접촉 분해 변환을 통해 유채 기름에서 바이오 연료와 바이오 케미컬의 실험실 생산
Summary
이 논문은 온화한 온도에서 촉매의 존재하에 화석 기반 피드와 혼합 카놀라유로부터 바이오 연료 및 생화학 물질을 제조하기위한 실험 방법을 제시한다. 반응 부에서 기체, 액체, 고체 제품 정량화 특징으로한다. 변환 및 개별 제품 수율 계산 및보고됩니다.
Abstract
The work is based on a reported study which investigates the processability of canola oil (bio-feed) in the presence of bitumen-derived heavy gas oil (HGO) for production of transportation fuels through a fluid catalytic cracking (FCC) route. Cracking experiments are performed with a fully automated reaction unit at a fixed weight hourly space velocity (WHSV) of 8 hr-1, 490-530 °C, and catalyst/oil ratios of 4-12 g/g. When a feed is in contact with catalyst in the fluid-bed reactor, cracking takes place generating gaseous, liquid, and solid products. The vapor produced is condensed and collected in a liquid receiver at -15 °C. The non-condensable effluent is first directed to a vessel and is sent, after homogenization, to an on-line gas chromatograph (GC) for refinery gas analysis. The coke deposited on the catalyst is determined in situ by burning the spent catalyst in air at high temperatures. Levels of CO2 are measured quantitatively via an infrared (IR) cell, and are converted to coke yield. Liquid samples in the receivers are analyzed by GC for simulated distillation to determine the amounts in different boiling ranges, i.e., IBP-221 °C (gasoline), 221-343 °C (light cycle oil), and 343 °C+ (heavy cycle oil). Cracking of a feed containing canola oil generates water, which appears at the bottom of a liquid receiver and on its inner wall. Recovery of water on the wall is achieved through washing with methanol followed by Karl Fischer titration for water content. Basic results reported include conversion (the portion of the feed converted to gas and liquid product with a boiling point below 221 °C, coke, and water, if present) and yields of dry gas (H2-C2‘s, CO, and CO2), liquefied petroleum gas (C3-C4), gasoline, light cycle oil, heavy cycle oil, coke, and water, if present.
Introduction
바이오 매스 유래 원료로부터 운송 연료를 생산하는 효율적이고 경제적 인 수단을 찾을 수있는 모두 민간 및 공공 부문에서 강력한 글로벌 관심이있다. 이 관심은 온실 가스 (GHG) 배출과 지구 온난화 관련 공헌에 석유 화석 연료 연소의 실질적인 기여를 통해 일반적인 관심사에 의해 구동된다. 또한, 신 재생 국내 액체 연료와 해외 생산 석유를 대체하는 북미와 유럽에서 강력한 정치적 의지가있다. 2008 년 바이오 연료는 세계 수송 연료 (1)의 1.8 %를 제공했다. 많은 선진국에서, 바이오 가까운 미래이 석유 연료의 10 %가 6 %로 교체하는 것이 필요하다. 캐나다에서는 규정 3. 유럽의 신 재생 에너지 지침 (RED)도 유럽 연합 (EU) 트랜스에 대한 10 %의 재생 에너지 목표를 의무화하고있다 2010년 12월 15일 시작 가솔린 5 %의 평균 재생 연료의 컨텐츠를 필요2020 4에 의해 포트 부문.
문제는 개발 및 바이오 매스에서 대체 가능한 운송 연료를 생산하기 위해 가능한 경제 경로를 보여왔다. 생물 소스는 나무 조각, 숲 폐기물, 농업 잔류 물과 같은 중성 지방 기반의 식물성 오일과 동물성 지방 등의 바이오 매스뿐만 아니라 폐 식용유와 셀룰로오스 바이오 매스를 포함한다. 지난 20 년간 연구가 사용한 바이오 매스 유래의 오일 처리의 평가에 집중하고 통상 (FCC) 5 유체 촉매 크래킹 – (12), 석유 정제에 가솔린 대부분 생산을 담당하는 기술. 이 연구에서 우리의 새로운 접근 방식은 오일 샌드 역청 유래 원료와 혼합에 공동 처리 카놀라 오일입니다. 일반적으로, 역청이 같은 합성 원유로 정제 원료를 생산, 정제하기 전에 업그레이드해야합니다 (SCO)의 처리 경로가 온실 가스 emissi의 68~78%를 차지, 특히 에너지 집약적 인격적기능 캐나다의 총 온실 가스 배출량 (14)의 2.6 %를 구성하는 2011 년 SCO 생산 (13),에서. 바이오 연료 생산이 훨씬 적은 탄소 배출량을 포함하기 때문에 biofeed 업그레이드 HGO의 일부를 교체, 온실 가스 배출을 감소시킬 것이다. 는 캐나다와 미국이 풍부하기 때문에 카놀라 오일은이 연구에서 선택된다. 이 원료는 FCC 성능이나 제품 품질에 영향을 미칠 수있는 황, 질소 및 금속의 내용 무시할 동안 HGOs 마찬가지의 밀도 및 점도를 갖는다. 또한,이 코 프로세싱 옵션은 작은 추가적인 하드웨어 또는 정제의 수정을 요구할 것이고, 따라서, 기존의 정제 인프라 활용을 허용하는 것처럼 상당한 기술적 및 경제적 이점을 제공한다. 또한, 고도의 방향족 역청이 직쇄 매스 상대와 공동 피드를 처리 할 때 제품의 품질 향상을 일으킬 수 가능성이 시너지 효과가있을 수있다. 그러나, 공동 처리중요한 기술적 과제를 포함한다. 높은 산소 함량, 파라핀이 풍부한 조성물, 석유 공급 원료와의 호환성, 오염 가능성 등 이러한 바이오 피드의 독특한 물리적, 화학적 특성을 포함
이 연구는 촉매 분해를 통해 카놀라유에서 실험실 규모에서 바이오 연료의 생산을위한 상세한 프로토콜을 제공합니다. 완전 자동화 된 반응 시스템 – 실험실 테스트 유닛 (LTU) 등이 작품에 언급 된 15 -이 작업에 사용되는이 기기의 작동 개략적 방법 1은 그림.. 이 LTU는 실험실 FCC 연구를위한 업계 표준이되었습니다. 이 연구의 목적은 GHG 배출 경감을 목표로 연료 및 화학 물질을 생산하는 카놀라유 크래킹에 대한 LTU의 적합성을 테스트하는 것이다.
그림 1 : 개념 illustratio의 흐름 선을 표시하는 반응. 그림의 n은 촉매, 사료, 제품 및 희석제. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Protocol
Representative Results
Discussion
여기에 설명 된 프로토콜 균열 공급 오일 및 촉매 재생을 시뮬레이션 유동화 촉매 입자의 배치를 함유하는 단일 반응기의 반복 연산을 이용한다. 오일을 유동층의 하부에 가까운 선단 가진 분사기 튜브를 통해 예열 상부로부터 공급되는 금한다. 접촉 분해 후 생성 된 증기는 응축되어 수신기에서 수집하고, 수집 된 액상 제품이어서 다른 비점 범위의 분획의 수율을 결정하도록 시뮬레이션 된 증?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 합성 원유를 공급하는 자사의 기술 지원 CanmetENERGY 기술 센터 및 Suncor는 에너지 Inc.의 분석 실험실을 감사드립니다. 이 연구의 일부 자금은 캐나다 천연 자원 및 프로젝트 ID의 A22.015와 에너지 연구 개발 (PERD) 캐나다의 부서 간 프로그램의 정부에 의해 제공되었다. 이순신 장은 그의 자연 과학 및 2016년 1월에서 2015년 1월까지 캐나다 방문 원정대의 공학 연구위원회 (NSERC)을 인정하고 싶습니다.
Materials
| Advanced Cracking Evaluation (ACE) Unit | Kayser Technology Inc. | ACE R+ 46 | Assembled by Zeton Inc. SN:505-46; consisting of (1) a reactor; (2) catalyst addition system; (3) feed delivery system; (4) liquid collection system; (5) gas collection system; (6) gas analyzing system; (7) catalyst regeneration system; (8) CO catalytic convertor; (9) coke analyzing system |
| Reactor (ACE) | Kayser Technology Inc. | V-105 | A 1.6 cm ID stainless steel tube having a tapered conical bottom and with a diluent (nitrogen) flowing from the bottom to fluidize the catalyst and also serve as the stripping gas at the end of the run |
| Catalyst Addition System (ACE) | Kayser Technology Inc. | Six hoppers (V-120F, with respective valves) for addition of catalyst for up to 6 runs | |
| Feed Delivery System (ACE) | Kayser Technology Inc. | Consisting of feed bottle (V-100), syringe (FS-115), pump (P-100), and injector (with 1.125 inch injector height, i.e., the distance from the lowest point of the conical reactor bottom to the bottom end of the feed injector) | |
| Liquid Collection System (ACE) | Kayser Technology Inc. | Six liquid receivers (V-110F) immersed in a common coolant bath (Ethylene glycol/water mixture in 50:50 mass ratio) at about –15 °C in a large tank (V-145) | |
| Gas Collection System (ACE) | Kayser Technology Inc. | Based on water displacement principle; consisting of gas collection vessel (V-150) with a motor-driven stirrer (MTR-100), and a weight scale (WT-100) for weighing the displaced water collected in a beaker (V100) | |
| Gas Analyzing System (ACE) | Kayser Technology Inc. | Key element being Agilent micro GC (model 3000A) with four capillary columns equipped with respective thermal conductivity detectors (TCDs) | |
| Catalyst Regeneration System (ACE) | Kayser Technology Inc. | V-105 | Spent catalyst in reactor being burned in situ in air at +700 °C to ensure complete removal of carbon deposited on the catalyst |
| CO Catalytic Convertor (ACE) | Kayser Technology Inc. | A reactor (V-140) with CuO as catalyst to oxidize any CO and hydrocarbons in exhausted flue gas to CO2 (to be analyzed by IR gas analyzer) and H2O (to be absorbed by a dryer) | |
| Coke Analyzing System (ACE) | Kayser Technology Inc. | Servomex (Model 1440C) IR analyzer for measuring CO2 in exhausted flue gas | |
| R+MM Software Suite | Kayser Technology Inc. | Including iFIX 3.5 | |
| Agilent Micro GC | Agilent Technologies | 3000A | For gas analysis after cracking |
| Cerity Networked Data System | Agilent Technologies | Software for Agilent Micro GC | |
| CO2 Gas Analyser | Servomex Inc. | 1440C | SN: 01440C1C02/2900 |
| NESLAB Refrigerated Bath | Themo Electron Corporation | RTE 740 | SN: 104300061 |
| Orion Sage Syringe Pump | Themo Electron Corporation | M362 | For delivering feed oil to injector tube |
| Synthetic Crude Oil (SCO) | Suncor Energy Inc. | Identified as Suncor OSA 10-4.1 | |
| Catalyst P | Petro-Canada Refinery | Equilibrium catalyst | |
| Balance | Mettler Toledo | AB304-S | For weighing liquid product receivers |
| Balance | Mettler Toledo | XS8001S | For weighing water displaced by gas product |
| Ethylene Glycol | Fisher Scientifc Inc. | CAS 107-21-1 | Mixed with distilled water as coolant (50 v% ) |
| Drierite | W.A. Hammond Drierite Co. Ltd. | 24001 | For water absorption after CO catalytic converter |
| Copper Oxide | LECO Corporation | 501-170 | Catalyst for conversion of CO to CO2 |
| Toluene | Fisher Scientific Co. | CAS 108-88-3 | For cleaning liquid receivers |
| Acetone | Fisher Scientific Co. | CAS 67-64-1 | For cleaning liquid receivers |
| Micro GC Calibration Gas | Air Liquid Canada Inc. | SPG-25MX0015306 | Multicomponent standard gas |
| 19.8% CO2 Standard Gas | BOC Canada Ltd. | 24069890 | For calibration of IR analyzer |
| Argon Gas | Linde Canada ltd. | 24001306 | Grade 5.0 Purity |
| Helium Gas | Linde Canada ltd. | 24001333 | Grade 5.0 Purity |
| Gas analyzer GC Module | Inficon | GCMOD-15 | Channel A |
| Gas analyzer GC Module | Inficon | GCMOD-03 | Channel B |
| Gas analyzer GC Module | Inficon | GCMOD-04 | Channel C |
| Gas analyzer GC Module | Inficon | GCMOD-73 | Channel D |
| HP 6890 GC | Hewlett-Packard Co. | G1530A | For simulated distillation |
| ASTM 2887 Standard Sample | PAC L.P. | 26650.150 | For quality control in simulated distillation |
| ASTM 2887 Standard Sample | PAC L.P. | 25950.200 | For calibration in simulated distillation |
| Column for GC 6890 (simulated distillation) | Agilent Technologies | CP7562 | 10m x 0.53mm x 1.2µm, HP 6890 GC column |
| Liquid Nitrogen | Air Liquid Canada Inc. | SPG-NIT1AC240LC | For use in simulated distillation |
| Nitrogen | Air Liquid Canada Inc. | Bulk (building N2) | For use in ACE unit operation |
| Isotemp Programmable Furnace | Thermo Fisher Scientifc Inc. | 10-750-126 | For calcination of catalyst |
| GC Vials, Crimp Top | Chromatograghic Specialties Inc | C223682C | 2ml, for liquid product |
| Seals, Crimp Top | Chromatograghic Specialties Inc | C221150 | 11 mm, for use with GC vials |
| 4 oz clear Boston round bottles | Fisher Scientific Co. | 02-911-784 | With PE cone lined caps, for use in feed system |
| Sieve | Endecotts Ltd. | 6140269 | Aperture 38 micron |
| Sieve | Endecotts Ltd. | 6146265 | Aperture 250 micron |
| Shaker | Endecotts Ltd. | MIN 2737-11 | Minor-Meinzer 2 Sieve Shaker for catalyst screening |
| V20 Volumetric KF Titrator | Mettler Toledo | 5131025056 | For water content analysis of the liquid product |
| Hydranal Composite 5 | Sigma-Aldrich | 34805-1L-R | Reagent for Karl Fischer titration |
| Methanol (extremely low water grade) | Fisher Scientific Co. | A413-4 | Mixed with toluene (40:60 w/w) for KF titration: also used to recover water in receiver |
| Glass Wool | Fisher Scientific Co. | 11-388 | Placed inside the top of receiver outlet arm |
References
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