Ультразвуковая подготовка катализаторов конверсии диметилового эфира (ДМЭ)

Диметиловый эфир (ДМЭ) является благоприятным альтернативным топливом, которое может быть синтезировано из метанола, CO₂ или синтез-газ путем катализа. Для каталитической конверсии в ДМЭ требуются сильнодействующие катализаторы. Наноразмерные мезопористые катализаторы, такие как мезопористые кислотные цеолиты, декорированные цеолиты или наноразмерные металлические катализаторы, такие как алюминий или медь, могут значительно улучшить конверсию ДМЭ. Высокоинтенсивный ультразвук является превосходным методом получения высокореактивных нанокатализаторов. Узнайте больше о том, как использовать ультразвук для производства микро- и мезопористых катализаторов с отличной реакционной способностью и селективностью!

Бифункциональные катализаторы для прямой конверсии DME

Производство диметилового эфира (ДМЭ) является хорошо отлаженным промышленным процессом, который делится на два этапа: во-первых, каталитическое гидрирование синтез-газа в метанол (CO / CO₂ + 3Ч₂ → СН₃ОН + Ч₂HO) и, во-вторых, последующее каталитическое дегидратирование метанола над кислотными катализаторами с получением (2CH₃О → СН₃ОХ₃ + Ч₂O). Основное ограничение этого двухступенчатого синтеза DME 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 ДМЭ является значительно более предпочтительным: при прямом преобразовании ДМЭ стадия синтеза метанола сочетается со стадией дегидратации в одном реакторе
(2CO / CO₂ + 6Ч₂ → СН₃ОХ₃ + 3Ч₂O).

Прямой синтез DME позволяет увеличить уровень конверсии на одну стадию, до 19%, что означает значительное снижение затрат на инвестиции и эксплуатационные затраты на производство DME. Исходя из полученных оценок, себестоимость производства ДМЭ при прямом синтезе снижается на 20-30% по сравнению с традиционным двухступенчатым процессом конверсии. Для работы по прямому пути синтеза ДМЭ необходима высокоэффективная гибридная бифункциональная каталитическая система. Требуемый катализатор должен обеспечивать функциональность для гидрирования CO/CO2 для синтеза метанола и кислотные функции, которые способствуют дегидратации метанола. (ср. Millán et al. 2020)

Синтез высокореакционноспособных катализаторов для конверсии ДМЭ с использованием Power-ULTRASOUND

Реакционная способность и селективность катализаторов для 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/Al₂O₃) являются основными катализаторами, которые успешно используются для производства ДМЭ.

Хлорирование и фторирование цеолитов являются эффективными методами настройки каталитической кислотности. Хлорированные и фторированные цеолитовые катализаторы были получены путем пропитки цеолитов (H-ZSM-5, H-MOR или H-Y) с использованием двух прекурсоров галогенов (хлорида аммония и фторида аммония) в исследовании, проведенном исследовательской группой Aboul-Fotouh. Оценено влияние ультразвукового облучения для оптимизации обоих галогеновых прекурсоров для получения диметилового эфира (ДМЭ) путем дегидратации метанола в реакторе с неподвижным слоем. Сравнительное исследование катализа ДМЭ показало, что галогенированные цеолитовые катализаторы, полученные под ультразвуковым облучением, демонстрируют более высокую эффективность в образовании ДМЭ. (Абул-Фотух и др., 2016)
В другом исследовании исследовательская группа изучила все важные переменные ультразвука, возникающие при проведении дегидратации метанола на цеолитных катализаторах H-MOR для получения диметилового эфира. Для своих экспериментов по ультразвуковой обработке исследовательская группа использовала Ультразвуковой аппарат измерительного типа Hielscher UP50H. С помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) визуализации ультразвукового цеолита H-MOR (цеолита Морденита) выяснилось, что метанол сам по себе при использовании в качестве среды для ультразвука дает наилучшие результаты по однородности размеров частиц по сравнению с необработанным катализатором, где образовались крупные агломераты и неоднородные кластеры. Эти результаты подтвердили, что ультразвуковое исследование оказывает глубокое влияние на разрешение элементарной ячейки и, следовательно, на каталитическое поведение дегидратации метанола до диметилового эфира (ДМЭ). NH3-TPD показывает, что ультразвуковое облучение повышает кислотность катализатора H-MOR и, следовательно, является каталитическим фактором для образования ДМЭ. (Абул-Гейт и др., 2014)

Почти весь коммерческий ДМЭ производится путем дегидратации метанола с использованием различных твердокислотных катализаторов, таких как цеолиты, силлиа-глинозем, глинозем, Al.₂O₃–В₂O₃и т.д. следующей реакцией:
2СН₃О <—> СН₃ОХ₃ +Ч₂O(-22.6k jmol^-1)

Koshbin and Haghighi (2013) получили CuO–ZnO–Al₂O₃/HZSM-5 нанокатализаторами комбинированным методом 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 синтезированного нанокатализатора с помощью ультразвука была исследована в ходе реакции синтез-газа в ДМЭ. Нанокатализатор теряет незначительную активность в ходе реакции из-за образования кокса на медных формах». [Хошбин и Хагиги, 2013.]

Альтернативным нанокатализатором, не содержащим цеолита, который также очень эффективен в стимулировании конверсии DME, является наноразмерный пористый γ-оксид алюминия. Наноразмерный пористый γ-оксид алюминия был успешно синтезирован методом осаждения при ультразвуковом перемешивании. Сонохимическая обработка способствует синтезу наночастиц. (ср. Rahmanpour et al., 2012)

Почему ультразвуковые нанокатализаторы превосходны?

Для производства гетерогенных катализаторов часто требуются материалы с высокой добавленной стоимостью, такие как драгоценные металлы. Это делает катализаторы дорогими, и, следовательно, повышение эффективности, а также продление срока службы катализаторов являются важными экономическими факторами. Среди методов получения нанокатализаторов сонохимический метод рассматривается как высокоэффективный метод. Способность ультразвука создавать высокореактивные поверхности, улучшать перемешивание и увеличивать массоперенос делает его особенно перспективным методом для подготовки и активации катализатора. Он может производить однородные и диспергированные наночастицы без необходимости использования дорогостоящих инструментов и экстремальных условий.
В нескольких научных исследованиях ученые пришли к выводу, что ультразвуковая подготовка катализаторов является наиболее выгодным методом для производства гомогенных нанокатализаторов. Среди методов получения нанокатализаторов сонохимический метод рассматривается как высокоэффективный метод. Способность интенсивной ультразвуковой обработки создавать высокореактивные поверхности, улучшать перемешивание и увеличивать массоперенос делает его особенно перспективным методом для подготовки и активации катализаторов. Он может производить однородные и диспергированные наночастицы без необходимости использования дорогостоящих инструментов и экстремальных условий. (ср. Кошбин и Хагиги, 2014)

Высокоэффективные ультразвуковые аппараты для синтеза мезопористых катализаторов

Сонохимическое оборудование для синтеза высокоэффективных нанокатализаторов легко доступно в 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 головном офисе в Тельтове, Германия, и распространяются оттуда по всему миру.
Сложное аппаратное обеспечение и интеллектуальное программное обеспечение ультразвуковых аппаратов Hielscher разработаны, чтобы гарантировать надежную работу, воспроизводимые результаты, а также удобство для пользователя. Ультразвуковые аппараты Hielscher прочны и надежны, что позволяет устанавливать и эксплуатировать их в тяжелых условиях. Доступ к рабочим настройкам и набор осуществляется через интуитивно понятное меню, доступ к которому осуществляется с помощью цифрового цветного сенсорного дисплея и пульта дистанционного управления в браузере. Таким образом, 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 ультразвука и оптимизировать синтез и функционализацию нанокатализаторов для достижения максимальной эффективности.
Ультразвуковые системы Hielscher используются во всем мире для процессов сонохимического синтеза и доказали свою надежность для синтеза высококачественных цеолитных нанокатализаторов, а также производных цеолита. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут легко работать с высокой амплитудой в непрерывной работе (24/7/365). Амплитуды до 200 μм могут быть легко непрерывно сгенерированы с помощью стандартных сонотродов (ультразвуковых зондов / рупоров). Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Благодаря своей прочности и неприхотливости в обслуживании наши ультразвуковые аппараты обычно устанавливаются для тяжелых условий эксплуатации и в сложных условиях.
Ультразвуковые процессоры Hielscher для сонохимического синтеза, функционализации, наноструктурирования и деагломерации уже установлены во всем мире в промышленных масштабах. Свяжитесь с нами сейчас, чтобы обсудить ваш процесс производства нанокатализатора! Наш опытный персонал будет рад поделиться дополнительной информацией о пути сонохимического синтеза, ультразвуковых системах и ценах!
Благодаря преимуществам метода ультразвукового синтеза, ваше производство мезопористых нанокатализаторов будет отличаться эффективностью, простотой и низкой стоимостью по сравнению с другими процессами синтеза катализаторов!

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: