Reaktivní blesková těkavost - Reactive flash volatilization

Reaktivní blesková těkavost (RFV) je chemický proces, který rychle převádí netěkavé pevné látky a kapaliny na těkavé sloučeniny pomocí tepelný rozklad pro integraci s katalytickými chemiemi.

Chemie

RFV reaktorová fotografie.jpg

Využití těžkých fosilních paliv nebo biomasy bohaté na sacharidy, (C.6H10Ó5)n, pro paliva nebo chemikálie vyžaduje počáteční termochemický proces zvaný pyrolýza který štěpí velké polymery na směsi malých těkavých organických sloučenin (VOC). Specifická metoda pyrolýzy biomasy, zvaná „rychlá pyrolýza“, přeměňuje částice biomasy na asi 10% pevnou látku bohatou na uhlík zvanou char, asi 15% plynů, jako je oxid uhličitý, a asi 70% směs organických sloučenin běžně označovaných jako „bioolej „při 500 ° C za 1–2 sekundy. [1][mrtvý odkaz ]

Pyrolýza: biomasa + teplo → 0,70 VOC + 0,10 char + 0,15 plyny

Těkavé organické látky mohou být shromažďovány jako hnědá, vysoce kyselá kapalina pro další termochemickou konverzi tradičními procesy, jako je parní reformování, zplyňování, katalytická parciální oxidace, katalytické krakování, spalování nebo hydrogenační zpracování. [2]

Katalytické parní reformování: VOC + H2O + teplo + katalyzátor → H2 + CO + katalyzátor
Katalytická parciální oxidace: VOC + O2 + Katalyzátor → H2 + CO + teplo + katalyzátor
Katalytické spalování: VOC + O2 + Katalyzátor → CO2 + H2O + teplo + katalyzátor

Tyto dvě sady chemikálií, pyrolýza a katalytické zpracování, jsou spojeny za vzniku procesu reaktivní bleskové těkavosti. Pevné uhlovodíky nebo biomasa se kontaktují s vysokoteplotními (500–900 ° C) katalyzátory za vzniku plynů a těkavé organické sloučeniny.[1] Těkavé látky proudí do katalyzátoru s reaktantem (H2, O2nebo H2O) převést na žádoucí produkty (H2, CO, H2O, CO2nebo VOC).

RFV: Biomasa + teplo + reaktant + katalyzátor → plyny + VOC + reaktant + katalyzátor → produkty + katalyzátor

Objev

RFV reaktorový diagram.jpg

Reaktivní blesková těkavost byla v časopise demonstrována v roce 2006 Věda vysokou teplotou (700–800 ° C) přeměnou sojový olej (triglyceridy) a cukr (D - (+) - glukóza) do syntézního plynu (H2 + CO) a olefiny (ethylen a propylen).[2] Úplná kontinuální katalytická přeměna těžkých paliv byla překvapivá, protože bylo prokázáno, že počáteční pyrolytická chemie generuje významné množství pevného zbytku zvaného „char“, u kterého se očekávalo, že blokuje nezbytnou interakci mezi reaktantními sloučeninami a pevným kovovým katalyzátorem. [3][mrtvý odkaz ]

Tento proces byl popsán takto: „Nízká těkavost těchto surovin pro biopaliva vede nejen k produkci sazí, pokud se používají přímo ve spalovacích motorech, ale také způsobuje, že průmyslové katalyzátory potahují deaktivační vrstvou uhlíku, což znemožňuje jejich přeměnu na lehčí James Richard Salge a jeho kolegové ukazují, že pokud těžká paliva, jako je sójový olej nebo bionafta jsou rozprašovány na horké rhodium-cerové katalyzátory jako jemné kapičky za přítomnosti kyslíku, paliva se mohou samy zahřívat a plně reagovat za vzniku vodíku bez tvorby uhlíku a deaktivace katalyzátoru. “[3]RFV: Triglycerid + O2 + Katalyzátor → Ethylen + Propylen + CO2 + H2O + katalyzátor

Proces přeměnil 70% atomového vodíku v triglyceridech sójového oleje na molekulární H2a 60% atomového uhlíku na oxid uhelnatý na katalyzátoru na bázi Rh s cerem naneseným na alfa-alumině.[4] Za různých provozních podmínek může proces produkovat významné množství ethylenu a propylenu.[5]

K první demonstraci reaktivní bleskové těkavosti došlo řadou experimentálních kroků:[6]

  1. Vědci začínají buď čistým sójovým olejem nebo hustým cukrovým sirupem.
  2. Reaktor se skládá z automobilového vstřikovače paliva, který se používá k rozprašování oleje nebo sirupu ve formě jemných kapiček trubičkou. Jako zátka v trubce sedí porézní keramický kotouč vyrobený z rhodium-cerového katalyzátorového materiálu.
  3. Když kapičky narazí na disk, jehož povrchová teplota je 1 000 ° C, teplo a kyslík rozdělí molekuly oleje nebo cukru.
  4. Katalyzátor vede rozpad spíše k produkci syntézního plynu než k vodní páře a uhlíku.
  5. Syngas prochází porézním diskem a je shromažďován po proudu v trubici.
  6. Není nutné žádné vnější zahřívání, protože chemické reakce uvolňují dostatek tepla k tomu, aby rozbily molekuly oleje nebo cukru, které následovaly.

Počáteční přísun tepla je nezbytný k dosažení teplot 300 ° C, poté se reakce zahájí nebo „zhasne“ a rychle stoupne na teploty 700–800 ° C. Za stabilních podmínek reakce generuje dostatečné teplo k udržení vysoké teploty a extrémně rychlé chemie.[7] Celková doba pro přeměnu těžkých, netěkavých sloučenin na těkavé nebo plynné látky se vyskytuje v milisekundách (nebo tisícinách sekundy). [4]

Aplikace na tuhou biomasu

RFV reaktorový profil.jpg

Reaktivní blesková těkavost pevných částic složená z celulóza, škrob, lignin, Třesoucí se osika (Populus tremuloides ) dřevěné štěpky a polyethylen byla prokázána v roce 2007 ve vědeckém časopise Angewandte Chemie.[8] Částice celulózy byly zcela převedeny na Syngas (H2 a CO) a produkty spalování (H2O a CO2) za pouhých 30 milisekund. Katalytické reformování všech materiálů došlo při provozu na 500–900 ° C bez potřeby externího zdroje tepla. Za optimálních podmínek lze 50% veškerého atomového vodíku a 50% veškerého atomového uhlíku převést na molekulární H2 a oxid uhelnatý za pouhých 30 milisekund. Reakční chemie byla demonstrována jak na katalyzátoru Rh-Ce / oxid hlinitý, tak na katalyzátoru Ni-Ce / oxid hlinitý.[8]

Publikace ve vědeckém časopise Zelená chemie prokázali, že proces reaktivní bleskové těkavosti lze považovat za kombinaci několika dalších globálních chemikálií vyskytujících se prostřednictvím tepelné a chemické integrace.[9] Jak je znázorněno na obrázku vpravo, počáteční chemie pyrolýzy nastává, když částice biomasy (zelená) fyzicky kontaktuje horký katalyzátor (oranžová). Těkavé organické sloučeniny (VOC) proudí do katalyzátoru s kyslíkem, adsorbují se na atomech Rh a reagují za vzniku produktů spalování (H2O a CO2) a syngas (H2 a CO). Po této počáteční chemii dochází ke třem hlavním globálním reakcím. Produkty spalování reagují katalyticky se syntézním plynem reakce posunu voda-plyn. Těkavé organické látky také katalyticky reagují s párou (H2O) za vzniku nových produktů spalování a syntézního plynu. Nakonec těkavé organické látky mohou v plynné fázi homogenně praskat a vytvářet menší těkavé organické látky.[8]

The Provozní teplota Bylo prokázáno, že se mění v délce katalyzátoru a zároveň je silnou funkcí poměru biomasy k kyslíku. Experimentální zkoumání ukázalo, že teplo potřebné k tepelnému štěpení biomasy bylo generováno v lože katalyzátoru povrchovými oxidačními reakcemi. Ukázalo se, že teplotní profil (a reakční teplota) je nesmírně důležitý, aby se zabránilo tvorbě uhlíku v rovnováze.[9] Velmi rychlá konverze byla přičítána vysokým provozním teplotám, ale maximální rychlost zpracování celulózy nebyla stanovena.[10] Katalytická parciální oxidace těkavých organických sloučenin však ukázala, že úplná konverze může nastat za méně než 10 milisekund.[11]

Reference

  1. ^ Van Noorden, Richard (02.11.2006). „Jak nejlépe využívat biomasu?“. Chemický svět. Royal Society of Chemistry.
  2. ^ Salge, JR; Dreyer, BJ; Dauenhauer, PJ; Schmidt, LD (2006). „Obnovitelný vodík z energeticky nezávislých paliv reaktivní bleskovou volatilací“. Věda. 314 (5800): 801–804. Bibcode:2006Sci ... 314..801S. doi:10.1126 / science.1131244. PMID  17082454. S2CID  24891756.
  3. ^ Bitterman, Mark (07.11.2006). „Rostlinný olej nebo jaderné štěpení“. Blog Cleantech. Cleantech.org. Archivovány od originál dne 22. 7. 2012.
  4. ^ Gates, Bruce C .; George W. Huber; Christopher L. Marshall; Phillip N. Ross; Jeffrey Siirola; Yong Wang (duben 2008). „Katalyzátory pro aplikace rozvíjející se energie“. Bulletin MRS. 33 (4): 429–435. doi:10.1557 / mrs2008.85.
  5. ^ Americká aplikace 20080237542, Lanny D. Schmidt, Paul J. Dauenhauer, Bradon J. Dreyer, James R. Salge, David Rennard, „Reaktivní bleskové volatilizace kapalných paliv“ 
  6. ^ „Blesková těkavost: nový proces biomasy na kapaliny“. Biopact. 04.11.2006.
  7. ^ Curtin, Ciara (03.11.2006). „Objev biopaliv slibuje ukončení závislosti na zemním plynu“. Scientific American.
  8. ^ A b C Dauenhauer, Paul J .; Dreyer, Bradon J .; Degenstein, Nick J .; Schmidt, Lanny D. (2007). „Milisekundová reforma pevné biomasy pro udržitelná paliva“. Angewandte Chemie International Edition. 46 (31): 5864–7. CiteSeerX  10.1.1.614.932. doi:10.1002 / ange.200701238. PMID  17610233.
  9. ^ A b Colby, Joshua L .; Paul J. Dauenhauer; Lanny D. Schmidt (2008). "Milisekundová autothermální parní reforma celulózy pro syntetická paliva reaktivní flash volatilizací". Zelená chemie. 10 (7): 773–783. CiteSeerX  10.1.1.1007.860. doi:10.1039 / b804691c.
  10. ^ George W. Huber, ed. (2008). „Překonávání chemických a technických překážek pro lignocelulózová biopaliva: uhlovodíkové biorafinerie nové generace“ (PDF). Národní vědecká nadace. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  11. ^ Dauenhauer, P .; Salge, J .; Schmidt, L. (2006). „Obnovitelný vodík autotermální parní reformou těkavých sacharidů“. Journal of Catalysis. 24 (2): 238. doi:10.1016 / j.jcat.2006.09.011.

externí odkazy