Ультразвуковая подготовка катализаторов для конверсии диметилового эфира (DME)

Диметиловый эфир (ДМЭ) является благоприятным альтернативным топливом, которое может быть синтезировано из метанола, СО₂ или синтез-газ посредством катализа. Для каталитического преобразования в ДМЭ требуются мощные катализаторы. Наноразмерные мезопористые катализаторы, такие как мезопористые кислотные цеолиты, декорированные цеолиты или наноразмерные металлические катализаторы, такие как алюминий или медь, могут значительно улучшить конверсию DME. Высокоинтенсивный ультразвук является превосходным методом получения высокореакционноспособных нанокаталитов. Узнайте больше о том, как использовать ультразвук для производства микро- и мезопористых катализаторов с отличной реакционной способностью и селективностью!

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).

Прямой синтез ДМЭ позволяет увеличить уровни конверсии на ступеньку, до 19%, что означает значительное снижение затрат на инвестиции и эксплуатационные производственные затраты ДМЭ. Исходя из оценок, себестоимость производства ДМЭ при прямом синтезе снижается на 20-30% по сравнению с обычным двухступенчатым процессом конверсии. Для работы прямого пути синтеза ДМЭ необходима высокоэффективная гибридная бифункциональный каталитический система. Требуемый катализатор должен предлагать функциональность для гидрирования CO / CO2 для синтеза метанола и кислотные функциональные возможности, которые способствуют обезвоживанию метанола. (ср. 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.

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)

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)

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: