Ультразвуковая подготовка катализаторов для конверсии диметилового эфира (DME)
Бифункциональные катализаторы для прямого преобразования DME
Производство диметилового эфира (ДМЭ) представляет собой хорошо отлаженный промышленный процесс, который делится на два этапа: во-первых, каталитическое гидрирование синтез-газа в метанол (CO/CO).2 + 3Ч2 → СН3OH + H2HO) и, во-вторых, последующее каталитическое обезвоживание метанола над кислотными катализаторами для получения (2CH3OH → CH3ОХ3 + Н2Основное ограничение этого двухстайного синтеза ДМЭ связано с низкой термодинамикой во время фазы синтеза метанола, что приводит к низкой конверсии газа за проход (15-25%). Таким образом, возникают высокие коэффициенты рециркуляции, а также высокие капитальные и эксплуатационные затраты.
Чтобы преодолеть это термодинамическое ограничение, прямой синтез DME значительно более благоприярен: при прямой конверсии DME этап синтеза метанола соединен со этапом дегидратации в одном реакторе.
(2CO / CO2 + 6Ч2 → СН3ОХ3 + 3Ч2О).

Ультразвуковой аппарат UIP2000hdT (2кВт) с проточным реактором является широко используемой установкой для сонохимического синтеза мезопористых нанокаталисток (например, декорированных цеолитов).

Прямой синтез диметилового эфира (ДМЭ) из синтез-газа на бифункциональный катализатор.
(© Millán et al. 2020)
Синтез высокореактивных катализаторов для преобразования ДМЭ с помощью Power-Ultrasound
Реакционная способность и селективность катализаторов конверсии диметилового эфира могут быть значительно улучшены с помощью ультразвуковой обработки. Цеолиты, такие как кислотные цеолиты (например, алюмосиликатный цеолит HZSM-5) и декорированные цеолиты (например, с CuO/ZnO/Al2О3) являются основными катализаторами, которые успешно используются для производства ДМЭ.

Гибридный совместно-осажденно-ультразвуковой синтез CuO-ZnO-Al2O3/HZSM-5, используемый в прямом конвергенции синтез-газа с диметиловым эфиром в качестве зеленого топлива.
Этюд и картина: Хошбин и Хагиги, 2013.]
Хлорирование и фторирование цеолитов являются эффективными методами настройки каталитической кислотности. Хлорированные и фторированные цеолитные катализаторы получали пропитки цеолитов (H-ZSM-5, H-MOR или H-Y) с использованием двух предшественников галогенов (хлорид аммония и фторид аммония) в исследовании исследовательской группы Aboul-Fotouh. Влияние ультразвукового облучения оценивалось для оптимизации обоих предшественников галогенов для производства диметилэфира (ДМЭ) путем обезвоживания метанола в реакторе с фиксированным слоем. Сравнительное исследование катализа DME показало, что галогенированные цеолитные катализаторы, приготовленные под ультразвуковым облучением, показывают более высокую эффективность для образования DME. (Абул-Фотоух и др., 2016)
В другом исследовании исследовательская группа изучила все важные переменные ультразвука, встречающиеся при проведении обезвоживания метанола на цеолитных катализаторах H-MOR для получения диметилэфитера. Для своих звуковых эппериментов исследовательская группа использовала Ультразвуковой аппарат зондового типа Hielscher UP50H. Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) визуализации ультразвукового цеолита H-MOR (цеолита морденита) уточнил, что метанол сам по себе, используемый в качестве ультразвуковой среды, дает наилучшие результаты относительно однородности размеров частиц по сравнению с необработанным катализатором, где появились крупные агломераты и неоднородные кластеры. Эти результаты подтверждают, что ультразвук оказывает глубокое влияние на разрешение единичных клеток и, следовательно, на каталитическое поведение обезвоживания метанола до диметилового эфира (DME). NH3-TPD показывает, что ультразвуковое облучение повысило кислотность катализатора H-MOR и, следовательно, является каталитическим показателем для образования DME. (Абул-Гейт и др., 2014)

SEM ультразвукового H-MOR с использованием различных сред
Исследование и фотографии: ©Абул-Гейт и др., 2014
Почти весь коммерческий ДМЭ производится путем обезвоживания метанола с использованием различных твердокислотных катализаторов, таких как цеолиты, силлик-глинозем, глинозем, Al2О3–В2О3и т.д. путем следующей реакции:
2CH3О. <—> СН3ОХ3 +Ч2O(-22.6k jmol-1)
Кошбин и Хагиги (2013) подготовили CuO–ZnO–Al2О3Нанокатализаторы /HZSM-5 с помощью комбинированного метода совместного осаждения и ультразвука. Исследовательская группа обнаружила, что «использование ультразвуковой энергии оказывает большое влияние на дисперсию функции гидрирования CO и, следовательно, на производительность синтеза DME. Долговечность ультразвукового синтезированного нанокатализа исследовали во время реакции синтез-газ на ДМЭ. Нанокатализатор теряет незначительную активность в ходе реакции из-за образования кокса на медных породах». [Хошбин и Хагиги, 2013.]
Альтернативным незеолитовым нанокатализатором, который также очень эффективен в продвижении конверсии DME, является наноразмерный пористый γ-глиноземный катализатор. Наноразмерные пористые γ-глинозема успешно синтезировались осаждением при ультразвуковом перемешивание. Сонохимическая обработка способствует синтезу наночастиц. (ср. Рахманпур и др., 2012)
Почему ультразвуковые нанокатализаторы превосходны?
Для производства гетерогенных катализаторов часто требуются материалы с высокой добавленной стоимостью, такие как драгоценные металлы. Это делает катализаторы дорогостоящими, и поэтому повышение эффективности, а также продление жизненного цикла катализаторов являются важными экономическими факторами. Среди методов приготовления нанокаталисток сонохимический метод считается высокоэффективным методом. Способность ультразвука создавать высокореакционноспособные поверхности, улучшать перемешивание и увеличивать массовый транспорт делает его особенно перспективным методом для изучения для получения и активации катализатора. Он может производить однородные и дисперсные наночастицы без необходимости использования дорогостоящих инструментов и экстремальных условий.
В нескольких научных исследованиях ученые приходят к выводу, что получение ультразвукового катализатора является наиболее выгодным методом получения однородных нанокаталитов. Среди методов приготовления нанокаталисток сонохимический метод считается высокоэффективным методом. Способность интенсивной обработки ультразвуком создавать высокореактивные поверхности, улучшать перемешивание и увеличивать массовый перенос делает его особенно перспективным методом для изучения для получения и активации катализатора. Он может производить однородные и дисперсные наночастицы без необходимости использования дорогостоящих инструментов и экстремальных условий. (ср. Кошбин и Хагиги, 2014)

Результатом сонохимического синтеза является высокоактивный наноструктурированный катализатор CuO–ZnO–Al2O3/HZSM-5.
Этюд и картина: Хошбин и Хагиги, 2013.

Схематическое представление эффектов акустической кавитации на модификацию металлических частиц. Металлы с низкой температурой плавления (МП) в виде цинка (Zn) полностью окисляются; металлы с высокой температурой плавления, такие как никель (Ni) и титан (Ti), демонстрируют модификацию поверхности при обработке ультразвуком. Алюминий (Al) и магний (Mg) образуют мезопористые структуры. Нобелевские металлы устойчивы к ультразвуковому облучению благодаря своей устойчивости к окислению. Температуры плавления металлов указаны в градусах Кельвина (К).
Высокоэффективные ультразвуковые аппараты для синтеза мезопористых катализаторов
Сонохимическое оборудование для синтеза высокоэффективных нанокаталитов легко доступно при любых размерах – от компактных лабораторных ультразвуковых аппаратов до полностью промышленных ультразвуковых реакторов. Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и распространяет мощные ультразвуковые аппараты. Все ультразвуковые системы производятся в штаб-квартире в Тельтове, Германия и распространяются оттуда по всему миру.
Сложное аппаратное и интеллектуальное программное обеспечение ультразвуковых аппаратов Hielscher предназначены для обеспечения надежной работы, воспроизводимых результатов, а также удобства для пользователя. Ультразвуковые аппараты Hielscher прочны и надежны, что позволяет устанавливаться и эксплуатироваться в тяжелых условиях эксплуатации. Рабочие настройки могут быть легко доступны и набраны через интуитивно понятное меню, к которому можно получить доступ через цифровой цветной сенсорный дисплей и пульт дистанционного управления браузером. Поэтому все условия обработки, такие как чистая энергия, общая энергия, амплитуда, время, давление и температура, автоматически записываются на встроенную SD-карту. Это позволяет пересматривать и сравнивать предыдущие прогоны обработки ультразвуком и оптимизировать синтез и функционализацию нанокаталитов до максимальной эффективности.
Ультразвуковые системы Hielscher используются во всем мире для процессов сонохимического синтеза и доказали свою надежность для синтеза высококачественных цеолитовых нанокатализаторов, а также производных цеолита. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут легко работать с высокими амплитудами в непрерывной работе (24/7/365). Амплитуды до 200 мкм могут быть легко непрерывно генерируются стандартными сонотродами (ультразвуковыми зондами / рогами). Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Благодаря своей прочности и низким эксплуатационным требованиям наши ультразвуковые аппараты обычно устанавливаются для тяжелых условий эксплуатации и в сложных условиях.
Ультразвуковые процессоры Hielscher для сонохимических синтезов, функционализации, наноструктурирования и деагломерации уже установлены во всем мире в коммерческих масштабах. Свяжитесь с нами сейчас, чтобы обсудить ваш процесс производства нанокатализаторов! Наши опытные сотрудники будут рады поделиться дополнительной информацией о пути сонохимического синтеза, ультразвуковых системах и ценообразовании!
Благодаря преимуществу метода ультразвукового синтеза, ваше мезопористое производство нанокатализаторов будет превосходить по эффективности, простоте и низкой стоимости по сравнению с другими процессами синтеза катализаторов!
В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов:
Объем партии | Скорость потока | Рекомендуемые устройства |
---|---|---|
От 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл / мин | UP100H |
От 10 до 2000 мл | От 20 до 400 мл / мин | Uf200 ः т, UP400St |
0.1 до 20L | 0.2 до 4L / мин | UIP2000hdT |
От 10 до 100 литров | От 2 до 10 л / мин | UIP4000hdT |
не доступно | От 10 до 100 л / мин | UIP16000 |
не доступно | больше | кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!

Д-р Андреева-Боймлер, Университет Байройта, работает с ультразвуковой аппарат UIP1000hdT по наноструктурированию металлов с целью получения превосходных катализаторов.
Литература / Ссылки
- 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.
Полезные сведения
Диметиловый эфир (DME) в качестве топлива
Одним из основных предполагаемых видов применения диметилового эфира является его применение в качестве заменителя пропана в СНГ (жидкий пропан), который используется в качестве топлива для транспортных средств, в домашних хозяйствах и промышленности. В пропановом автогазе диметиловый эфир также может использоваться в качестве смеси.
Кроме того, DME также является перспективным топливом для дизельных двигателей и газовых турбин. Для дизельных двигателей очень выгодно высокое цетановое число 55 по сравнению с дизельным топливом из нефти с цетановым числом 40–53. Необходимы только умеренные модификации, чтобы дизельный двигатель мог сжигать диметиловый эфир. Простота этого соединения с короткой углеродной цепью приводит во время горения к очень низким выбросам твердых частиц. По этим причинам, помимо того, что диметиловый эфир не содержит серы, он соответствует даже самым строгим нормам выбросов в Европе (EURO5), США (США, 2010 год) и Японии (2009 год, Япония).

Hielscher Ultrasonics производит высокую производительность ультразвуковых гомогенизаторов из лаборатория в промышленного размера.