التحضير بالموجات فوق الصوتية للمحفزات لتحويل ثنائي ميثيل الأثير (DME)
محفزات ثنائية الوظيفة لتحويل DME المباشر
يعد إنتاج ثنائي ميثيل الأثير (DME) عملية صناعية راسخة تنقسم إلى خطوتين: أولا ، الهدرجة التحفيزية للغاز التخليقي إلى ميثانول (CO / CO2 + 3 ساعات2 → الفصل3أوه + ح2HO) وثانيا ، الجفاف التحفيزي اللاحق للميثانول على المحفزات الحمضية لإنتاج (2CH3أوهايو → الفصل3اوتش3 + ح2O). يرتبط القيد الرئيسي لتوليف DME المكون من خطوتين بالديناميكا الحرارية المنخفضة خلال مرحلة تخليق الميثانول ، مما يؤدي إلى انخفاض تحويل الغاز لكل تمريرة (15-25٪). وبالتالي ، تحدث نسب إعادة تدوير عالية بالإضافة إلى ارتفاع تكاليف رأس المال والتشغيل.
من أجل التغلب على هذا القيد الديناميكي الحراري ، يكون التوليف المباشر ل DME أكثر ملاءمة بشكل ملحوظ: في تحويل DME المباشر ، تقترن خطوة تخليق الميثانول بخطوة الجفاف في مفاعل واحد
(2CO / CO2 + 6 ساعات2 → الفصل3اوتش3 + 3 ساعات2O).
الموجات فوق الصوتية UIP2000hdT (2kW) مع مفاعل التدفق هو إعداد شائع الاستخدام للتوليف الكيميائي للمحفزات النانوية المسامية (مثل الزيوليت المزخرف).
التوليف المباشر لثنائي ميثيل الأثير (DME) من الغاز التخليقي على محفز ثنائي الوظيفة.
© (ميلان وآخرون 2020)
تخليق المحفزات عالية التفاعل لتحويل DME باستخدام الموجات فوق الصوتية للطاقة
يمكن تحسين تفاعلية وانتقائية المحفزات لتحويل ثنائي ميثيل الأثير بشكل كبير عن طريق العلاج بالموجات فوق الصوتية. الزيوليت مثل الزيوليت الحمضي (على سبيل المثال ، زيوليت سيليكات الألومنيوم HZSM-5) والزيوليت المزخرف (على سبيل المثال ، مع CuO / ZnO / Al2O3) هي المحفزات الرئيسية التي تستخدم بنجاح لإنتاج المعدات الاقتصادية لبورصة دبي للطاقة.
التوليف الهجين بالموجات فوق الصوتية ل CuO-ZnO-Al2O3 / HZSM-5 المستخدم في التقارب المباشر للغاز التخليقي إلى ثنائي ميثيل الأثير كوقود أخضر.
دراسة وصورة: خوشبين وحقي، 2013.]
الكلورة وفلورة الزيوليت هي طرق فعالة لضبط الحموضة الحفازة. تم تحضير محفزات الزيوليت المكلورة والمفلورة عن طريق تشريب الزيوليت (H-ZSM-5 أو H-MOR أو H-Y) باستخدام سلائف هالوجين (كلوريد الأمونيوم وفلوريد الأمونيوم) في الدراسة التي أجراها فريق بحث أبو الفتوح. تم تقييم تأثير التشعيع بالموجات فوق الصوتية لتحسين كل من سلائف الهالوجين لإنتاج ثنائي ميثيل الإيثر (DME) عن طريق تجفيف الميثانول في مفاعل ذي قاعدة ثابتة. كشفت تجربة تحفيز DME المقارنة أن محفزات الزيوليت المهلجنة المحضرة تحت التشعيع بالموجات فوق الصوتية تظهر أداء أعلى لتشكيل DME. (أبو الفتوح وآخرون، 2016)
في دراسة أخرى ، قام فريق البحث بالتحقيق في جميع متغيرات الموجات فوق الصوتية المهمة التي تمت مواجهتها أثناء إجراء تجفيف الميثانول على محفزات الزيوليت H-MOR لإنتاج ثنائي ميثيل الأثير. بالنسبة لتجارب Sonication الخاصة بهم ، استخدم فريق البحث Hielscher UP50H مسبار نوع الموجات فوق الصوتية. أوضح تصوير المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لزيوليت H-MOR الصوتي (Mordenite zeolite) أن الميثانول في حد ذاته يستخدم كوسيط للموجات فوق الصوتية يعطي أفضل النتائج فيما يتعلق بتجانس أحجام الجسيمات مقارنة بالمحفز غير المعالج ، حيث ظهرت تكتلات كبيرة ومجموعات غير متجانسة. أثبتت هذه النتائج أن الموجات فوق الصوتية لها تأثير عميق على دقة خلية الوحدة وبالتالي على السلوك الحفاز لتجفيف الميثانول إلى ثنائي ميثيل الأثير (DME). يظهر NH3-TPD أن التشعيع بالموجات فوق الصوتية قد عزز حموضة محفز H-MOR وبالتالي فهو أداء تحفيزي لتشكيل DME. (أبو الغيط وآخرون، 2014)
SEM من الموجات فوق الصوتية H-MOR باستخدام وسائط مختلفة
دراسة وصور: ©أبو الغيط وآخرون، 2014
يتم إنتاج جميع المواد الاقتصادية الديموقراطية التجارية تقريبا عن طريق تجفيف الميثانول باستخدام محفزات حمضية صلبة مختلفة مثل الزيوليت ، السيليكا - الألومينا ، الألومينا ، Al2O3–ب2O3، وما إلى ذلك من خلال رد الفعل التالي:
2 قناة3وا <—> الفصل3اوتش3 +H2O(-22.6k jmol-1)
أعد كوشبين وهاغيغي (2013) CuO-ZnO-Al2O3/ HZSM-5 المحفزات النانوية عبر طريقة مشتركة بين الترسيب والموجات فوق الصوتية. وجد فريق البحث "أن استخدام طاقة الموجات فوق الصوتية له تأثير كبير على تشتت وظيفة هدرجة ثاني أكسيد الكربون وبالتالي أداء توليف DME. تم فحص متانة المحفز النانوي المركب بمساعدة الموجات فوق الصوتية أثناء تفاعل الغاز التخليقي إلى DME. يفقد المحفز النانوي نشاطا ضئيلا على مدار التفاعل بسبب تكوين فحم الكوك على أنواع النحاس. [خوشبين وحقي، 2013.]
محفز نانوي بديل غير زيوليت ، وهو أيضا فعال للغاية في تعزيز تحويل DME ، هو محفز مسامي γ الألومينا بحجم النانو. تم تصنيع γ الألومينا المسامية بحجم النانو بنجاح عن طريق هطول الأمطار تحت الخلط بالموجات فوق الصوتية. العلاج بالموجات فوق الصوتية يعزز تخليق جزيئات النانو. (راجع رحمانبور وآخرون ، 2012)
لماذا يتم إعداد محفزات النانو بالموجات فوق الصوتية؟
لإنتاج المحفزات غير المتجانسة ، غالبا ما تكون هناك حاجة إلى مواد ذات قيمة مضافة عالية مثل المعادن الثمينة. هذا يجعل المحفزات باهظة الثمن ، وبالتالي ، فإن تعزيز الكفاءة وكذلك تمديد دورة حياة المحفزات هي عوامل اقتصادية مهمة. من بين طرق تحضير المحفزات النانوية ، تعتبر تقنية سونوكيميائية طريقة عالية الكفاءة. إن قدرة الموجات فوق الصوتية على إنشاء أسطح شديدة التفاعل ، وتحسين الخلط وزيادة النقل الجماعي تجعلها تقنية واعدة بشكل خاص لاستكشاف إعداد المحفز وتنشيطه. يمكن أن تنتج جسيمات نانوية متجانسة ومشتتة دون الحاجة إلى أدوات باهظة الثمن وظروف قاسية.
في العديد من الدراسات البحثية ، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن إعداد محفز بالموجات فوق الصوتية هو الطريقة الأكثر فائدة لإنتاج محفزات نانوية متجانسة. من بين طرق تحضير المحفزات النانوية ، تعتبر تقنية سونوكيميائية طريقة عالية الكفاءة. إن قدرة الصوتنة المكثفة على إنشاء أسطح شديدة التفاعل ، لتحسين الخلط وزيادة النقل الجماعي تجعلها تقنية واعدة بشكل خاص لاستكشاف إعداد المحفز وتنشيطه. يمكن أن تنتج جسيمات نانوية متجانسة ومشتتة دون الحاجة إلى أدوات باهظة الثمن وظروف قاسية. (راجع كوشبين وحقي، 2014)
ينتج عن التخليق الكيميائي الصوتي محفز نشط للغاية ذو بنية نانوية CuO-ZnO-Al2O3 / HZSM-5.
دراسة وصورة: خوشبين وحقي، 2013.
عرض تخطيطي لتأثيرات التجويف الصوتي على تعديل الجسيمات المعدنية. تتأكسد المعادن ذات نقطة الانصهار المنخفضة (MP) مثل الزنك (Zn) تماما ؛ المعادن ذات نقطة انصهار عالية مثل النيكل (Ni) والتيتانيوم (Ti) تظهر تعديل السطح تحت صوتنة. الألومنيوم (Al) والمغنيسيوم (Mg) تشكل هياكل مسامية. معادن نوبل مقاومة للإشعاع بالموجات فوق الصوتية بسبب ثباتها ضد الأكسدة. يتم تحديد نقاط انصهار المعادن بالدرجات كلفن (K).
الموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتوليف المحفزات المسامية
معدات Sonochemical لتوليف محفزات النانو عالية الأداء متاحة بسهولة بأي حجم – من الموجات فوق الصوتية مختبر المدمجة إلى مفاعلات الموجات فوق الصوتية الصناعية بالكامل. Hielscher الفوق صوتيات تصميم وتصنيع وتوزيع الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة. يتم تصنيع جميع أنظمة الموجات فوق الصوتية في المقر الرئيسي في Teltow ، ألمانيا ويتم توزيعها من هناك في جميع أنحاء العالم.
تم تصميم الأجهزة المتطورة والبرامج الذكية من الموجات فوق الصوتية Hielscher لضمان عملية موثوقة، والنتائج القابلة للتكرار، فضلا عن سهولة الاستخدام. الموجات فوق الصوتية Hielscher قوية وموثوق بها، والذي يسمح ليتم تركيبها وتشغيلها في ظل ظروف الخدمة الشاقة. يمكن الوصول إلى إعدادات التشغيل والاتصال بها بسهولة عبر قائمة بديهية ، والتي يمكن الوصول إليها عبر شاشة رقمية ملونة تعمل باللمس وجهاز تحكم عن بعد في المتصفح. لذلك ، يتم تسجيل جميع ظروف المعالجة مثل الطاقة الصافية والطاقة الإجمالية والسعة والوقت والضغط ودرجة الحرارة تلقائيا على بطاقة SD مدمجة. هذا يسمح لك بمراجعة ومقارنة عمليات الصوتنة السابقة وتحسين توليف وتشغيل محفزات النانو إلى أعلى كفاءة.
تستخدم أنظمة الموجات فوق الصوتية Hielscher في جميع أنحاء العالم لعمليات التوليف الكيميائي وثبت أنها موثوقة لتوليف محفزات النانو الزيوليت عالية الجودة وكذلك مشتقات الزيوليت. Hielscher الموجات فوق الصوتية الصناعية يمكن بسهولة تشغيل السعات العالية في التشغيل المستمر (24/7/365). يمكن بسهولة توليد سعات تصل إلى 200 ميكرومتر بشكل مستمر باستخدام sonotrodes القياسية (مجسات / قرون بالموجات فوق الصوتية). للحصول على سعات أعلى ، تتوفر سونوتروديس بالموجات فوق الصوتية المخصصة. نظرا لقوتها وصيانتها المنخفضة ، يتم تثبيت الموجات فوق الصوتية لدينا بشكل شائع للتطبيقات الشاقة وفي البيئات الصعبة.
يتم بالفعل تثبيت المعالجات بالموجات فوق الصوتية Hielscher للتوليفات سونوكيميائية، وظيفية، نانو هيكلة وإزالة التكتل في جميع أنحاء العالم على نطاق تجاري. اتصل بنا الآن لمناقشة عملية تصنيع محفز النانو! سيسعد موظفونا ذوو الخبرة الجيدة بمشاركة المزيد من المعلومات حول مسار التوليف الصوتي الكيميائي وأنظمة الموجات فوق الصوتية والتسعير!
مع الاستفادة من طريقة التوليف بالموجات فوق الصوتية ، سوف يتفوق إنتاج محفز النانو المسامي في الكفاءة والبساطة والتكلفة المنخفضة عند مقارنته بعمليات تخليق المحفز الأخرى!
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500 مل | 10 إلى 200 مل / دقيقة | UP100H |
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
تعمل الدكتورة أندريفا-بوملر ، جامعة بايرويت ، مع الموجات فوق الصوتية UIP1000hdT على هيكلة نانو للمعادن من أجل الحصول على محفزات متفوقة.
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
الأدب / المراجع
- Ahmed, K.; Sameh, M.; Laila, I.; Naghmash, Mona (2014): Ultrasonication of H-MOR zeolite catalysts for dimethylether (DME) production as a clean fuel. Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels 5, 2014. 13-25.
- Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2013): Direct syngas to DME as a clean fuel: The beneficial use of ultrasound for the preparation of CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 nanocatalyst. Chemical Engineering Research and Design, Volume 91, Issue 6, 2013. 1111-1122.
- Kolesnikova, E.E., Obukhova, T.K., Kolesnichenko, N.V. et al. (2018): Ultrasound-Assisted Modification of Zeolite Catalyst for Dimethyl Ether Conversion to Olefins with Magnesium Compounds. Pet. Chem. 58, 2018. 863–868.
- Reza Khoshbin, Mohammad Haghighi (2014): Direct Conversion of Syngas to Dimethyl Ether as a Green Fuel over Ultrasound- Assisted Synthesized CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5 Nanocatalyst: Effect of Active Phase Ratio on Physicochemical and Catalytic Properties at Different Process Conditions. Catalysis Science & Technology, Volume 6, 2014.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/cy/c3cy01089a - Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Laila I. Ali, Mona A. Naghmash, Noha A.K. Aboul-Gheit (2017): Effect of the Si/Al ratio of HZSM-5 zeolite on the production of dimethyl ether before and after ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 45, Issue 5, 2017. 581-588.
- Rahmanpour, Omid; Shariati, Ahmad; Khosravi-Nikou, Mohammad Reza (2012): New Method for Synthesis Nano Size γ-Al2O3 Catalyst for Dehydration of Methanol to Dimethyl Ether. International Journal of Chemical Engineering and Applications 2012. 125-128.
- Millán, Elena; Mota, Noelia; Guil-Lopez, R.; Pawelec, Barbara; Fierro, José; Navarro, Rufino (2020): Direct Synthesis of Dimethyl Ether from Syngas on Bifunctional Hybrid Catalysts Based on Supported H3PW12O40 and Cu-ZnO(Al): Effect of Heteropolyacid Loading on Hybrid Structure and Catalytic Activity. Catalysts 10, 2020.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Pavel V. Cherepanov, Daria V. Andreeva (2017): Phase structuring in metal alloys: Ultrasound-assisted top-down approach to engineering of nanostructured catalytic materials. Ultrasonics Sonochemistry 2017.
- Sameh M.K. Aboul-Fotouh, Noha A.K. Aboul-Gheit, Mona A. Naghmash (2016): Dimethylether production on zeolite catalysts activated by Cl−, F− and/or ultrasonication. Journal of Fuel Chemistry and Technology, Volume 44, Issue 4, 2016. 428-436.
حقائق تستحق المعرفة
ثنائي ميثيل الأثير (DME) كوقود
أحد الاستخدامات الرئيسية المتوخاة لثنائي ميثيل الأثير هو تطبيقه كبديل للبروبان في غاز البترول المسال (غاز البروبان السائل) ، والذي يستخدم كوقود للمركبات ، في المنازل والصناعة. في غاز البروبان ، يمكن أيضا استخدام ثنائي ميثيل الأثير كمزيج من المزيج.
علاوة على ذلك ، تعد بورصة دبي للطاقة أيضا وقودا واعدا لمحركات الديزل وتوربينات الغاز. بالنسبة لمحركات الديزل ، فإن رقم السيتان المرتفع البالغ 55 ، مقارنة بوقود الديزل من البترول بأرقام السيتان من 40-53 ، مفيد للغاية. التعديلات المعتدلة فقط ضرورية لتمكين محرك الديزل من حرق ثنائي ميثيل الأثير. تؤدي بساطة مركب سلسلة الكربون القصيرة هذا أثناء الاحتراق إلى انبعاثات منخفضة جدا من الجسيمات. لهذه الأسباب بالإضافة إلى كونه خاليا من الكبريت ، يلبي ثنائي ميثيل الأثير حتى لوائح الانبعاثات الأكثر صرامة في أوروبا (EURO5) والولايات المتحدة (الولايات المتحدة 2010) واليابان (2009 اليابان).
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.