado, un gradiente de presión parcial o un gradiente de voltaje se puede utilizar. Si un gradiente de concentración está presente, el hidrógeno 150 viaja de un lado de concentración elevada de la PERM 300 a un lado de concentración baja. Para transportar el hidrógeno 150 desde el lado de baja concentración al lado de alta concentración, se puede utilizar una presión más elevada en el lado de concentración baja que en el lado de concentración elevada. Dicho gradiente de presión se puede generar efectuando la reacción de homologación a una presión más elevada en un lado de la PERM 300, tal como el lado 310 de reacción. Un gradiente de voltaje también se puede utilizar para transportar el hidrógeno 150 desde el lado de baja concentración al lado de concentración elevada. , Con el gradiente de voltaje, se puede utilizar un potencial de voltaje para forzar la corriente desde el . lado de baja concentración al lado de concentración elevada. i Cuando el gradiente de concentración existe a través de la PEM 200, el flujo de hidrógeno se indica mediante la siguiente ecuación: en donde t es el espesor de la membrana, Pi es la presión parcial de hidrógeno en el lado de reacción de la ¡PERM 300, y P2 es la presión parcial de hidrógeno en el lado rico en hidrógeno. La corriente correspondiente en el circuito externo es: ' y = 2JH2F En donde F es constante de Faraday y el área unitaria se supone. El flujo de hidrógeno 150 a través de la PEM 200 se puede inhibir imponiendo un voltaje de desviación de reversa.

Cuando la corriente se impone, los protones 250 se pueden i bombear a través de la PEM 200 contra un gradiente de concentración desfavorable. El flujo de hidrógeno esté relacionado con la corriente por la siguiente ecuación: JH2 = I/2F Además de ser capaz de dirigir el flujo de hidrógeno 150 en cualquier dirección, la PERM 300 controlable se puede utilizar para limpiar o reactivar la capa 340 de catalizador en el lado 310 de reacción de la- PERM 300. A I través del tiempo, esta capa 340 de catalizador puede quedar desactivada mediante hidrocarburos 130 superiores deshidrogenados o hidrocarburos 140 superiores que se acumulan en su superficie. Por ejemplo, estos hidrocarburos 130 superiores deshidrogenados pueden no rehidrogenarse durante el segundo paso de la reacción y, por lo tanto, permanecen adheridos a la superficie de la capa 340 de catalizador. Además, los hidrocarburos 140 superiores pueden I no desorber de la superficie del catalizador 110 y, por lo tanto, también contribuyen a la desactivación de la capa 340 de catalizador. Los hidrocarburos qlSO, superiores deshidrogenados e hidrocarburos 140 superiores1 que se depositan sobre la superficie del catalizador 110 se pueden remover haciendo fluir el hidrógeno 150' desde el1 lado 320 rico en hidrógeno de la PERM 300 al lado 310 de reacción. El hidrógeno 150' se puede hacer fluir en esta dirección modulando la salida de la fuente 330 de energía 1 durante un período de tiempo suficiente para regenerar el catalizador.

El hidrógeno 150' también se puede hacer fluir a una I temperatura y/o presión diferente para remover la especie de hidrocarburo adherida. Además, el flujo de hidrógeno 150 se puede ciclar de una dirección a la otra dirección,, ciclando direccionalmente la salida de la fuente 330 de energía, para remover los hidrocarburos 130 superiores deshidrogenados e hidrocarburos 140 superiores. 1 Además de utilizar la PERM 300 para transportar el hidrógeno 150 en ambas direcciones, la PERM 300 también se puede utilizar como un productor neto de energía y/o hidrógeno. El hidrógeno 150 generado durante la reacción de homologación se puede combustionar para producir energía o la PERM 300 se puede acoplar con una celda de combustible para producir energía del hidrógeno 150. Utilizando el hidrógeno 150 para producir energía, por ejemplo para proporcionar la fuente 330 de energía, la reacción de homologación puede ser energéticamente autosustentadora . El hidrógeno 150 también se puede reciclar para uso en otras re'acciones de homologación o reacciones químicas. La PERM 300 también se puede utilizar para mejorar el grado de reacciones químicas adicionales, tal como reacciones químicas que deshidrogenan alcanos. Por ejemplo, la PERM 300 se puede utilizar para deshidrogenar etano y/o i propano a etileno y/o propileno, respectivamente. Alterando el material catalítico utilizado en las capas 340 de catalizador, de manera que las capas 340 de catalizador catalicen la reacción deseada, etano y/o propano se puede deshidrogenar. Un método para producir un hidrocarburo 140 superior también se describe. El método comprende poner en contacto la PERM 300 con el alcano 100 ligero para deshidrogenar el alcano 100 ligero para formar la especia 120 de carbono activado e hidrógeno 150. El hidrógeno 150 se remueve del lado 310 de reacción de la PERM 300 al lado 320 rico en hicrógeno modulando la salida de la fuente 330 de energía de una primera manera. La especie 120 de carbono activado se oligomeriza para formar el hidrocarburo 130 superior, deshidrogenado, qué se rehidrogena haciendo fluir hidrógeno 150' del lado 320 rico en hidrógeno de la PERM 300 I al lado 310 de reacción. Para producir el hidrocarburo 140 superior, el alcano 100 ligero se puede quimiosorber hacia la superficie ¡ de la capa 340 de catalizador en el lado 310 de reacción de la PERM 300. Como se utiliza en la presente, el término "alcano ligero" 100 se refiere a una cadena de hidrocarburo corta. El alcano ligero 100 puede incluir, pero no está limitado a, metano, etano, propano, butano, pentano, hexano, i isómeros de los mismos, y mezclas de los mismos. El alcano 100 ligero opcionalmente puede incluir especies no reactivas o inertes. Un depósito de la especie 120 de carbono activado se puede formar en la superficie de la capa 340 de catalizador deshidrogenando el alcano 100 ligero. Además, la reacción de deshidrogenación puede producir hidrógeno 150. Parte del hidrógeno 150 en el lado 310 de reacción de la PERM 300 se puede remover catalíticamente y transportar al lado 320 rico en hidrógeno cuando se activa la fuente 330 de energía. La especia 120 de carbono activado luego se oligomeriza para formar el hidrocarburo 130 superior I deshidrogenado . Para rehidrogenar el hidrocarburo 130 superior deshidrogenado para formar el hidrocarburo 140 superior, el hidrógeno 150' se puede hacer fluir desde el lado 320 rico en hidrógeno de la PERM 300 al lado 310 de reacción modulando la salida de la fuente 330 de energía en la dirección invertida a aquella usada para transportar hidrógeno 150 al lado 320 rico en hidrógeno. Como se utiliza en la presente, el término "hidrocarburo superior" 140 se refiere a un hidrocarburo que tiene entre 6 y 12 átomos de carbono. El hidrocarburo 140 superior puede ser un hidrocarburo no aromático que incluye, pero no está limitado a hexano, heptano, octano, nonano, decano, undecano, dodecano, y i mezclas de los mismos. Además, derivados o isómeros del hidrocarburo 140 superior se pueden formar, tal como hidrocarburos ramificados o cíclicos. El hidrocarburo 140 superior también puede ser un hidrocarburo aromático ¦ que tiene el mismo número de átomos de carbono · que los hidrocarburos no aromáticos (entre 6 y 12 átomos de carbono) . El hidrocarburo aromático puede incluir, pero no está limitado a benceno, tolueno xileno, y otros derivados de alquilbenceno . El hidrocarburo superior puede incluir adicionalmente especies no reactivas o inertes. En una modalidad, el hidrocarburo 140 superior es un hidrocarburo que tiene entre 7 y 10 átomos de carbono. El hidrocarburo 140 superior puede ser un combustible liquido que tiene una baja presión de vapor. El hidrocarburo 140 superior puede ser un combustible liquido que tiene una presión de vapor baja. En una modalidad, la reacción de homologación catalítica produce principalmente hidrocarburos 140 superiores, de baja presión de vapor. La reacción de homologación se puede conducir bajo condiciones moderadas, tales , como a una temperatura de entre aproximadamente 200°C y 400°C. Mientras que ya no es necesario conducir los dos pasos de la reacción a temperaturas diferentes, se contempla que todavía pueden utilizarse diferentes temperaturas. La presión de la i reacción de homologación puede variar de aproximadamente presión atmosférica a 35.15 kg/cm2 manométrica (500 psig) . Sin embargo, la presión más elevada también se puede emplear. Bajo estas condiciones moderadas, la reacción de homologación puede producir rendimientos y eficiencias de conversión de hasta aproximadamente 100%. El equilibrio de los dos pasos de la reacción de homologación se puede alterar modulando la salida de energía. i Puesto que la presencia de hidrógeno 150 en el lado 310 de reacción de la PERM 300 limita el equilibrio de la deshidrogenación (el paso de conversión de alcano) , remover el hidrógeno 150 del lado 310 de reacción puede reducir esa restricción en el equilibrio. El hidrógeno 150 se puede transportar del lado 310 de reacción de la PERM 200 al lado 320 rico en hidrógeno activando el voltaje y corriente provistos por la fuente 330 de energía. Cuando se completa el paso de conversión de alcano y el paso de rehidrogenación se va a realizar, el hidrógeno 150' se puede transportar del lado 320 rico en hidrógeno de la PERM 300 al lado 310 de reacción. Controlando el flujo de hidrógeno 150, el equilibrio de los dos pasos de la reacción de homologación ya no está limitado. Puesto que el hidrógeno 150 se transporta del lado 310 de reacción al lado 320 rico en hidrógeno, el paso de conversión de alcano no está limitado por ,1a cantidad de hidrógeno 150 presente en' el lado 310 de reacción. Además, puesto que el hidrógeno 150' utilizado en el paso de rehidrogenación se obtiene del lado 320 rico en 'hidrógeno de la PERM 300, una fuente separada de hidrógeno ya no se necesita.

El método de la presente invención también se puede utilizar para reactivar o limpiar la capa 340 de catalizador en el lado 310 de reacción de la PERM 300. Haciendo fluir el hidrógeno 150' del lado 320 rico en hidrógeno al lado 310 de reacción, los hidrocarburos 130 superiores deshidrogenados y/o hidrocarburos 140 superiores que se han adherido a la superficie de esta capa 340 de catalizador se pueden remover. El hidrógeno 150' también se puede hacer fluir a una temperatura y/o presión diferente a la temperatura o presión que se utiliza durante la reacción de homologación. Además, el flujo de hidrógeno 150 se puede ciclar de una 'dirección a la otra dirección, modulando la salida de la fuente 330 de energía, para remover la especie adherida. Un reactor de PERM para producir hidrocarburos superiores de alcanos 100 ligeros también se describe. El reactor de PERM se puede utilizar directamente para, convertir alcanos ligeros de Ci-C6 o alcanos más pesados a presión de vapor baja, gasolina baja en azufre y combustibles diesel utilizando el potencial de desplazamiento de equilibrio de la PERM 300 controlable. Acoplando la reacción de homologación catalítica con la PEM 200, la deshidrogenación de alcano mejorada, separación de hidrógeno, y oligomerización se pueden obtener. El reactor de PERM se puede utilizar en la industria de refinación de petróleo, la industria química, o la industria de gas natural para obtener rendimientos superior de los hidrocarburos 140 superiores y para mejorar la eficiencia de conversión de los alcanos 100 ligeros. Un reactor de PERM de ejemplo se muestra esquemáticamente en la Figura 6. El alcano 100 ligero se puede hacer fluir sobre la PERM 300, que incluye la PEM 200, las capas 340 de catalizador, y una fuente 330 de energía (no mostrada en la Figura 6 por claridad) ' acopladas operativamente a las capas 340 de catalizador. El alcano 100 ligero puede quimiosorber la capa 340 de catalizador en el lado 310 de reacción de la PERM 300. El alcano 1Ó0 ligero se puede convertir en la especie 120 de carbono activado, como se describió previamente. La especia 120 de carbono activado se oligomeriza y rehidrogena para producir el hidrocarburo 140 superior, como se describió previamente. El reactor 400 de PERM también puede incluir medios para detectar p analizar los reactivos y productos de la reacción. Por ejemplo, un cromatógrafo de gas ("GC") en línea 410 conectado a una computadora 430 se puede utilizar para analizar la producción de hidrógeno 150 y el hidrocarburo 140 superior durante la reacción. Un gas 420 de barrido se puede proporcionar en el lado posterior del reactor 400 de PERM para' remover el hidrógeno 150, que se analiza para determinar el. régimen de producción de hidrógeno. Una corriente 440 de efluente de reactor que comprende el alcano 100 ligero e hidrógeno 150 se puede analizar para determinar la conversión de alcano, el rendimiento de producto, y la selectividad para hidrocarburos i superiores deseados. El reactor 400 de membrana reactiva de intercambio de protones está configurado para producir el t hidrocarburo 140 superior del alcano 100 ligero sin requerir una1 fuente de hidrógeno separada para rehidrogenar el hidrocarburo 130 superior deshidrogenado. A diferencia de los ' reactores convencionales que requieren una fuente de hidrógeno separada, cualquier hidrógeno 150 que se use en el reactor 400 de membrana reactiva de intercambio de protones para conducir la reacción de homologación se puede suministrar del lado 320 rico en hidrógeno de la PE M 300. Por ejemplo, el hidrógeno 150 se puede suministrar direccionalmente y modulando en amplitud la salida de la fuente 330 de energía de modo que el hidrógeno 150' se transporte del lado 320 rico en hidrógeno al lado 310 de reacción. En otras palabras, la PERM 300 actúa similar a una válvula de conexión/desconexión para proporcionar hidrógeno 150 en el reactor 400 de membrana reactiva de intercambio de protones. Percibiendo la relación de corriente-voltaje dentro de cada medio ciclo, se puede extraer información detallada I acerca de la reacción y funcionamiento de transporte del reactor 400 de membrana reactiva de intercambio de protones. Tanto la forma de un vestigio de corriente-volta e para un solo ciclo y los cambios en el vestido durante el tiempo pueden ser útiles. Estos parámetros se pueden utilizar para ajustar automáticamente las condiciones de operación del reactor 400 de membrana reactiva de intercambio de protones y para informar a los operarios acerca del funcionamiento del reactor 400 de membrana reactiva de intercambio de protones, tales como predecir la necesidad de reposición de la PERM 300. El análisis termodinámico ha mostrado que si exceso de hidrógeno de la reacción se oxida con oxigeno' para hacer agua, ya sea in situ (en el lado 320 rico en hidrógeno de la PERM 300) o externa al reactor 400 de PERM, la energía libre de Gibbs total de la reacción es negativa y la secuencia de reacción total es exotérmica. Por lo tanto, niveles elevados de conversión de alcanos 100 ligeros a hidrocarburos 140 superiores puede ser posible, la reacción de homologación puede ser un exportador neto de energía (o hidrógeno) , y la reacción puede proporcionar eficiencias de i conversión elevadas del alcano 100 ligero. Utilizando la PERM 300 para mejorar el equilibrio de la reacción de homologación es ventajoso en t numerosos aspectos. Primero, el hidrógeno 150 se puede transportar a través de la PERM 300 cuando se necesita, en lugar de conmutar la composición de alimentación como se hace en el esquema de reacción de la Figura 1. Puesto que es más rápido transportar el hidrógeno 150 como se necesita, en lugar de tener que cambiar las fuentes de gas y ajustar las temperaturas, la producción del reactor también se aumenta. En segundo lugar, utilizando la PERM 300 para remover hidrógeno 150 del lado 310 de reacción de la PERM 300, la extensión del primer paso de la reacción se mejora debido a que las restricciones en el equilibrio se reducen.

Adicionalmente, bombeando hidrógeno 150' del lado 320 rico en hidrógeno nuevamente a través de la PERM, el' grado del segundo paso se mejora. En tercer lugar, la PERM 300 permite que se realice un paso de limpieza de catalizador.

Transportando hidrógeno 150' del lado 320 rico en · hidrógeno al lado 310 de reacción, hidrocarburos 140 superiores e hidrocarburos 130 superiores deshidrogenados que se han absorbido a la superficie del catalizador se remueven. El valor de mejorar un alcano ligero a un hidrocarburo superior que es útil como un combustible liquido se calcula que está en la escala de $3-4 por barril. En el sistema de refinación de E.U.A., estos incentivos pueden totalizar a varios millones de dólares al año de beneficio para refinería o varios cientos de millones de dólares por año en total, justificando fácilmente la inversión de capital de implementar la presente invención. Como un beneficio adicional, un uso adicional de alcanos 100 ligeros (particularmente gases ligeros de C2-C4 ) , que normalmente no se usan eficiente o económicamente, pueden permitir que los. planeadores de refinería exploren nuevas opciones para estrategia de operación de refinería removiendo las restricciones actuales impuestas por el equilibrio de demanda de gas combustible o gas propano licuado ("LPG"). La homologación de metano a líquido o hidrocarburos fáciles de condensar también pueden tener uso en campos de gas natural i remotos para permitir el transporte más fácil de esos hidrocarburos al mercado. La presente invención incluye una membrana reactiva de intercambio de protones controlable que comprende una membrana de intercambio de protones, cuando menos dos capas de catalizador en donde por lo menos una capa de catalizador se dispone en cada lado de la membrana. Una dirección y magnitud de flujo de hidrógeno a través de la membrana reactiva de intercambio de protones se controla modulando una salida de la fuente de energía. Además, también se describe un método para producir un hidrocarburo superior de un alcano ligero, así como un método para reactivar la 1 capa de catali zador . Aún cuando la invención puede ser susceptible a diversas modificaciones y formas alternativas, se han mostrado modalidades específicas por vía de ejemplo den los dibujos y se han descrito con detalle en la presente. Sin embargo, se debe entender que la invención no se pretende que quede limitada a las formas particulares descritas. Más bien, la invención es cubrir todas las modificaciones, equivalentes y alternativas que quedan dentro del espíritu y alcance de la invención como se define por las siguientes reivindicaciones anexas.

Claims (35)

1. 37 I
2. REIVINDICACIONES - 1. - Una membrana reactiva de intercambio de protones, que comprende: una membrana de intercambio de protone's dispuesta entre cuando menos dos capas de catalizador, en donde por lo menos una de las cuando menos dos capas de catalizador comprende un material constituido para catalizar la deshidrogenación de un hidrocarburo; y una fuente de energía acoplada operablemente a por lo menos dos capas de catalizador. 2. - La membrana reactiva de intercambio de protones de conformidad con la reivindicación 1, en donde la fuente de energía está adaptada para modulación en una dirección para ocasionar que el hidrógeno sea transportado de un lado de reacción de la membrana reactiva de intercambio de protones a un lado de reacción de la membrana reactiva de intercambio de protones.
3. 3. - La membrana reactiva de intercambio de protones de conformidad con la reivindicación 1, en donde la fuente de energía está adaptada para modulación en una ! dirección para ocasionar que hidrógeno sean transportado de un lado rico en hidrógeno a la membrana reactiva de intercambio de protones a un lado de reacción de la membrana reactiva de intercambio de protones.
4. 4. - La membrana reactiva de intercambio de 38 protones de conformidad con la reivindicación 1, en donde cada una de las cuando menos dos .capas de catalizador comprende un material catalítico diferente.
5. 5. - La membrana reactiva de intercambio de protones de conformidad con la reivindicación i; en donde la membrana de intercambio de protones comprende un material de cerámica o polímero capaz de conducir protones.
6. 6. - La membrana reactiva de intercambio de protones de conformidad con la reivindicación 1, en donde la cuando menos una de las por lo menos dos capas de catalizador comprende un material constituido para catalizar la formación de hidrógeno de protones y electrones o la formación de protones y electrones de -hidrógeno. ,
7. 7. - Un método para producir un hidrocarburo superior de un alcano ligero, que comprende: proporcionar un alcano ligero; proporcionar una membrana reactiva de intercambio de protones, la membrana reactiva de intercambio de protones comprendiendo : una membrana de intercambio de protones dispuesta entre cuando menos dos capas de catalizador, en donde por lo menos una de las cuando menos dos capas de catalizador comprende un material constituido para catalizar la deshidrogenación de un hidrocarburo; y : unia fuente de energía acoplada operablemente a las 39 cuando menos dos capas de catalizador; deshidrogenar el alcano ligero para producir una especie de carbono activado e hidrógeno compactando el por lo menos un catalizador con el alcano ligero; y transportar hidrógeno a través de lal membrana reactiva de intercambio de protones mediante modulación de una salida de la fuente de energía para mejorar una' extensión de una reacción para producir el hidrocarburo superior.
8. 8. - El método de conformidad con la reivindicación 7, en donde proporcionar el alcano ligero1 comprende proporcionar un alcano ligero seleccionado del grupo que consiste en metano, etano, propano, butano, pentano, hexano, isómeros de los mismos, y mezclas de los mismos. ,
9. 9. - El método de conformidad con la reivindicación 7, en donde transportar hidrógeno a través de la membrana reactiva de intercambio de protones para mejorar la extensión de una reacción para producir el hidrocarburo superior comprende transportar hidrógeno de un primer lado de la membrana reactiva de intercambio de protones a un segundo lado de la membrana reactiva de intercambio de protones.
10. 10. - El método de conformidad con la reivindicación 9, en donde transportar hidrógeno de un primer lado de la membrana reactiva de intercambio de protones a un segundo lado de la membrana reactiva de intercambio de protones comprende transportar hidrógeno para mejorar la 40 extensión ce convertir el alcano ligero en la especie de carbono activado.
11. 11. - El método de conformidad con la reivindicación 7, en donde transportar hidrógeno a través de la membrana reactiva de intercambio de protones para mejorar la extensión de una reacción para producir el hidrocarburo superior comprende transportar hidrógeno de un segundo lado de la membrana reactiva de intercambio de protones a un primer lado de la membrana reactiva de intercambio de protones.
12. 12. - El método de conformidad' con la i rei indicación 11, en donde transportar hidrógeno del segundo lado de la membrana reactiva de intercambio de protones al primer lado de la membrana reactiva de intercambio de protones comprende transportar hidrógeno para mejorar la extensión de hidrogenar una forma oligomerizada de la especie i de carbono activado para producir el hidrocarburo superior.
13. 13. - Un método para producir un hidrocarburo superior de un alcano ligero, que comprende: proporcionar un alcano ligero; ' proporcionar una membrana reactiva de intercambio de protones, la membrana reactiva de intercambio de protones comprendiendo : una membrana de intercambio de protones dispuesta entre cuando menos dos capas de catalizador, en donde por lo 41 l menos una de las cuando menos dos capas de catalizador comprende un material constituido para catalizar la deshidrogenación de un hidrocarburo; y una fuente de energía acoplada operablemente a las cuando menos dos capas de catalizador; deshidrogenar el alcano ligero poniendo en contacto cuando menos una de las por lo menos dos capas de i catali zador en un primer lado de la membrana reactiva de intercambio de protones para producir una especie de carbono activado e hidrógeno; transportar hidrógeno del primer lado de la membrana reactiva de intercambio de protones a un segundo I lado de la misma modulando una salida de la fuente de energía de una primera manera; oligomerizar la especie de carbono activado en el primer lado de la membrana reactiva de intercambio de protones para formar un hidrocarburo superior, deshidrogenado; ' transportar opcionalmente hidrógeno del segundo lado de la membrana reactiva de intercambio de protones al primer lado de la misma modulando la salida de la fuente de energía de una segunda manera; e hidrogenar el hidrocarburo superior, deshidrogenado para producir un hidrocarburo superior.
14. 14.- El método de conformidad con la 42 reivindicación 13, en donde transportar hidrógeno del primer lado de la membrana reactiva de intercambio de protones al segundo lado de la misma comprende transportar hidrógeno de un lado de reacción a un lado rico en hidrógeno de la membrana reactiva de intercambio de protones. i
15. 15. - El método de conformidad con la reivindicación 13, en donde transportar hidrógeno del primer lado de la membrana reactiva de intercambio de protones al segundo lado de la misma comprende transportar hidrógeno para mejorar una extensión de convertir el alcano ligero en la especie de carbono activado.
16. 16. - El método de conformidad con la reivindicación 13, en donde transportar el hidrógeno del segundo lado de la membrana reactiva de intercambio de protones al primer lado de la misma comprende transportar hidrógeno para mejorar la extensión de hidrogenar el hidrocarburo superior, deshidrogenado para producir el hidrocarburo superior.
17. 17. - El método de conformidad con la reivindicación 13, en donde proporcionar el alcano ligero comprende proporcionar el alcano ligero seleccionado a partir del grupo que consiste en metano, etano, propano, butano, pentano, hexano, isómeros de los mismos, y mezcla de los mismos .
18. 18. - El método de conformidad con la 43 reivindicación 13, que comprende además reactivar cuando menos una de las por lo menos dos capas de catalizador haciendo fluir hidrógeno del segundo lado de la membrana reactiva de intercambio de protones al primer lado de la I misma .
19. 19. - Un reactor de membrana reactiva de intercambio de protones adaptado para producir un hidrocarburo superior de un alcano ligero en ausencia de una fuente de hidrógeno suplementaria, que comprende: una membrana de intercambio de protones dispuesta entre cuando menos dos' capas de catalizador, en donde por lo menos una de las cuando menos dos capas de catalizador i comprende un material constituido para catalizar una reacción de homologación que produce hidrógeno; y una fuente de energía acoplada operablemente con las cuando menos dos capas de catalizador y adaptada para efectuar el transporte de hidrógeno a través de la membrana reactiva de intercambio de protones mediante modulación de una salida de la fuente de energía.
20. 20. - El reactor de membrana reactiva de intercambio de protones de conformidad con la reivindicación 19, en donde la fuente de energía está adaptada para efectuar el transporte de hidrógeno desde un lado de reacción de la membrana reactiva de intercambio de protones a un , lado rico en hidrógeno de la membrana reactiva de intercambio de i 44 protones, modulando la salida de la fuente de energía de una I primera manera.
21. 21. - El reactor de membrana reactiva de intercambio de protones de conformidad con la reivindicación 19, en donde la fuente de energía está adaptada para efectuar el transporte de hidrógeno de un lado rico en hidrógeno de la i membrana reactiva de intercambio de protones a un lado de reacción de la membrana reactiva de intercambio de protones modulando la salida de la fuente de energía de, una segunda manera . '
22. 22. - El reactor de membrana reactiva de intercambio de protones de conformidad con la reivindicación 19, en donde cada una de las cuando menos dos capas de catalizador comprende un material catalítico diferente.
23. 23. - El reactor de membrana reactiva de intercambio de protones de conformidad con la reivindicación 19, en donde la membrana de intercambio de protones comprende un material de cerámica- o polímero capaz de- conducir protones .
24. 24. - El reactor de membrana reactiva de intercambio de protones de conformidad con la reivindicación 19, en donde la cuando menos una de las por lo menos dos capas de catalizador comprende un material constituido para catalizar la formación de hidrógeno de protones y electrones o la formación de protones y electrones de hidrógeno. 45
25. 25.- Un método para reactivar una1 capa de catalizador, que comprende: ^ hacer fluir hidrógeno de un lado rico en! hidrógeno de una membrana reactiva de intercambio de protones a un lado-de reacción de la membrana reactiva de intercambio de protones para remover cuando menos una especie de hyidrocarburo adherida a una superficie de la capa de catalizador en el lado de reacción, en donde la membrana reactiva de intercambio de protones comprende: una membrana de intercambio de protones dispuesta entre cuando menos dos capas de catalizador, en donde por lo menos una de las cuando menos dos capas de catalizador comprende un material constituida para catalizar la deshidrogenación de un hidrocarburo; y i una fuente de energía acoplada operablemente a las cuando menos dos capas de catalizador; y en donde hacer fluir el hidrógeno comprende modular' i direccionalmente una salida de la fuente de energía para ocasionar cue el hidrógeno del lado rico en hidrógeno del reactivo de intercambio de protones al lado de reacción de la misma .
26. 26.- El método de conformidadj con la reivindicación 25, en donde hacer fluir hidrógeno de un lado rico en hidrógeno de una membrana reactiva de intercambio de protones a un lado de reacción de la membrana rea'ctiva de 46 intercambio de protones para remover cuando menos u,na especie de hidrocarburo adherida a una superficie de la capa de catalizador comprende hacer fluir el hidrógeno durante una cantidad de tiempo suficiente para remover la cuando menos una especie de hidrocarburo adherida.
27. 27. - El método de conformidad con la reivindicación 25, en donde hacer fluir hidrógeno de un lado rico en hidrógeno de una membrana reactiva de intercambio de protones a un lado de reacción de la membrana reactiva de intercambio de protones para remover cuando menos una especie de hidrocarburo adherida a una superficie de la capa de catalizador comprende hacer fluir el hidrógeno a una temperatura o presión suficiente para remover la cuando menos una especie de hidrocarburo adherida.
28. 28. - El método de conformidad con la reivindicación 25, en donde hacer fluir hidrógeno de un lado rico en hidrógeno de una membrana reactiva de intercambio de protones a un lado de reacción de la membrana reactiva de intercambio de protones para remover cuando menos una especie de hidrocarburo adherida a una superficie de la capa de catalizador comprende ciclar bidireccionalmente el hidrógeno a través de la membrana reactiva de intercambio de protones para remover la cuando menos una especie de hidrocarburo adherida .
29. 29. - Un método para producir hidrocarburo superior 47 de un alcano ligero, que comprende: proporcionar un a membrana reactiva de intercambio de protones; deshidrogenar el alcano ligero en un primer lado de la membrana reactiva de intercambio de protones para producir I una especie dé carbono activado e hidrógeno; transportar hidrógeno del primer lado de la membrana reactiva de intercambio de protones ,a un segundo lado de la misma; ¦ ! oligomerizar la especie de carbono activado en el primer lado de la membrana reactiva de intercambio de protones para formar un hidrocarburo superior, deshidrogenado; transportar opcionalmente hidrógeno del segundo lado de la membrana reactiva de intercambio de protones al primer lado de la misma; e hidrogenar el hidrocarburo superior, deshidrogenado para producir el hidrocarburo superior.
30. 30.- Una membrana reactiva de intercambio de protones, que comprende: una membrana de intercambio de protones en contacto con una capa de catalizador, en donde la capa de 1 catali zador comprende un material constituido para catalizar la deshidrogenación de un hidrocarburo; y una fuente de energía operablemente conectada a la 48 ! capa de catalizador.
31. 31. - La membrana reactiva de intercambio de protones de conformidad con la reivindicación 30, en donde la fuente de energía está adaptada para modulación de una manera para ocasionar que el hidrógeno sea transportado, de un lado de reacción a la membrana reactiva de intercambio de protones a un lado rico en .hidrógeno de la membrana reactiva de intercambio de protones. '
32. 32. - La membrana reactiva de intercambio de protones, controlable, de conformidad con la reivindicación 30, en donde la membrana de intercambio de protones comprende un material de cerámica o polímero capaz de conducir protones .
33. 33. - Un método para deshidrogenación de un alcano, que comprende: proporcionar un alcano; proporcionar una membrana reactiva de intercambio de protones, la membrana reactiva de intercambio de protones comprendiendo : una membrana de intercambio de protones dispuesta entre cuando menos dos capas de catalizador, en donde por lo menos una de las cuando menos dos capas de catalizador comprende un material constituido para catalizar la deshidrogenación del alcano; y una fuente de energía acoplada operablemente a las 49 cuando menos dos capas de catalizador; deshidrogenar el alcano para formar un alqueno poniendo en contacto el cuando menos un catalizador con el ! alcano; y transportar hidrógeno a través de la membrana reactiva de intercambio de protones mediante modulación de una salida de la fuente de energía para mejorar una extensión de una reacción para producir el alqueno.
34. 34. - El método de conformidad ' con la reivindicación 33, en donde proporcionar un alcano comprende proporcionar propano, etano, o mezclas de los mismos.
35. 35. - El método de conformidad con la reivindicación 33, en donde deshidrogenar el alcano para formar alqueno comprende deshidrogenar propano, etano, ' o mezclas de los mismos para formar propeno, eteno, o mezclas de los mismos. 35.- El método de conformidad con la reivindicación 33, que comprende además reactivar la por lo menos una de las cuando menos dos capas de 'catalizador haciendo fluir hidrógeno de un lado rico en hidrógeno de la membrana reactiva de intercambio de protones a un lado de reacción de la membrana reactiva de intercambio de protones. 37.- Un método para ajustar condiciones de proceso de un reactor de membrana reactiva de intercambio de 50 protones, que comprende: proporcionar un reactor de membrana reactiva de intercambio de protones que comprende una membrana reactiva de intercambio de protones, la membrana reactiva de intercambio de protones comprendiendo: una membrana de intercambio de protonesi dispuesta entre cuando menos dos capas de catalizador, en donde por lo menos una de las cuando menos dos capas de catalizador comprende un material constituido para catalizar la deshidrogenación de un hidrocarburo; y una fuente de energía acoplada operablemente a las cuando menos dos capas de catalizador; modular una salida de energía de la fuente de I energía ; I percibir una relación de corriente-voltaje dentro de cada medio ciclo del reactor de membrana reactiva de intercambio de protones; y ajusfar las condiciones de proceso del reactor de membrana reactiva de intercambio de protones basado en la relación de corriente-voltaje. 38.- El método de conformidad con la reivindicación 37, en donde percibir una 'relación de i corriente-voltaje dentro de cada medio ciclo del reactor de membrana reactiva de intercambio de protones comprende percibir la configuración de un vestigio de corriente - 51 voltaje o percibir los cambios en el vestigio de corriente-voltaje a través del tiempo. 1 39.- El método de conformidad con la reivindicación 37, en donde ajusfar las condiciones del I reactor de membrana reactiva de intercambio de protones comprende ajusfar las condiciones de proceso para efectuar una reacción o funcionamiento de transporte del reactor de membrana reactiva de intercambio de protones.