Reaktif flaş buharlaşma - Reactive flash volatilization

Reaktif flaş buharlaşma (RFV), uçucu olmayan katıları ve sıvıları hızla uçucu bileşiklere dönüştüren kimyasal bir işlemdir. termal ayrışma katalitik kimyalarla entegrasyon için.

Kimya

RFV reaktör fotoğraf.jpg

Ağır fosil yakıtların veya biyokütlenin kullanımı karbonhidratlar, (C6H10Ö5)n, yakıtlar veya kimyasallar için, adı verilen ilk termokimyasal işlem gerekir piroliz büyük polimerleri küçük uçucu organik bileşiklerin (VOC) karışımlarına ayıran. Biyokütlenin pirolizinin "hızlı piroliz" olarak adlandırılan özel bir yöntemi, biyokütle parçacıklarını yaklaşık% 10 karbon açısından zengin katıya dönüştürür. kömür, yaklaşık% 15 karbondioksit gibi gazlar ve yaklaşık% 70 organik bileşiklerin bir karışımı genellikle "biyo-yağ "500 ° C'de 1-2 saniyede. [1][ölü bağlantı ]

Piroliz: Biyokütle + Isı → 0.70VOCs + 0.10Char + 0.15Gases

Uçucu organikler, geleneksel işlemlerle daha fazla termokimyasal dönüşüm için kahverengi, oldukça asidik bir sıvı olarak toplanabilir. buhar dönüştürme, gazlaştırma, katalitik kısmi oksidasyon, katalitik çatlama, yanma veya su ile muamele. [2]

Katalitik buhar reformu: VOC'ler + H2O + Isı + Katalizör → H2 + CO + Katalizör
Katalitik kısmi oksidasyon: VOC'ler + O2 + Katalizör → H2 + CO + Isı + Katalizör
Katalitik yanma: VOC'ler + O2 + Katalizör → CO2 + H2O + Isı + Katalizör

Bu iki grup kimya, piroliz ve katalitik işleme, reaktif flaş buharlaştırma işlemini oluşturmak için birleştirilir. Katı hidrokarbonlar veya biyokütle, gaz oluşturmak için yüksek sıcaklık (500-900 ° C) katalizörlerle temas ettirilir ve Uçucu organik bileşikler.[1] Uçucu türler, bir reaktant (H2, Ö2veya H2O) istenen ürünlere dönüştürmek için (H2, CO, H2O, CO2veya VOC'ler).

RFV: Biyokütle + ısı + Reaktif + Katalizör → Gazlar + Uçucu Organik Bileşenler + Reaktif + Katalizör → Ürünler + Katalizör

Keşif

RFV reaktör diagram.jpg

Reaktif flash volatilizasyon dergide 2006 yılında gösterildi Bilim yüksek sıcaklık (700–800 ° C) dönüşümü ile soya fasulyesi yağı (trigliseritler) ve şekerden (D - (+) - glikoz) sentez gazına (H2 + CO) ve olefinler (etilen ve propilen).[2] Ağır yakıtların tam, sürekli katalitik dönüşümü şaşırtıcıydı, çünkü başlangıçtaki pirolitik kimyanın, reaktan bileşikler ile katı metal katalizör arasındaki gerekli etkileşimi bloke etmesi beklenen "kömür" olarak adlandırılan önemli miktarlarda katı kalıntı ürettiği gösterildi. [3][ölü bağlantı ]

İşlem şu şekilde açıklanmıştır: "Bu biyoyakıt hammaddelerinin düşük uçuculuğu, doğrudan içten yanmalı motorlarda kullanıldıklarında kurum üretimine yol açmakla kalmaz, aynı zamanda endüstriyel katalizörleri deaktive edici bir karbon tabakası ile kaplamalarına neden olarak daha hafif hale gelmelerini engeller James Richard Salge ve meslektaşları, soya fasulyesi yağı gibi ağır yakıtların veya biyodizel oksijen varlığında ince damlacıklar halinde sıcak rodyum-seryum katalizörleri üzerine püskürtülür, yakıtlar kendi kendine ısınabilir ve karbon oluşumu ve katalizör deaktivasyonu olmaksızın hidrojen oluşturmak için tamamen reaksiyona girebilir. "[3]RFV: Trigliserid + O2 + Katalizör → Etilen + Propilen + CO2 + H2O + Katalizör

Süreç soya yağı trigliseridlerindeki atomik hidrojenin% 70'ini moleküler H'ye dönüştürdü.2ve alfa-alümina üzerinde desteklenen Seryum ile Rh bazlı bir katalizörde atomik karbondan karbon monoksite% 60.[4] Farklı çalışma koşulları altında, işlem önemli miktarda etilen ve propilen üretebilir.[5]

Reaktif flaş buharlaşmanın ilk gösterimi bir dizi deneysel adımla gerçekleşti:[6]

  1. Araştırmacılar ya saf soya fasulyesi yağı ya da kalın şeker şurubu ile başlıyor.
  2. Reaktör, yağı veya şurubu ince damlacıklar halinde bir tüp aracılığıyla püskürtmek için kullanılan bir otomotiv yakıt enjektöründen oluşur. Tüpün içinde tıpa gibi oturan, rodyum-seryum katalizör malzemesinden yapılmış gözenekli bir seramik disktir.
  3. Yüzey sıcaklığı 1.000 ° C olan diske damlacıklar çarptığında, ısı ve oksijen yağ veya şeker moleküllerini parçalar.
  4. Katalizör, parçalanmayı su buharı ve karbondan ziyade sentez gazı üretimine yönlendirir.
  5. Sentez gazı, gözenekli diskten geçer ve tüpte aşağı yönde toplanır.
  6. Harici ısıtmaya gerek yoktur çünkü kimyasal reaksiyonlar, ardından gelen yağ veya şeker moleküllerini parçalamak için yeterli ısı açığa çıkarır.

300 ° C'lik sıcaklıklara ulaşmak için başlangıçta bir ısı kaynağı gereklidir, ardından reaksiyon başlar veya "söner" ve hızla 700-800 ° C'lik sıcaklıklara yükselir. Sabit koşullar altında, reaksiyon, yüksek sıcaklığı ve son derece hızlı kimyayı korumak için yeterli ısı üretir.[7] Ağır, uçucu olmayan bileşiklerin uçucu veya gaz halindeki türlere dönüşümü için toplam süre milisaniyeler (veya saniyenin binde biri) cinsinden gerçekleşir. [4]

Katı Biyokütleye Uygulama

RFV reaktör profili.jpg

Oluşan katı parçacıkların reaktif flaş buharlaşması selüloz, nişasta, lignin, Titreme Aspen (Populus tremuloides ) talaş ve polietilen 2007 yılında bilimsel dergide gösterildi Angewandte Chemie.[8] Selüloz partikülleri tamamen dönüştürüldü syngas (H2 ve CO) ve yanma ürünleri (H2O ve CO2) 30 milisaniye kadar kısa bir sürede. Katalitik reform 500–900 ° C'de çalışırken harici bir ısı kaynağına ihtiyaç duyulmadan meydana gelen tüm malzemelerin oranı. Optimal koşullar altında, tüm atomik hidrojenin% 50'si ve tüm atomik karbonun% 50'si moleküler H'ye dönüştürülebilir.2 ve 30 milisaniye kadar kısa bir sürede karbon monoksit. Reaksiyon kimyası hem bir Rh-Ce / alümina katalizörü hem de bir Ni-Ce / alümina katalizörü üzerinde gösterilmiştir.[8]

Bilimsel dergide bir yayın Yeşil Kimya reaktif flaş buharlaşma sürecinin, termal ve kimyasal entegrasyon yoluyla meydana gelen diğer birkaç küresel kimyanın bir kombinasyonu olarak kabul edilebileceğini gösterdi.[9] Sağdaki diyagramda gösterildiği gibi, ilk piroliz kimyası, biyokütle parçacığı (yeşil) fiziksel olarak sıcak katalizörle (turuncu) temas ettiğinde gerçekleşir. Uçucu organik bileşikler (VOC'ler) oksijen ile katalizöre akar, Rh atomlarına adsorbe eder ve yanma ürünleri (H2O ve CO2) ve sentez gazı (H2 ve CO). Bu ilk kimyadan sonra, üç ana küresel reaksiyon meydana gelir. Yanma ürünleri sentez gazı ile katalitik olarak reaksiyona girer. su-gaz kayması reaksiyonu. Ayrıca, uçucu organikler katalitik olarak buharla reaksiyona girer (H2O) yeni yanma ürünleri ve sentez gazı oluşturmak için. Son olarak, uçucu organikler daha küçük uçucu organikler oluşturmak için gaz fazında homojen bir şekilde kırılabilir.[8]

Çalışma sıcaklığı biyokütle-oksijen oranının güçlü bir fonksiyonu olmakla birlikte katalizör uzunluğu içinde değiştiği gösterilmiştir. Deneysel bir inceleme, biyokütlenin termal olarak parçalanması için gereken ısının, yüzey oksidasyon reaksiyonları tarafından katalizör yatağında üretildiğini göstermiştir. Dengede karbon oluşumunu önlemek için sıcaklık profilinin (ve reaksiyon sıcaklığının) son derece önemli olduğu gösterilmiştir.[9] Çok hızlı dönüşüm, yüksek çalışma sıcaklıklarına atfedilmiştir, ancak maksimum selüloz işleme hızı belirlenmemiştir.[10] Bununla birlikte, uçucu organik bileşiklerin katalitik kısmi oksidasyonu, tam dönüşümün 10 milisaniyeden daha kısa sürede gerçekleşebileceğini göstermiştir.[11]

Referanslar

  1. ^ Van Noorden Richard (2006-11-02). "Biyokütle en iyi nasıl kullanılır?". Kimya Dünyası. Kraliyet Kimya Derneği.
  2. ^ Salge, JR; Dreyer, BJ; Dauenhauer, PJ; Schmidt, LD (2006). "Uçucu Olmayan Yakıtlardan Reaktif Flaş Buharlaştırma ile Yenilenebilir Hidrojen". Bilim. 314 (5800): 801–804. Bibcode:2006Sci ... 314..801S. doi:10.1126 / science.1131244. PMID  17082454. S2CID  24891756.
  3. ^ Acı Adam, Mark (2006-11-07). "Bitkisel yağ veya Nükleer fisyon". Cleantech Blog. Cleantech.org. Arşivlenen orijinal 2012-07-22 tarihinde.
  4. ^ Gates, Bruce C .; George W. Huber; Christopher L. Marshall; Phillip N. Ross; Jeffrey Siirola; Yong Wang (Nisan 2008). "Yükselen Enerji Uygulamaları için Katalizörler". MRS Bülteni. 33 (4): 429–435. doi:10,1557 / mrs2008.85.
  5. ^ ABD başvurusu 20080237542, Lanny D. Schmidt, Paul J. Dauenhauer, Bradon J. Dreyer, James R. Salge, David Rennard, "Akışkan Yakıtların Reaktif Flaş Buharlaşması" 
  6. ^ "Flash buharlaştırma: yeni bir biyokütleden sıvıya dönüştürme süreci". Biopact. 2006-11-04.
  7. ^ Curtin, Ciara (2006-11-03). "Biyoyakıt Keşfi, Doğal Gaza Bağımlılığı Sona Erdirmeyi Vaat Ediyor". Bilimsel amerikalı.
  8. ^ a b c Dauenhauer, Paul J .; Dreyer, Bradon J .; Degenstein, Nick J .; Schmidt, Lanny D. (2007). "Sürdürülebilir Yakıtlar için Katı Biyokütlenin Milisaniye Reformu". Angewandte Chemie Uluslararası Sürümü. 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). "Reaktif Flaş Buharlaştırma ile Sentetik Yakıtlar için Selülozun Milisaniye Otootermal Buharla Yeniden Şekillendirilmesi". Yeşil Kimya. 10 (7): 773–783. CiteSeerX  10.1.1.1007.860. doi:10.1039 / b804691c.
  10. ^ George W. Huber, ed. (2008). "Lignoselülozik Biyoyakıtların Önündeki Kimya ve Mühendislik Engellerini Aşmak: Yeni Nesil Hidrokarbon Biyorefineri" (PDF). Ulusal Bilim Vakfı. Alıntı dergisi gerektirir | günlük = (Yardım)
  11. ^ Dauenhauer, P .; Salge, J .; Schmidt, L. (2006). "Uçucu Karbonhidratların Ototermal Buhar Reformu ile Yenilenebilir Hidrojen". Kataliz Dergisi. 24 (2): 238. doi:10.1016 / j.jcat.2006.09.011.

Dış bağlantılar