დიმეთილის ეთერის (DME) კონვერტაციისთვის კატალიზატორების ულტრაბგერითი მომზადება
ორფუნქციური კატალიზატორები პირდაპირი DME კონვერტაციისთვის
დიმეთილის ეთერის (DME) წარმოება არის კარგად დამკვიდრებული სამრეწველო პროცესი, რომელიც იყოფა ორ ეტაპად: პირველი, სინგაზის კატალიზური ჰიდროგენიზაცია მეთანოლში (CO/CO).2 + 3 სთ2 → CH3OH + H2HO) და მეორე, მეთანოლის შემდგომი კატალიზური დეჰიდრატაცია მჟავა კატალიზატორების გამო (2CH)3OH → CH3OCH3 + H2O). ამ ორსაფეხურიანი DME სინთეზის ძირითადი შეზღუდვა დაკავშირებულია დაბალ თერმოდინამიკასთან მეთანოლის სინთეზის ფაზაში, რაც იწვევს გაზის დაბალ კონვერტაციას ერთ უღელტეხილზე (15-25%). ამრიგად, ხდება მაღალი რეცირკულაციის კოეფიციენტები, ასევე მაღალი კაპიტალი და საოპერაციო ხარჯები.
ამ თერმოდინამიკური შეზღუდვის დასაძლევად, პირდაპირი DME სინთეზი მნიშვნელოვნად უფრო ხელსაყრელია: პირდაპირი DME კონვერტაციის დროს, მეთანოლის სინთეზის საფეხური დაკავშირებულია დეჰიდრატაციის ეტაპთან ერთ რეაქტორში.
(2 CO / CO2 + 6 სთ2 → CH3OCH3 + 3 სთ2O).
ულტრაბგერითი UIP2000hdT (2kW) ნაკადის რეაქტორით არის საყოველთაოდ გამოყენებული მოწყობილობა მეზოპოროზული ნანოკატალიზატორების (მაგ. დეკორირებული ცეოლითების) ზონოქიმიური სინთეზისთვის.
დიმეთილის ეთერის (DME) პირდაპირი სინთეზი სინგაზიდან ორფუნქციურ კატალიზატორზე.
(© Millán et al. 2020)
მაღალრეაქტიული კატალიზატორების სინთეზი DME კონვერტაციისთვის დენის ულტრაბგერითი გამოყენებით
კატალიზატორების რეაქტიულობა და შერჩევითობა დიმეთილის ეთერის კონვერტაციისთვის შეიძლება მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდეს ულტრაბგერითი დამუშავებით. ცეოლიტები, როგორიცაა მჟავა ცეოლიტები (მაგ., ალუმინის სილიკატური ცეოლიტი HZSM-5) და დეკორირებული ცეოლიტები (მაგ., CuO/ZnO/Al-ით2ო3) არის ძირითადი კატალიზატორები, რომლებიც წარმატებით გამოიყენება DME წარმოებისთვის.
CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5-ის ჰიბრიდული თანანალექი-ულტრაბგერითი სინთეზი, რომელიც გამოიყენება სინგაზის დიმეთილ ეთერად პირდაპირ გადაქცევაში, როგორც მწვანე საწვავი.
კვლევა და სურათი: ხოშბინი და ჰაღიგი, 2013.]
ცეოლიტების ქლორირება და ფტორირება ეფექტური მეთოდებია კატალიზური მჟავიანობის დასარეგულირებლად. ქლორირებული და ფტორირებული ცეოლითის კატალიზატორები მომზადდა ცეოლიტების (H-ZSM-5, H-MOR ან HY) გაჟღენთვით ორი ჰალოგენის წინამორბედის (ამონიუმის ქლორიდი და ამონიუმის ფტორიდი) გამოყენებით Aboul-Fotouh-ის კვლევითი ჯგუფის კვლევაში. ულტრაბგერითი დასხივების გავლენა შეფასდა ორივე ჰალოგენის წინამორბედის ოპტიმიზაციისთვის დიმეთილეტერის (DME) წარმოებისთვის მეთანოლის დეჰიდრატაციის გზით ფიქსირებულ საწოლ რეაქტორში. შედარებითი DME კატალიზის ცდამ აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი დასხივების ქვეშ მომზადებული ჰალოგენირებული ცეოლიტის კატალიზატორები აჩვენებენ უფრო მაღალ ეფექტურობას DME-ს ფორმირებისთვის. (Aboul-Fotouh et al., 2016)
სხვა კვლევაში, მკვლევარმა ჯგუფმა გამოიკვლია ყველა მნიშვნელოვანი ულტრაბგერითი ცვლადი, რომელიც გვხვდება მეთანოლის დეჰიდრატაციის დროს H-MOR ცეოლითის კატალიზატორებზე დიმეთილეტერის წარმოებისთვის. მათი Sonication ექსპერიმენტებისთვის მკვლევარმა ჯგუფმა გამოიყენა Hielscher UP50H ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი. სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის (SEM) გამოსახულებამ H-MOR ცეოლიტის (მორდენიტის ცეოლიტი) გარკვევა, რომ მეთანოლი თავისთავად გამოიყენება როგორც ულტრაბგერითი საშუალება, იძლევა საუკეთესო შედეგებს ნაწილაკების ზომის ჰომოგენურობის შესახებ არანამკურნალევ კატალიზატორთან შედარებით, სადაც დიდი აგლომერატები და არა. - გაჩნდა ერთგვაროვანი მტევანი. ამ აღმოჩენებმა დაადასტურა, რომ ულტრაბგერითი მოქმედება ღრმა გავლენას ახდენს უჯრედის ერთეულის გარჩევადობაზე და, შესაბამისად, მეთანოლის დიმეთილ ეთერამდე (DME) დეჰიდრატაციის კატალიზურ ქცევაზე. NH3-TPD აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი დასხივება აძლიერებს H-MOR კატალიზატორის მჟავიანობას და, შესაბამისად, ის არის კატალიზური მოქმედება DME-ს ფორმირებისთვის. (Aboul-Gheit et al., 2014)
ულტრაბგერითი H-MOR-ის SEM სხვადასხვა მედიის გამოყენებით
კვლევა და სურათები: ©Aboul-Gheit et al., 2014
თითქმის ყველა კომერციული DME იწარმოება მეთანოლის გაუწყლოებით სხვადასხვა მყარი მჟავა კატალიზატორების გამოყენებით, როგორიცაა ცეოლიტები, სილიციუმ-ალუმინა, ალუმინი, ალუმინი.2ო3-ბ2ო3და ა.შ. შემდეგი რეაქციით:
2CH3ოჰ <—> CH3OCH3 +H2O(-22,6 კ ჯმოლ-1)
კოშბინმა და ჰაგიგიმ (2013) მოამზადეს CuO–ZnO–Al2ო3/HZSM-5 ნანოკატალიზატორები კომბინირებული თანანალექი-ულტრაბგერითი მეთოდით. კვლევის ჯგუფმა დაადგინა, რომ ულტრაბგერითი ენერგიის გამოყენებას დიდი გავლენა აქვს CO ჰიდროგენიზაციის ფუნქციის დისპერსიაზე და, შესაბამისად, DME სინთეზის შესრულებაზე. ულტრაბგერითი დახმარებით სინთეზირებული ნანოკატალიზატორის გამძლეობა გამოკვლეული იქნა სინგაზის DME-ზე რეაქციის დროს. ნანოკატალიზატორი კარგავს უმნიშვნელო აქტივობას რეაქციის დროს სპილენძის სახეობებზე კოქსის წარმოქმნის გამო. [ხოშბინი და ჰაღიგი, 2013.]
ალტერნატიული არაცეოლიტური ნანო კატალიზატორი, რომელიც ასევე ძალიან ეფექტურია DME-ის გარდაქმნის ხელშეწყობაში, არის ნანო ზომის ფოროვანი γ-ალუმინის კატალიზატორი. ნანო ზომის ფოროვანი γ-ალუმინი წარმატებით სინთეზირდა ნალექით ულტრაბგერითი შერევით. სონოქიმიური მკურნალობა ხელს უწყობს ნანო ნაწილაკების სინთეზს. (შდრ. რაჰმანპური და სხვ., 2012)
რატომ არის ულტრაბგერითი მომზადებული ნანო კატალიზატორები უმაღლესი?
ჰეტეროგენული კატალიზატორების წარმოებისთვის ხშირად საჭიროა მაღალი დამატებული ღირებულების მასალები, როგორიცაა ძვირფასი ლითონები. ეს კატალიზატორებს ძვირად აქცევს და, შესაბამისად, ეფექტურობის გაზრდა და კატალიზატორების სასიცოცხლო ციკლის გახანგრძლივება მნიშვნელოვანი ეკონომიკური ფაქტორებია. ნანოკატალიზატორების მომზადების მეთოდებს შორის მაღალეფექტურ მეთოდად ითვლება სონოქიმიური ტექნიკა. ულტრაბგერითი უნარი შექმნას უაღრესად რეაქტიული ზედაპირები, გააუმჯობესოს შერევა და გაზარდოს მასობრივი ტრანსპორტირება, ხდის მას განსაკუთრებით პერსპექტიულ ტექნიკას კატალიზატორის მომზადებისა და გააქტიურებისთვის. მას შეუძლია ერთგვაროვანი და დისპერსიული ნანონაწილაკების წარმოება ძვირადღირებული ინსტრუმენტებისა და ექსტრემალური პირობების გარეშე.
რამდენიმე კვლევისას მეცნიერები მივიდნენ დასკვნამდე, რომ ულტრაბგერითი კატალიზატორის მომზადება ყველაზე ხელსაყრელი მეთოდია ერთგვაროვანი ნანო კატალიზატორების წარმოებისთვის. ნანოკატალიზატორების მომზადების მეთოდებს შორის მაღალეფექტურ მეთოდად ითვლება სონოქიმიური ტექნიკა. ინტენსიური ხმოვანი გამოსხივების უნარი შექმნას უაღრესად რეაქტიული ზედაპირები, გააუმჯობესოს შერევა და გაზარდოს მასობრივი ტრანსპორტირება, ხდის მას განსაკუთრებით პერსპექტიულ ტექნიკას კატალიზატორის მომზადებისა და გააქტიურებისთვის. მას შეუძლია ერთგვაროვანი და დისპერსიული ნანონაწილაკების წარმოება ძვირადღირებული ინსტრუმენტებისა და ექსტრემალური პირობების გარეშე. (შდრ. Koshbin and Haghighi, 2014)
სონოქიმიური სინთეზის შედეგად წარმოიქმნება უაღრესად აქტიური ნანოსტრუქტურული CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5 კატალიზატორი.
კვლევა და სურათი: ხოშბინი და ჰაღიგი, 2013 წ.
აკუსტიკური კავიტაციის ეფექტის სქემატური წარმოდგენა ლითონის ნაწილაკების მოდიფიკაციაზე. ლითონები დაბალი დნობის წერტილით (MP), როგორც თუთია (Zn) მთლიანად იჟანგება; ლითონები მაღალი დნობის წერტილით, როგორიცაა ნიკელი (Ni) და ტიტანი (Ti) ავლენენ ზედაპირის მოდიფიკაციას გაჟღერების დროს. ალუმინი (Al) და მაგნიუმი (Mg) ქმნიან მეზოფორიან სტრუქტურებს. ნობელის ლითონები მდგრადია ულტრაბგერითი გამოსხივების მიმართ მათი სტაბილურობის გამო დაჟანგვის მიმართ. ლითონების დნობის წერტილები მითითებულია კელვინის გრადუსებში (K).
მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი მეზოფორული კატალიზატორების სინთეზისთვის
სონოქიმიური მოწყობილობა მაღალი ხარისხის ნანო კატალიზატორების სინთეზისთვის ხელმისაწვდომია ნებისმიერი ზომის – კომპაქტური ლაბორატორიული ულტრაბგერითი აპარატებიდან სრულად ინდუსტრიულ ულტრაბგერით რეაქტორებამდე. Hielscher Ultrasonics შეიმუშავებს, აწარმოებს და ავრცელებს მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერას. ყველა ულტრაბგერითი სისტემა მზადდება სათაო ოფისში ტელტოვში, გერმანია და ნაწილდება იქიდან მთელ მსოფლიოში.
Hielscher ულტრაბგერითების დახვეწილი აპარატურა და ჭკვიანი პროგრამული უზრუნველყოფა შექმნილია საიმედო მუშაობის, განმეორებადი შედეგების და ასევე მომხმარებლის კეთილგანწყობის უზრუნველსაყოფად. Hielscher ულტრაბგერითი არის მტკიცე და საიმედო, რაც საშუალებას იძლევა დამონტაჟდეს და მუშაობდეს მძიმე სამუშაო პირობებში. ოპერაციულ პარამეტრებზე ადვილად წვდომა და აკრეფა შესაძლებელია ინტუიციური მენიუს საშუალებით, რომლის წვდომა შესაძლებელია ციფრული ფერადი სენსორული დისპლეით და ბრაუზერის დისტანციური მართვის საშუალებით. ამიტომ, დამუშავების ყველა პირობა, როგორიცაა წმინდა ენერგია, მთლიანი ენერგია, ამპლიტუდა, დრო, წნევა და ტემპერატურა ავტომატურად ჩაიწერება ჩაშენებულ SD ბარათზე. ეს საშუალებას გაძლევთ გადახედოთ და შეადაროთ წინა ხმოვანი გაშვებები და ოპტიმიზაცია მოახდინოთ ნანო კატალიზატორების სინთეზისა და ფუნქციონალიზაციის უმაღლესი ეფექტურობით.
Hielscher Ultrasonics სისტემები გამოიყენება მთელ მსოფლიოში სონოქიმიური სინთეზის პროცესებისთვის და დადასტურებულია, რომ საიმედოა მაღალი ხარისხის ცეოლიტის ნანო კატალიზატორების, ასევე ცეოლიტის წარმოებულების სინთეზისთვის. Hielscher სამრეწველო ულტრაბგერითებს შეუძლიათ ადვილად აწარმოონ მაღალი ამპლიტუდები უწყვეტი მუშაობისას (24/7/365). 200 μm-მდე ამპლიტუდები ადვილად შეიძლება მუდმივად წარმოიქმნას სტანდარტული სონოტროდებით (ულტრაბგერითი ზონდები / რქები). კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია მორგებული ულტრაბგერითი სონოტროდები. მათი გამძლეობისა და დაბალი მოვლის გამო, ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატები ჩვეულებრივ დამონტაჟებულია მძიმე სამუშაო აპლიკაციებისთვის და მომთხოვნ გარემოში.
Hielscher ულტრაბგერითი პროცესორები სონოქიმიური სინთეზებისთვის, ფუნქციონალიზაციისთვის, ნანო-სტრუქტურირებისა და დეაგლომერაციისთვის უკვე დამონტაჟებულია მთელ მსოფლიოში კომერციული მასშტაბით. დაგვიკავშირდით ახლა თქვენი ნანო კატალიზატორის წარმოების პროცესის განსახილველად! ჩვენი გამოცდილი პერსონალი მოხარული იქნება გაგიზიაროთ მეტი ინფორმაცია სონოქიმიური სინთეზის გზის, ულტრაბგერითი სისტემებისა და ფასების შესახებ!
ულტრაბგერითი სინთეზის მეთოდის უპირატესობით, თქვენი მეზოპოროზული ნანო კატალიზატორის წარმოება გამოირჩევა ეფექტურობით, სიმარტივით და დაბალი ღირებულებით კატალიზატორის სინთეზის სხვა პროცესებთან შედარებით!
ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი გვიჩვენებს ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების სავარაუდო დამუშავების შესაძლებლობებს:
| სურათების მოცულობა | Დინების სიჩქარე | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 1-დან 500 მლ-მდე | 10-დან 200 მლ/წთ-მდე | UP100H |
| 10-დან 2000 მლ-მდე | 20-დან 400 მლ/წთ-მდე | UP200Ht, UP400 ქ |
| 0.1-დან 20ლ-მდე | 0.2-დან 4ლ/წთ-მდე | UIP2000hdT |
| 10-დან 100 ლ-მდე | 2-დან 10ლ/წთ-მდე | UIP4000hdT |
| na | 10-დან 100ლ/წთ-მდე | UIP16000 |
| na | უფრო დიდი | კასეტური UIP16000 |
Დაგვიკავშირდით! / Გვკითხე ჩვენ!
დოქტორი ანდრეევა-ბაუმლერი, ბაიროითის უნივერსიტეტი, მუშაობს ულტრაბგერითი UIP1000hdT ლითონების ნანო-სტრუქტურირებაზე უმაღლესი კატალიზატორების მისაღებად.
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების შერევას აპლიკაციების, დისპერსიის, ემულსიფიკაციისა და ექსტრაქციისთვის ლაბორატორიულ, საპილოტე და სამრეწველო მასშტაბებზე.
ლიტერატურა / ლიტერატურა
- 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.
ფაქტები, რომელთა ცოდნაც ღირს
დიმეთილის ეთერი (DME) როგორც საწვავი
დიმეთილეთერის ერთ-ერთი მთავარი გათვალისწინებული გამოყენებაა მისი გამოყენება, როგორც პროპანის შემცვლელი LPG-ში (თხევადი პროპან გაზი), რომელიც გამოიყენება საწვავად მანქანებისთვის, საყოფაცხოვრებო და მრეწველობაში. პროპანის ავტოგაზში, დიმეთილის ეთერი ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ნაზავი.
გარდა ამისა, DME ასევე პერსპექტიული საწვავია დიზელის ძრავებისთვის და გაზის ტურბინებისთვის. დიზელის ძრავებისთვის, მაღალი ცეტანური რიცხვი 55, ნავთობის დიზელის საწვავთან შედარებით, 40-53 ცეტანური ნომრებით, ძალიან მომგებიანია. საჭიროა მხოლოდ ზომიერი ცვლილებები, რათა დიზელის ძრავამ შეძლოს დიმეთილეთერის დაწვა. ამ მოკლე ნახშირბადის ჯაჭვის ნაერთის სიმარტივე წვის დროს იწვევს ნაწილაკების ძალიან დაბალ ემისიას. ამ მიზეზების გამო, ისევე როგორც გოგირდისგან თავისუფალი, დიმეთილის ეთერი აკმაყოფილებს ემისიის ყველაზე მკაცრ რეგულაციას ევროპაში (EURO5), აშშ-ში (აშშ 2010) და იაპონიაში (2009 იაპონია).
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორებისგან ლაბორატორია რომ სამრეწველო ზომა.