Реактивное мгновенное испарение

Реактивное мгновенное испарение (RFV) — это химический процесс, который быстро преобразует нелетучие твердые вещества и жидкости в летучие соединения путем термического разложения для интеграции с каталитической химией.

Химия

Использование тяжелого ископаемого топлива или биомассы, богатой углеводами , (C 6 H 10 O 5 ) n , для получения топлива или химикатов требует начального термохимического процесса, называемого пиролизом , который расщепляет крупные полимеры на смеси небольших летучих органических соединений (ЛОС). Конкретный метод пиролиза биомассы, называемый «быстрым пиролизом», преобразует частицы биомассы в твердое вещество с высоким содержанием углерода (около 10%), называемое уголь , около 15% газов, таких как углекислый газ, и около 70% смеси органических соединений, обычно называемой « бионефтью », при температуре 500 °C за 1–2 секунды. [1]

Пиролиз: Биомасса + Тепло → 0,70ЛОС + 0,10Угля + 0,15Газов

Летучие органические вещества могут быть собраны в виде коричневой, сильнокислотной жидкости для дальнейшей термохимической конверсии с помощью традиционных процессов, таких как паровой риформинг , газификация , каталитическое частичное окисление , каталитический крекинг , сжигание или гидроочистка . [2]

Каталитический паровой риформинг: ЛОС + H 2 O + тепло + катализатор → H 2 + CO + катализатор
Каталитическое частичное окисление: ЛОС + O 2 + катализатор → H 2 + CO + тепло + катализатор
Каталитическое горение : ЛОС + O 2 + катализатор → CO 2 + H 2 O + тепло + катализатор

Эти два набора химии, пиролиз и каталитическая обработка, объединяются для формирования процесса реактивного мгновенного испарения. Твердые углеводороды или биомасса контактируют с высокотемпературными (500–900 °C) катализаторами для получения газов и летучих органических соединений . [2] Летучие вещества поступают в катализатор с реагентом (H 2 , O 2 или H 2 O) для преобразования в желаемые продукты (H 2 , CO, H 2 O, CO 2 или ЛОС).

RFV: Биомасса + тепло + Реагент + Катализатор → Газы + ЛОС + Реагент + Катализатор → Продукты + Катализатор

Открытие

Реактивное мгновенное испарение было продемонстрировано в 2006 году в журнале Science путем высокотемпературной (700–800 °C) конверсии соевого масла (триглицеридов) и сахара (D-(+)-глюкозы) в синтез-газ (H 2 + CO) и олефины (этилен и пропилен). [3] Полная, непрерывная каталитическая конверсия тяжелых топлив была неожиданной, поскольку было показано, что начальная пиролитическая химия генерирует значительные количества твердого остатка, называемого «углем», который, как ожидалось, блокирует необходимое взаимодействие между реагирующими соединениями и твердым металлическим катализатором. [3] [ мертвая ссылка ‍ ]

Процесс был описан следующим образом: «Низкая летучесть этих видов биотопливного сырья не только приводит к образованию сажи при их непосредственном использовании в двигателях внутреннего сгорания, но и заставляет их покрывать промышленные катализаторы дезактивирующим слоем углерода, тем самым затрудняя их преобразование в более легкие продукты. Джеймс Ричард Сальдж и его коллеги показывают, что если тяжелое топливо, такое как соевое масло или биодизель , распылять на горячие родий-цериевые катализаторы в виде мелких капель в присутствии кислорода, топливо может самонагреваться и полностью реагировать с образованием водорода без образования углерода и дезактивации катализатора». [4] RFV: триглицерид + O 2 + катализатор → этилен + пропилен + CO 2 + H 2 O + катализатор

В ходе процесса 70% атомарного водорода в триглицеридах соевого масла преобразуется в молекулярный H2 , а 60% атомарного углерода в оксид углерода на основе родия с церием, нанесенным на альфа-оксид алюминия. [5] При различных рабочих условиях процесс может производить значительное количество этилена и пропилена. [6]

Первая демонстрация реактивного мгновенного испарения произошла в результате ряда экспериментальных шагов: [7]

  1. Исследователи начинают либо с чистого соевого масла, либо с густого сахарного сиропа.
  2. Реактор состоит из автомобильного топливного инжектора, который используется для распыления масла или сиропа в виде мелких капель через трубку. В трубке, как пробка, находится пористый керамический диск, изготовленный из родий-цериевого каталитического материала.
  3. Когда капли ударяются о диск, температура поверхности которого составляет 1000 °C, тепло и кислород разрушают молекулы масла или сахара.
  4. Катализатор направляет распад в сторону производства синтез-газа, а не водяного пара и углерода.
  5. Синтез-газ проходит через пористый диск и собирается ниже по потоку в трубке.
  6. Никакого внешнего нагрева не требуется, поскольку в ходе химических реакций выделяется достаточно тепла, чтобы разрушить молекулы масла или сахара, идущие следом.

Первоначальная подача тепла необходима для достижения температуры 300 °C, после чего реакция инициируется или «загорается» и быстро повышается до температуры 700–800 °C. В устойчивых условиях реакция генерирует достаточно тепла для поддержания высокой температуры, чрезвычайно быстрой химии. [8] Общее время преобразования тяжелых нелетучих соединений в летучие или газообразные виды составляет миллисекунды (или тысячные доли секунды). [4]

Применение к твердой биомассе

Реактивное мгновенное испарение твердых частиц, состоящих из целлюлозы , крахмала , лигнина , древесной щепы осины ( Populus tremuloides ) и полиэтилена , было продемонстрировано в 2007 году в научном журнале Angewandte Chemie . [9] Частицы целлюлозы были полностью преобразованы в синтез-газ (H2 и CO) и продукты сгорания (H2O и CO2 ) всего за 30 миллисекунд. Каталитический риформинг всех материалов происходил без необходимости внешнего источника тепла при работе при температуре 500–900 °C. При оптимальных условиях 50% всего атомарного водорода и 50% всего атомарного углерода могут быть преобразованы в молекулярный H2 и оксид углерода всего за 30 миллисекунд. Химия реакции была продемонстрирована как на катализаторе Rh-Ce/оксид алюминия, так и на катализаторе Ni-Ce/оксид алюминия. [9]

Публикация в научном журнале Green Chemistry продемонстрировала, что процесс реактивного мгновенного испарения можно рассматривать как комбинацию нескольких других глобальных химий, происходящих посредством термической и химической интеграции. [10] Как показано на диаграмме справа, начальная химия пиролиза происходит, когда частица биомассы (зеленая) физически контактирует с горячим катализатором (оранжевый). Летучие органические соединения (ЛОС) поступают в катализатор с кислородом, адсорбируются на атомах Rh и реагируют с образованием продуктов сгорания (H 2 O и CO 2 ) и синтез-газа (H 2 и CO). После этой начальной химии происходят три основные глобальные реакции. Продукты сгорания каталитически реагируют с синтез -газом посредством реакции конверсии водяного газа . Кроме того, летучие органические вещества каталитически реагируют с паром (H 2 O) с образованием новых продуктов сгорания и синтез-газа. Наконец, летучие органические вещества могут однородно расщепляться в газовой фазе с образованием более мелких летучих органических веществ. [9]

Было показано, что рабочая температура изменяется в пределах длины катализатора, а также является сильной функцией соотношения биомассы к кислороду. Экспериментальное исследование показало, что тепло, необходимое для термического разрушения биомассы, генерируется в слое катализатора в результате поверхностных окислительных реакций. Было показано, что температурный профиль (и температура реакции) чрезвычайно важны для предотвращения образования углерода в равновесии. [10] Очень быстрая конверсия была приписана высоким рабочим температурам, но максимальная скорость переработки целлюлозы не была определена. [11] Однако каталитическое частичное окисление летучих органических соединений показало, что полная конверсия может происходить менее чем за 10 миллисекунд. [12]

Ссылки

  1. ^ [1] [ мертвая ссылка ‍ ]
  2. ^ Ван Норден, Ричард (2006-11-02). "Как лучше всего использовать биомассу?". Chemistry World . Королевское химическое общество.
  3. ^ Salge, JR; Dreyer, BJ; Dauenhauer, PJ; Schmidt, LD (2006). «Возобновляемый водород из нелетучих видов топлива путем реактивного мгновенного испарения». Science . 314 (5800): 801– 804. Bibcode :2006Sci...314..801S. doi :10.1126/science.1131244. PMID  17082454. S2CID  24891756.
  4. ^ Биттерман, Марк (2006-11-07). "Растительное масло или ядерное деление". Блог Cleantech . Cleantech.org. Архивировано из оригинала 2012-07-22.
  5. ^ Гейтс, Брюс К.; Джордж У. Хубер; Кристофер Л. Маршалл; Филипп Н. Росс; Джеффри Сиирола; Йонг Ван (апрель 2008 г.). «Катализаторы для новых энергетических приложений». Бюллетень MRS . 33 (4): 429– 435. doi : 10.1557/mrs2008.85 .
  6. ^ Заявка США 20080237542, Лэнни Д. Шмидт, Пол Дж. Дауэнхауэр, Брэдон Дж. Дрейер, Джеймс Р. Сальге, Дэвид Реннард, «Реактивное мгновенное испарение жидких топлив» 
  7. ^ "Мгновенное испарение: новый процесс превращения биомассы в жидкости". Biopact. 2006-11-04.
  8. ^ Кертин, Сиара (2006-11-03). «Открытие биотоплива обещает положить конец зависимости от природного газа». Scientific American .
  9. ^ abc Dauenhauer, Paul J.; Dreyer, Bradon J.; Degenstein, Nick J.; Schmidt, Lanny D. (2007). «Миллисекундное реформирование твердой биомассы для получения устойчивого топлива». Angewandte Chemie International Edition . 46 (31): 5864– 7. Bibcode : 2007AngCh.119.5968D. CiteSeerX 10.1.1.614.932 . doi : 10.1002/ange.200701238. PMID  17610233. 
  10. ^ ab Colby, Joshua L.; Paul J. Dauenhauer; Lanny D. Schmidt (2008). «Миллисекундный автотермический паровой риформинг целлюлозы для синтетического топлива с помощью реактивного мгновенного испарения». Green Chemistry . 10 (7): 773– 783. CiteSeerX 10.1.1.1007.860 . doi :10.1039/b804691c. 
  11. ^ Джордж В. Хубер, ред. (2008). «Преодоление химических и инженерных барьеров на пути к лигноцеллюлозному биотопливу: биоперерабатывающие заводы следующего поколения на основе углеводородов» (PDF) . Национальный научный фонд. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  12. ^ Дауэнхауэр, П.; Сальге, Дж.; Шмидт, Л. (2006). «Возобновляемый водород путем автотермического парового риформинга летучих углеводов». Журнал катализа . 24 (2): 238. doi :10.1016/j.jcat.2006.09.011.
  • Бриджуотер, А. В. (2003). «Возобновляемое топливо и химикаты, получаемые путем термической обработки биомассы». Chemical Engineering Journal . 91 ( 2–3 ): 87–102 . doi :10.1016/s1385-8947(02)00142-0.
  • Huber, GW; Iborra, S; Corma, A (2006). «Синтез транспортных топлив из биомассы: химия, катализаторы и инженерия». Chemical Reviews . 106 (9): 4044–98 . doi :10.1021/cr068360d. PMID  16967928.
  • Исследовательская группа Лэнни Д. Шмидта в Университете Миннесоты
  • Основные потребности исследований: катализ для получения энергии
  • Химическая инженерия и материаловедение в Университете Миннесоты
  • Исследовательская группа Пола Дж. Дауэнхауэра в Университете Миннесоты
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reactive_flash_volatilization&oldid=1268929660"