Դիմեթիլ Եթերի (DME) փոխակերպման համար կատալիզատորների ուլտրաձայնային պատրաստում
Երկֆունկցիոնալ կատալիզատորներ ուղղակի DME փոխակերպման համար
Դիմեթիլ եթերի (DME) արտադրությունը լավ կայացած արդյունաբերական գործընթաց է, որը բաժանված է երկու փուլի՝ նախ՝ սինգազի կատալիտիկ հիդրոգենացում մեթանոլի (CO/CO):2 + 3H2 → CH3OH + H2HO) և երկրորդ՝ մեթանոլի հետագա կատալիտիկ ջրազրկումը թթվային կատալիզատորների վրա՝ արտադրելու համար (2CH3OH → CH3OCH3 + Հ2O). Այս երկքայլ DME սինթեզի հիմնական սահմանափակումը կապված է մեթանոլի սինթեզի փուլում ցածր թերմոդինամիկայի հետ, որը հանգեցնում է գազի ցածր փոխակերպման մեկ անցումով (15-25%): Այսպիսով, առաջանում են վերաշրջանառության բարձր գործակիցներ, ինչպես նաև մեծ կապիտալ և գործառնական ծախսեր:
Այս թերմոդինամիկական սահմանափակումը հաղթահարելու համար DME-ի ուղղակի սինթեզը զգալիորեն ավելի բարենպաստ է. DME ուղղակի փոխակերպման դեպքում մեթանոլի սինթեզի փուլը զուգակցվում է մեկ ռեակտորում ջրազրկման փուլի հետ:
(2CO / CO2 + 6H2 → CH3OCH3 + 3H2Օ).
Ուլտրաձայնային սարք UIP2000hdT (2 կՎտ) հոսքի միջով ռեակտորով սովորաբար օգտագործվում է միջանցքային նանոկատալիզատորների (օրինակ՝ զարդարված ցեոլիտների) սոնոքիմիական սինթեզի համար:
Դիմեթիլ եթերի (DME) ուղղակի սինթեզը սինգազից երկֆունկցիոնալ կատալիզատորի վրա:
(© Millán et al. 2020)
Բարձր ռեակտիվ կատալիզատորների սինթեզ DME-ի փոխակերպման համար՝ օգտագործելով հզոր-ուլտրաձայնային
Դիմեթիլ եթերի փոխակերպման համար կատալիզատորների ռեակտիվությունն ու ընտրողականությունը կարող է զգալիորեն բարելավվել ուլտրաձայնային բուժման միջոցով: Զեոլիտներ, ինչպիսիք են թթվային ցեոլիտները (օրինակ՝ ալյումինոսիլիկատային ցեոլիտ HZSM-5) և զարդարված ցեոլիտներ (օրինակ՝ CuO/ZnO/Al-ով)2Օ3) հիմնական կատալիզատորներն են, որոնք հաջողությամբ օգտագործվում են DME արտադրության համար:
CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5-ի հիբրիդային համատեղեցում-ուլտրաձայնային սինթեզ, որն օգտագործվում է սինգազի ուղիղ փոխակերպման համար դիմեթիլ եթերի որպես կանաչ վառելիք:
Ուսումնասիրություն և նկար՝ Խոշբին և Հաղիղի, 2013 թ.]
Զեոլիտների քլորացումը և ֆտորացումը կատալիտիկ թթվայնությունը կարգավորելու արդյունավետ մեթոդներ են: Քլորացված և ֆտորացված ցեոլիտի կատալիզատորները պատրաստվել են ցեոլիտների (H-ZSM-5, H-MOR կամ HY) ներծծման միջոցով՝ օգտագործելով երկու հալոգեն պրեկուրսորներ (ամոնիումի քլորիդ և ամոնիումի ֆտորիդ) Aboul-Fotouh հետազոտական թիմի կողմից կատարված ուսումնասիրության մեջ: Ուլտրաձայնային ճառագայթման ազդեցությունը գնահատվել է երկու հալոգեն պրեկուրսորների օպտիմալացման համար դիմեթիլեթերի (DME) արտադրության համար մեթանոլի ջրազրկման միջոցով ֆիքսված մահճակալի ռեակտորում: DME կատալիզի համեմատական փորձարկումը ցույց է տվել, որ հալոգենացված ցեոլիտի կատալիզատորները, որոնք պատրաստված են ուլտրաձայնային ճառագայթման տակ, ցույց են տալիս ավելի բարձր արդյունավետություն DME ձևավորման համար: (Aboul-Fotouh et al., 2016)
Մեկ այլ ուսումնասիրության մեջ հետազոտական թիմը ուսումնասիրել է բոլոր կարևոր ուլտրաձայնային փոփոխականները, որոնք հանդիպել են H-MOR ցեոլիտ կատալիզատորների վրա մեթանոլի ջրազրկման ժամանակ՝ դիմեթիլեթեր արտադրելու համար: Իրենց Sonication փորձերի համար հետազոտական թիմը օգտագործել է Hielscher UP50H զոնդ տիպի ուլտրաձայնային սարք. H-MOR ցեոլիտի (Mordenite zeolite) սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի (SEM) պատկերումը պարզաբանել է, որ մեթանոլն ինքնին օգտագործվում է որպես ուլտրաձայնային միջավայր, լավագույն արդյունքներն է տալիս մասնիկների չափերի համասեռության վերաբերյալ՝ համեմատած չմշակված կատալիզատորի հետ, որտեղ մեծ ագլոմերատներ և ոչ - առաջացել են միատարր կլաստերներ: Այս բացահայտումները հաստատում են, որ ուլտրաձայնային ազդեցությունը խորը ազդեցություն ունի բջջի միավորի լուծման վրա և հետևաբար մեթանոլի ջրազրկման կատալիտիկ վարքի վրա դեպի դիմեթիլ եթեր (DME): NH3-TPD-ն ցույց է տալիս, որ ուլտրաձայնային ճառագայթումը բարձրացրել է H-MOR կատալիզատորի թթվայնությունը և, հետևաբար, այն կատալիտիկ կատարում է DME ձևավորման համար: (Aboul-Gheit et al., 2014)
Ուլտրաձայնային H-MOR-ի SEM՝ օգտագործելով տարբեր կրիչներ
Ուսումնասիրություն և նկարներ՝ ©Aboul-Gheit et al., 2014
Գրեթե ամբողջ առևտրային DME-ն արտադրվում է մեթանոլի ջրազրկմամբ՝ օգտագործելով տարբեր պինդ թթվային կատալիզատորներ, ինչպիսիք են ցեոլիտները, սիլիցիում-կավահողը, կավահողն ու ալյումինը։2Օ3-Բ2Օ3և այլն հետևյալ ռեակցիայի միջոցով.
2CH3Օհ <—> Չ3OCH3 +Հ2Օ(-22,6կ ջմոլ-1)
Կոշբինը և Հաղիղին (2013) պատրաստել են CuO–ZnO–Al2Օ3/HZSM-5 նանոկատալիզատորներ համակցված տեղումներ-ուլտրաձայնային եղանակով: Հետազոտական թիմը պարզել է, որ «ուլտրաձայնային էներգիայի օգտագործումը մեծ ազդեցություն ունի CO-ի հիդրոգենացման ֆունկցիայի ցրման և, հետևաբար, DME սինթեզի կատարման վրա: Ուլտրաձայնային օգնությամբ սինթեզված նանոկատալիզատորի ամրությունը հետազոտվել է սինգազին DME ռեակցիայի ժամանակ: Նանոկատալիզատորը ռեակցիայի ընթացքում կորցնում է աննշան ակտիվություն՝ պղնձի տեսակների վրա կոքսի առաջացման պատճառով»։ [Խոշբին և Հաղիղի, 2013 թ.]
Այլընտրանքային ոչ ցեոլիտային նանո-կատալիզատորը, որը նաև շատ արդյունավետ է DME-ի փոխակերպումը խթանելու համար, նանո չափի ծակոտկեն γ-ալյումինային կատալիզատոր է: Նանո չափի ծակոտկեն γ-կավահողը հաջողությամբ սինթեզվել է տեղումների միջոցով ուլտրաձայնային խառնման տակ: Սոնոքիմիական բուժումը նպաստում է նանո մասնիկների սինթեզին: (տես Ռահմանպուր և այլք, 2012 թ.)
Ինչու՞ են գերձայնային պատրաստված նանո-կատալիզատորները:
Տարասեռ կատալիզատորների արտադրության համար հաճախ պահանջվում են բարձր ավելացված արժեք ունեցող նյութեր, ինչպիսիք են թանկարժեք մետաղները: Սա կատալիզատորները թանկացնում է, և, հետևաբար, արդյունավետության բարձրացումը, ինչպես նաև կատալիզատորների կյանքի ցիկլի երկարացումը կարևոր տնտեսական գործոններ են: Նանոկատալիզատորների պատրաստման մեթոդներից բարձր արդյունավետ մեթոդ է համարվում սոնոքիմիական տեխնիկան։ Ուլտրաձայնային՝ բարձր ռեակտիվ մակերեսներ ստեղծելու, խառնումը բարելավելու և զանգվածային փոխադրումը մեծացնելու ունակությունը այն դարձնում է հատկապես խոստումնալից տեխնիկա՝ կատալիզատորի պատրաստման և ակտիվացման համար ուսումնասիրելու համար: Այն կարող է արտադրել միատարր և ցրված նանոմասնիկներ՝ առանց թանկարժեք գործիքների և ծայրահեղ պայմանների:
Մի քանի հետազոտական ուսումնասիրություններում գիտնականները եկել են այն եզրակացության, որ ուլտրաձայնային կատալիզատորի պատրաստումը ամենաձեռնտու մեթոդն է համասեռ նանո-կատալիզատորների արտադրության համար: Նանոկատալիզատորների պատրաստման մեթոդներից բարձր արդյունավետ մեթոդ է համարվում սոնոքիմիական տեխնիկան։ Ինտենսիվ արտահոսքի ունակությունը՝ ստեղծելու բարձր ռեակտիվ մակերեսներ, բարելավել խառնուրդը և մեծացնել զանգվածային փոխադրումը, այն դարձնում է հատկապես խոստումնալից տեխնիկա՝ կատալիզատորի պատրաստման և ակտիվացման համար ուսումնասիրելու համար: Այն կարող է արտադրել միատարր և ցրված նանոմասնիկներ՝ առանց թանկարժեք գործիքների և ծայրահեղ պայմանների: (տես Կոշբին և Հաղիղի, 2014 թ.)
Սոնոքիմիական սինթեզի արդյունքում ստացվում է բարձր ակտիվ նանո կառուցվածքով CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 կատալիզատոր։
Ուսումնասիրություն և նկար՝ Խոշբին և Հաղիղի, 2013թ.
Մետաղական մասնիկների փոփոխության վրա ակուստիկ կավիտացիայի ազդեցության սխեմատիկ ներկայացում: Ցինկի (Zn) նման ցածր հալման կետ ունեցող մետաղները ամբողջությամբ օքսիդացված են. Հալման բարձր ջերմաստիճան ունեցող մետաղները, ինչպիսիք են նիկելը (Ni) և տիտանը (Ti), մակերևույթի ձևափոխություն են ցուցաբերում արտահոսքի ազդեցության տակ: Ալյումինը (Al) և մագնեզիումը (Mg) կազմում են մեզոպորոզ կառուցվածքներ։ Նոբելյան մետաղները դիմացկուն են ուլտրաձայնային ճառագայթման՝ օքսիդացման դեմ իրենց կայունության շնորհիվ։ Մետաղների հալման կետերը նշված են Քելվին (K) աստիճաններով։
Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային սարքեր՝ մեզոպորոզ կատալիզատորների սինթեզի համար
Բարձր արդյունավետության նանո-կատալիզատորների սինթեզի սոնոքիմիական սարքավորումները հասանելի են ցանկացած չափի – կոմպակտ լաբորատոր ուլտրաձայնային սարքերից մինչև ամբողջովին արդյունաբերական ուլտրաձայնային ռեակտորներ: Hielscher Ultrasonics-ը նախագծում, արտադրում և տարածում է բարձր հզորության ուլտրաձայնային սարքեր: Բոլոր ուլտրաձայնային համակարգերը պատրաստվում են գերմանական Teltow-ի գլխավոր գրասենյակում և այնտեղից բաշխվում են ամբողջ աշխարհում:
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի բարդ ապարատային և խելացի ծրագրակազմը նախատեսված է երաշխավորելու հուսալի աշխատանքը, վերարտադրվող արդյունքները, ինչպես նաև օգտագործողի համար հարմարավետությունը: Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը ամուր և հուսալի են, ինչը թույլ է տալիս տեղադրվել և շահագործվել ծանր աշխատանքային պայմաններում: Գործառնական կարգավորումները կարելի է հեշտությամբ մուտք գործել և հավաքել ինտուիտիվ մենյուի միջոցով, որը կարելի է մուտք գործել թվային գունավոր սենսորային էկրանի և դիտարկիչի հեռակառավարման միջոցով: Հետևաբար, մշակման բոլոր պայմանները, ինչպիսիք են զուտ էներգիան, ընդհանուր էներգիան, ամպլիտուդը, ժամանակը, ճնշումը և ջերմաստիճանը, ավտոմատ կերպով գրանցվում են ներկառուցված SD քարտի վրա: Սա թույլ է տալիս վերանայել և համեմատել նախորդ ձայնային փորձարկումները և օպտիմալացնել նանո-կատալիզատորների սինթեզն ու ֆունկցիոնալացումը առավելագույն արդյունավետությամբ:
Hielscher Ultrasonics համակարգերն օգտագործվում են ամբողջ աշխարհում սոնոքիմիական սինթեզի գործընթացների համար և ապացուցված են, որ հուսալի են բարձրորակ ցեոլիտ նանո-կատալիզատորների, ինչպես նաև ցեոլիտի ածանցյալների սինթեզի համար: Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը կարող են հեշտությամբ գործարկել բարձր ամպլիտուդներ շարունակական շահագործման մեջ (24/7/365): Մինչև 200 մկմ ամպլիտուդները հեշտությամբ կարող են շարունակաբար ստեղծվել ստանդարտ սոնոտրոդներով (ուլտրաձայնային զոնդեր/եղջյուրներ): Նույնիսկ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար մատչելի են հարմարեցված ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ: Շնորհիվ իրենց ամրության և ցածր սպասարկման, մեր ուլտրաձայնային սարքերը սովորաբար տեղադրվում են ծանր աշխատանքային ծրագրերի և պահանջկոտ միջավայրերում:
Hielscher ուլտրաձայնային պրոցեսորները սոնոքիմիական սինթեզների, ֆունկցիոնալացման, նանո-կառուցվածքի և դեագլոմերացիայի համար արդեն տեղադրված են ամբողջ աշխարհում առևտրային մասշտաբով: Կապվեք մեզ հետ հիմա՝ քննարկելու ձեր նանո-կատալիզատորների արտադրության գործընթացը: Մեր փորձառու անձնակազմը ուրախ կլինի ավելի շատ տեղեկություններ տրամադրել սոնոքիմիական սինթեզի ուղու, ուլտրաձայնային համակարգերի և գնագոյացման վերաբերյալ:
Ուլտրաձայնային սինթեզի մեթոդի առավելություններով՝ ձեր մեզոպորոզային նանո-կատալիզատորի արտադրությունը կգերազանցվի արդյունավետությամբ, պարզությամբ և ցածր գնով, երբ համեմատվում է կատալիզատորների սինթեզի այլ գործընթացների հետ:
Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորությունը.
| Խմբաքանակի ծավալը | Հոսքի արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 1-ից 500 մլ | 10-ից 200 մլ / րոպե | UP100H |
| 10-ից 2000 մլ | 20-ից 400 մլ / րոպե | UP200Ht, UP400 Փ |
| 0.1-ից 20լ | 0.2-ից 4լ/րոպե | UIP2000hdT |
| 10-ից 100 լ | 2-ից 10 լ / րոպե | UIP4000hdT |
| ԱԺ | 10-ից 100 լ / րոպե | UIP16000 |
| ԱԺ | ավելի մեծ | կլաստերի UIP16000 |
Կապ մեզ հետ: / Հարցրեք մեզ:
Դոկտոր Անդրեևա-Բաումլերը, Բայրոյթի համալսարանը, աշխատում է համալսարանի հետ Ուլտրաձայնային սարք UIP1000hdT բարձրակարգ կատալիզատորներ ստանալու նպատակով մետաղների նանոկառուցվածքի վրա։
Hielscher Ultrasonics-ը արտադրում է բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր, փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբով կիրառական կիրառությունների խառնուրդի, ցրման, էմուլսացման և արդյունահանման համար:
Գրականություն / Հղումներ
- 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.
Փաստեր, որոնք արժե իմանալ
Դիմեթիլ Եթեր (DME) որպես վառելիք
Դիմեթիլ եթերի հիմնական նախատեսվող օգտագործումներից է դրա կիրառումը որպես պրոպանի փոխարինող LPG-ում (հեղուկ պրոպան գազ), որն օգտագործվում է որպես վառելիք մեքենաների, տնային տնտեսությունների և արդյունաբերության մեջ: Պրոպանի ավտոգազում դիմեթիլ եթերը կարող է օգտագործվել նաև որպես խառնուրդ:
Ավելին, DME-ն նաև խոստումնալից վառելիք է դիզելային շարժիչների և գազատուրբինների համար: Դիզելային շարժիչների համար բարձր ցետանային թիվը՝ 55, համեմատած 40–53 ցետանային թվերով նավթային դիզելային վառելիքի հետ, շատ ձեռնտու է: Միայն չափավոր փոփոխություններ են անհրաժեշտ, որպեսզի դիզելային շարժիչը կարողանա այրել դիմեթիլ եթերը: Այս կարճ ածխածնային շղթայի միացության պարզությունը հանգեցնում է այրման ժամանակ մասնիկների շատ ցածր արտանետումների: Այս պատճառներով, ինչպես նաև առանց ծծմբի, դիմեթիլ էթերը համապատասխանում է նույնիսկ ամենախիստ արտանետումների կանոնակարգերին Եվրոպայում (EURO5), ԱՄՆ (ԱՄՆ 2010թ.) և Ճապոնիայում (2009թ. Ճապոնիա):
Hielscher Ultrasonics-ը արտադրում է բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ լաբորատորիա դեպի արդյունաբերական չափս.