Реактивное мгновенное испарение - Reactive flash volatilization
Реактивное мгновенное испарение (RFV) - это химический процесс, который быстро превращает нелетучие твердые вещества и жидкости в летучие соединения путем термическое разложение для интеграции с каталитической химией.
Химия
Использование тяжелого ископаемого топлива или биомассы, богатой углеводы, (C6ЧАС10О5)п, для топлива или химикатов требуется начальный термохимический процесс, называемый пиролиз который расщепляет крупные полимеры на смеси мелких летучих органических соединений (ЛОС). Конкретный метод пиролиза биомассы, называемый «быстрым пиролизом», преобразует частицы биомассы в твердое вещество с высоким содержанием углерода примерно на 10%, называемое char, около 15% газов, таких как диоксид углерода, и около 70% смеси органических соединений, обычно называемых "Биомасло "при 500 ° C за 1–2 секунды. [1][мертвая ссылка ]
Пиролиз: биомасса + тепло → 0,70 ЛОС + 0,10 углерода + 0,15 газов
Летучие органические вещества могут быть собраны в виде коричневой очень кислой жидкости для дальнейшего термохимического преобразования с помощью традиционных процессов, таких как паровой риформинг, газификация, каталитическое частичное окисление, каталитический крекинг, горение, или гидроочистка. [2]
Каталитический паровой риформинг: летучие органические соединения + H2O + тепло + катализатор → H2 + CO + катализатор
Каталитическое частичное окисление: летучие органические соединения + O2 + Катализатор → H2 + CO + тепло + катализатор
Каталитическое горение: ЛОС + O2 + Катализатор → CO2 + H2O + тепло + катализатор
Эти два набора химических процессов, пиролиз и каталитическая обработка, объединяются, чтобы сформировать процесс реактивного мгновенного испарения. Твердые углеводороды или биомасса контактируют с высокотемпературными (500–900 ° C) катализаторами с образованием газов и летучие органические соединения.[1] Летучие частицы попадают в катализатор с реагентом (H2, O2, или H2O) для преобразования в желаемые продукты (H2, CO, H2O, CO2, или ЛОС).
RFV: Биомасса + тепло + Реагент + Катализатор → Газы + ЛОС + Реагент + Катализатор → Продукты + Катализатор
Открытие
Реактивное мгновенное испарение было продемонстрировано в 2006 году в журнале. Наука за счет высокотемпературного (700–800 ° C) превращения соевое масло (триглицериды) и сахар (D - (+) - глюкоза) в синтез-газ (H2 + CO) и олефины (этилен и пропилен).[2] Полная, непрерывная каталитическая конверсия тяжелого топлива была неожиданной, потому что было показано, что первоначальная пиролитическая химия генерирует значительные количества твердого остатка, называемого «уголь», который, как ожидалось, блокирует необходимое взаимодействие между реагирующими соединениями и твердым металлическим катализатором. [3][мертвая ссылка ]
Процесс был описан так: «Низкая летучесть этого сырья для биотоплива не только приводит к образованию сажи, когда оно используется непосредственно в двигателях внутреннего сгорания, но также заставляет их покрывать промышленные катализаторы дезактивирующим слоем углерода, тем самым препятствуя их превращению в более легкие. Джеймс Ричард Салдж и его коллеги показывают, что если тяжелое топливо, такое как соевое масло или биодизель распыляются на горячие родий-цериевые катализаторы в виде мелких капель в присутствии кислорода, топливо может саморазогреваться и полностью реагировать с образованием водорода без образования углерода и дезактивации катализатора ».[3]RFV: триглицерид + O2 + Катализатор → Этилен + Пропилен + CO2 + H2O + катализатор
В процессе 70% атомарного водорода в триглицеридах соевого масла превращается в молекулярный H2и 60% атомарного углерода в монооксид углерода на катализаторе на основе Rh с церием, нанесенным на альфа-оксид алюминия.[4] В различных рабочих условиях процесс может производить значительное количество этилена и пропилена.[5]
Первая демонстрация реактивного мгновенного испарения произошла с помощью серии экспериментальных шагов:[6]
- Исследователи начинают с чистого соевого масла или густого сахарного сиропа.
- Реактор состоит из автомобильного топливного инжектора, используемого для распыления масла или сиропа в виде мелких капель через трубку. В трубке как пробка сидит пористый керамический диск, сделанный из материала родий-цериевого катализатора.
- Когда капли ударяются о диск, температура поверхности которого составляет 1000 ° C, тепло и кислород разрушают молекулы масла или сахара.
- Катализатор направляет распад на производство синтез-газа, а не на водяной пар и углерод.
- Синтез-газ проходит через пористый диск и собирается ниже по потоку в трубке.
- Никакого внешнего нагрева не требуется, потому что химические реакции выделяют достаточно тепла для разрушения следующих за ними молекул масла или сахара.
Первоначальная подача тепла необходима для достижения температуры 300 ° C, после чего реакция начинается, или «загорается», и быстро достигает температуры 700–800 ° C. В устойчивых условиях реакция выделяет достаточно тепла для поддержания высокой температуры и чрезвычайно быстрого химического взаимодействия.[7] Общее время превращения тяжелых нелетучих соединений в летучие или газообразные составляет миллисекунды (или тысячные доли секунды). [4]
Применение к твердой биомассе
Реактивное мгновенное испарение твердых частиц, состоящих из целлюлоза, крахмал, лигнин, Quaking Aspen (Populus tremuloides ) щепа, и полиэтилен была продемонстрирована в 2007 году в научном журнале Angewandte Chemie.[8] Частицы целлюлозы полностью преобразовались в синтез-газ (ЧАС2 и CO) и продуктов сгорания (H2O и CO2) всего за 30 миллисекунд. Каталитический риформинг всех материалов происходило без использования внешнего источника тепла при работе при 500–900 ° C. В оптимальных условиях 50% всего атомарного водорода и 50% всего атомарного углерода могут быть преобразованы в молекулярный H2 и окись углерода всего за 30 миллисекунд. Химию реакции продемонстрировали как на катализаторе Rh-Ce / оксид алюминия, так и на катализаторе Ni-Ce / оксид алюминия.[8]
Публикация в научном журнале Зеленая химия продемонстрировали, что процесс реактивного мгновенного испарения можно рассматривать как комбинацию нескольких других глобальных химических процессов, происходящих посредством термической и химической интеграции.[9] Как показано на диаграмме справа, начальный процесс пиролиза происходит, когда частица биомассы (зеленый цвет) физически контактирует с горячим катализатором (оранжевый). Летучие органические соединения (ЛОС) проникают в катализатор с кислородом, адсорбируются на атомах Rh и реагируют с образованием продуктов сгорания (H2O и CO2) и синтез-газ (H2 и СО). После этой начальной химии происходят три основные глобальные реакции. Продукты сгорания каталитически реагируют с синтез-газом за счет реакция конверсии водяного газа. Кроме того, летучие органические соединения каталитически реагируют с паром (H2O) с образованием новых продуктов сгорания и синтез-газа. Наконец, летучие органические вещества могут гомогенно растрескиваться в газовой фазе с образованием более мелких летучих органических веществ.[8]
В Рабочая Температура было показано, что он изменяется в пределах длины катализатора, а также является сильной функцией отношения биомассы к кислороду. Экспериментальное исследование показало, что тепло, необходимое для термического разрушения биомассы, генерируется внутри слоя катализатора в результате реакций поверхностного окисления. Было показано, что температурный профиль (и температура реакции) чрезвычайно важны для предотвращения образования углерода в состоянии равновесия.[9] Очень быстрая конверсия объясняется высокими рабочими температурами, но максимальная скорость обработки целлюлозы не определена.[10] Однако каталитическое частичное окисление летучих органических соединений показало, что полное преобразование может происходить менее чем за 10 миллисекунд.[11]
использованная литература
- ^ Ван Норден, Ричард (2 ноября 2006 г.). "Как лучше всего использовать биомассу?". Мир химии. Королевское химическое общество.
- ^ Salge, JR; Дрейер, Б.Дж.; Dauenhauer, PJ; Шмидт, LD (2006). «Возобновляемый водород из нелетучих видов топлива путем реактивного мгновенного испарения». Наука. 314 (5800): 801–804. Bibcode:2006Научный ... 314..801С. Дои:10.1126 / science.1131244. PMID 17082454. S2CID 24891756.
- ^ Биттерман, Марк (2007-11-07). «Растительное масло или ядерное деление». Блог о чистых технологиях. Cleantech.org. Архивировано из оригинал на 2012-07-22.
- ^ Гейтс, Брюс С .; Джордж У. Хубер; Кристофер Л. Маршалл; Филип Н. Росс; Джеффри Сиирола; Юн Ван (апрель 2008 г.). «Катализаторы для новых энергетических приложений». Бюллетень MRS. 33 (4): 429–435. Дои:10.1557 / mrs2008.85.
- ^ Заявка США 20080237542, Лэнни Д. Шмидт, Пол Дж. Дауэнхауэр, Брэдон Дж. Дрейер, Джеймс Р. Салдж, Дэвид Реннард, «Реактивное мгновенное испарение жидкого топлива»
- ^ «Мгновенное испарение: новый процесс превращения биомассы в жидкости». Биопакт. 2006-11-04.
- ^ Куртин, Сиара (2006-11-03). «Открытие биотоплива обещает положить конец зависимости от природного газа». Scientific American.
- ^ а б c Dauenhauer, Paul J .; Дрейер, Брэдон Дж .; Дегенштейн, Ник Дж .; Шмидт, Лэнни Д. (2007). «Миллисекундное преобразование твердой биомассы для устойчивого использования топлива». Angewandte Chemie International Edition. 46 (31): 5864–7. CiteSeerX 10.1.1.614.932. Дои:10.1002 / ange.200701238. PMID 17610233.
- ^ а б Colby, Joshua L .; Пол Дж. Дауэнхауэр; Лэнни Д. Шмидт (2008). "Миллисекундный аутентификационный паровой риформинг целлюлозы для получения синтетического топлива путем реактивного мгновенного испарения". Зеленая химия. 10 (7): 773–783. CiteSeerX 10.1.1.1007.860. Дои:10.1039 / b804691c.
- ^ Джордж У. Хубер, изд. (2008). «Преодоление химических и технических барьеров на пути к лигноцеллюлозному биотопливу: углеводородные биоперерабатывающие заводы нового поколения» (PDF). Национальный фонд науки. Цитировать журнал требует
| журнал =(Помогите) - ^ Dauenhauer, P .; Salge, J .; Шмидт, Л. (2006). «Возобновляемый водород путем автотермического парового риформинга летучих углеводов». Журнал катализа. 24 (2): 238. Дои:10.1016 / j.jcat.2006.09.011.
- Бриджуотер, А.В. (2003). «Возобновляемые виды топлива и химикаты путем термической обработки биомассы». Журнал химической инженерии. 91 (2–3): 87–102. Дои:10.1016 / с1385-8947 (02) 00142-0.
- Хубер, GW; Иборра, S; Корма, А (2006). «Синтез транспортного топлива из биомассы: химия, катализаторы и инженерия». Химические обзоры. 106 (9): 4044–98. Дои:10.1021 / cr068360d. PMID 16967928.