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volatilización instantánea reactiva

La volatilización instantánea reactiva (RFV, por sus siglas en inglés) es un proceso químico que convierte rápidamente sólidos y líquidos no volátiles en compuestos volátiles me...

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La volatilización instantánea reactiva (RFV, por sus siglas en inglés) es un proceso químico que convierte rápidamente sólidos y líquidos no volátiles en compuestos volátiles mediante descomposición térmica, para su integración con procesos químicos catalíticos.

Química

La utilización de combustibles fósiles pesados ​​o biomasa rica en carbohidratos , (C 6 H 10 O 5 ) n , para combustibles o productos químicos requiere un proceso termoquímico inicial llamado pirólisis , que fractura los polímeros grandes en mezclas de compuestos orgánicos volátiles (COV) pequeños. Un método específico de pirólisis de biomasa, denominado "pirólisis rápida", convierte partículas de biomasa en aproximadamente un 10 % de un sólido rico en carbono llamado carbón vegetal , aproximadamente un 15 % de gases como el dióxido de carbono y aproximadamente un 70 % de una mezcla de compuestos orgánicos comúnmente conocida como " bioaceite " a 500  °C en 1-2 segundos. [ 1 ]

Pirólisis: Biomasa + Calor → 0,70 COV + 0,10 Carbón vegetal + 0,15 Gases

Los compuestos orgánicos volátiles pueden recolectarse como un líquido marrón altamente ácido para su posterior conversión termoquímica mediante procesos tradicionales como el reformado con vapor , la gasificación , la oxidación parcial catalítica , el craqueo catalítico , la combustión o el hidrotratamiento .

Reformado catalítico con vapor: COV + H₂O + Calor + Catalizador → H₂ + CO + Catalizador Oxidación parcial catalítica: COV + O₂ + Catalizador → H₂ + CO + Calor + Catalizador Combustión catalítica : COV + O₂ + Catalizador → CO₂ + H₂O + Calor + Catalizador

Estos dos conjuntos de procesos químicos, la pirólisis y el procesamiento catalítico, se combinan para formar el proceso de volatilización instantánea reactiva. Los hidrocarburos sólidos o la biomasa se ponen en contacto con  catalizadores de alta temperatura (500–900 °C) para generar gases y compuestos orgánicos volátiles . [ 2 ] Las especies volátiles fluyen hacia el catalizador con un reactivo (H 2 , O 2 , o H 2 O) para convertirse en productos deseables (H 2 , CO, H 2 O, CO 2 , o COV).

RFV: Biomasa + calor + reactivo + catalizador → Gases + COV + reactivo + catalizador → Productos + catalizador

Descubrimiento

La volatilización instantánea reactiva se demostró en 2006 en la revista Science mediante la  conversión a alta temperatura (700–800 °C) de aceite de soja (triglicéridos) y azúcar (D-(+)-glucosa) en gas de síntesis (H 2 + CO) y olefinas (etileno y propileno). [ 3 ] La conversión catalítica completa y continua de combustibles pesados ​​fue sorprendente, porque se ha demostrado que la química pirolítica inicial genera cantidades significativas de residuo sólido llamado "carbón", que se esperaba que bloqueara la interacción necesaria entre los compuestos reactivos y el catalizador metálico sólido.

El proceso se ha descrito así: «La baja volatilidad de estas materias primas de biocombustibles no solo produce hollín cuando se utilizan directamente en motores de combustión interna, sino que también provoca que recubran los catalizadores industriales con una capa desactivadora de carbono, lo que dificulta su conversión en productos más ligeros. James Richard Salge y sus colegas demuestran que si combustibles pesados ​​como el aceite de soja o el biodiésel se rocían sobre catalizadores calientes de rodio-cerio en forma de finas gotas en presencia de oxígeno, los combustibles pueden autocalentarse y reaccionar completamente para formar hidrógeno sin formación de carbono ni desactivación del catalizador». [ 4 ] RFV: Triglicérido + O₂ + Catalizador → Etileno + Propileno + CO₂ + H₂O + Catalizador

El proceso convirtió el 70 % del hidrógeno atómico en los triglicéridos del aceite de soja en H₂ molecular y el 60 % del carbono atómico en monóxido de carbono sobre un catalizador a base de rodio con cerio soportado en alfa-alúmina. [ 5 ] Bajo diferentes condiciones de operación, el proceso puede producir una cantidad significativa de etileno y propileno. [ 6 ]

La primera demostración de volatilización instantánea reactiva se produjo mediante una serie de pasos experimentales: [ 7 ]

  1. Los investigadores parten de aceite de soja puro o de un jarabe de azúcar espeso.
  2. El reactor consta de un inyector de combustible automotriz, utilizado para pulverizar el aceite o jarabe en forma de finas gotas a través de un tubo. En el interior del tubo, a modo de tapón, se encuentra un disco cerámico poroso fabricado con un catalizador de rodio-cerio.
  3. Cuando las gotas impactan contra el disco, cuya superficie alcanza una temperatura de 1000  °C, el calor y el oxígeno descomponen las moléculas de aceite o azúcar.
  4. El catalizador dirige la descomposición hacia la producción de gas de síntesis en lugar de hacia vapor de agua y carbono.
  5. El gas de síntesis pasa a través del disco poroso y se recoge aguas abajo en el tubo.
  6. No se necesita calentamiento externo porque las reacciones químicas liberan suficiente calor para descomponer las moléculas de aceite o azúcar que quedan a su paso.

Se requiere un aporte inicial de calor para alcanzar temperaturas de 300  °C, tras lo cual la reacción se inicia y se acelera rápidamente hasta alcanzar temperaturas de 700–800  °C. En condiciones estables, la reacción genera suficiente calor para mantener la alta temperatura y la velocidad extrema de la reacción. [ 8 ] El tiempo total para la conversión de compuestos pesados ​​y no volátiles en especies volátiles o gaseosas se mide en milisegundos (o milésimas de segundo).

Aplicación a la biomasa sólida

La volatilización instantánea reactiva de partículas sólidas compuestas de celulosa , almidón , lignina , virutas de madera de álamo temblón ( Populus tremuloides ) y polietileno se demostró en 2007 en la revista científica Angewandte Chemie . [ 9 ] Las partículas de celulosa se convirtieron completamente en gas de síntesis (H₂ y CO) y productos de combustión ( H₂O y CO₂ ) en tan solo 30 milisegundos. El reformado catalítico de todos los materiales se produjo sin necesidad de una fuente de calor externa, operando a 500–900  °C. En condiciones óptimas, el 50 % de todo el hidrógeno atómico y el 50 % de todo el carbono atómico se pueden convertir en H₂ molecular y monóxido de carbono en tan solo 30 milisegundos. La química de la reacción se demostró tanto en un catalizador de Rh-Ce/alúmina como en un catalizador de Ni-Ce/alúmina. [ 9 ]

Una publicación en la revista científica Green Chemistry demostró que el proceso de volatilización instantánea reactiva puede considerarse una combinación de varias otras reacciones químicas globales que ocurren a través de la integración térmica y química. [ 10 ] Como se muestra en el diagrama de la derecha, la química de pirólisis inicial ocurre cuando la partícula de biomasa (verde) entra en contacto físico con el catalizador caliente (naranja). Los compuestos orgánicos volátiles (COV) fluyen hacia el catalizador con oxígeno, se adsorben en átomos de Rh y reaccionan para formar productos de combustión (H₂O y CO₂ ) y gas de síntesis (H₂ y CO). Después de esta química inicial, ocurren tres reacciones globales principales. Los productos de combustión reaccionan catalíticamente con el gas de síntesis mediante la reacción de desplazamiento del gas de agua . Además, los compuestos orgánicos volátiles reaccionan catalíticamente con vapor de agua (H₂O ) para formar nuevos productos de combustión y gas de síntesis. Finalmente, los compuestos orgánicos volátiles pueden craquearse homogéneamente en la fase gaseosa para formar compuestos orgánicos volátiles más pequeños. [ 9 ]

Se ha demostrado que la temperatura de operación varía a lo largo del catalizador, siendo también una función importante de la relación biomasa-oxígeno. Un estudio experimental ha demostrado que el calor necesario para fracturar térmicamente la biomasa se generó dentro del lecho del catalizador mediante reacciones de oxidación superficial. Se demostró que el perfil de temperatura (y la temperatura de reacción) es extremadamente importante para evitar la formación de carbono en equilibrio. [ 10 ] Se ha atribuido una conversión muy rápida a altas temperaturas de operación, pero no se ha determinado la velocidad máxima de procesamiento de celulosa. [ 11 ] Sin embargo, la oxidación parcial catalítica de compuestos orgánicos volátiles ha demostrado que la conversión completa puede ocurrir en menos de 10 milisegundos. [ 12 ]

Referencias

  1. ↑
  2. ↑ Van Noorden, Richard (2 de noviembre de 2006). "¿Cuál es la mejor manera de utilizar la biomasa?" . Chemistry World . Royal Society of Chemistry.
  3. ↑ Salge, JR; Dreyer, BJ; Dauenhauer, PJ; Schmidt, LD (2006). "Hidrógeno renovable a partir de combustibles no volátiles mediante volatilización instantánea reactiva". Science . 314 (5800): 801– 804. Bibcode : 2006Sci...314..801S . doi : 10.1126/science.1131244 . PMID 17082454 . S2CID 24891756 .  
  4. ↑ Bitterman, Mark (7 de noviembre de 2006). "Aceite vegetal o fisión nuclear" . Blog de Cleantech . Cleantech.org. Archivado del original el 11 de mayo de 2013.
  5. ↑ Gates, Bruce C.; George W. Huber; Christopher L. Marshall; Phillip N. Ross; Jeffrey Siirola; Yong Wang (abril de 2008). "Catalizadores para aplicaciones energéticas emergentes" . Boletín MRS . 33 (4): 429– 435. doi : 10.1557/mrs2008.85 .
  6. ↑ Solicitud estadounidense 20080237542 , Lanny D. Schmidt, Paul J. Dauenhauer, Bradon J. Dreyer, James R. Salge, David Rennard, "Volatilización instantánea reactiva de combustibles fluidos" 
  7. ↑ "Volatilización instantánea: un nuevo proceso de conversión de biomasa en líquidos" . Biopact. 4 de noviembre de 2006.
  8. ↑ Curtin, Ciara (2006-11-03). "El descubrimiento de biocombustibles promete acabar con la dependencia del gas natural" . Scientific American .
  9. ^ Dauenhauer , Paul J .; Dreyer, Bradon J.; Degenstein, Nick J.; Schmidt, Lanny D. (2007). "Reforma de milisegundos de biomasa sólida para combustibles sostenibles". Edición internacional Angewandte Chemie . 46 (31): 5864– 7. Bibcode : 2007AngCh.119.5968D . CiteSeerX 10.1.1.614.932 . doi : 10.1002/ange.200701238 . PMID 17610233 .  
  10. 1 2 Colby, Joshua L.; Paul J. Dauenhauer; Lanny D. Schmidt (2008). "Reformado de vapor autotérmico de milisegundos de celulosa para combustibles sintéticos mediante volatilización instantánea reactiva". Química Verde . 10 (7): 773– 783. CiteSeerX 10.1.1.1007.860 . doi : 10.1039/b804691c . 
  11. ↑ George W. Huber, ed. (2008). "Rompiendo las barreras químicas y de ingeniería para los biocombustibles lignocelulósicos: biorrefinerías de hidrocarburos de próxima generación" (PDF) . Fundación Nacional de Ciencias.{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  12. ↑ Dauenhauer, P.; Salge, J.; Schmidt, L. (2006). "Hidrógeno renovable mediante reformado autotérmico con vapor de carbohidratos volátiles". Journal of Catalysis . 24 (2): 238. doi : 10.1016/j.jcat.2006.09.011 .
  • Bridgwater, AV (2003). "Combustibles y productos químicos renovables mediante el procesamiento térmico de biomasa". Chemical Engineering Journal . 91 ( 2– 3): 87– 102. Bibcode : 2003ChEnJ..91...87B . doi : 10.1016/s1385-8947(02)00142-0 .
  • Huber, GW; Iborra, S; Corma, A (2006). "Síntesis de combustibles para el transporte a partir de biomasa: química, catalizadores e ingeniería" . Chemical Reviews . 106 (9): 4044– 98. doi : 10.1021/cr068360d . PMID 16967928 . 
  • Grupo de investigación de Lanny D. Schmidt en la Universidad de Minnesota.
  • Necesidades de investigación básica: Catálisis para la energía
  • Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales en la Universidad de Minnesota
  • Grupo de investigación de Paul J. Dauenhauer en la Universidad de Minnesota.