Laboratorium produktionen av biobränslen och biokemikalier från en rapsolja genom katalytisk krackning Conversion
Summary
Detta dokument utgör en experimentell metod för att producera biobränslen och biokemikalier från rapsolja blandat med ett fossilbaserat foder i närvaro av en katalysator vid milda temperaturer. Gasformiga, flytande och fasta produkter från en reaktionsenhet kvantifieras och karakteriseras. Konvertering och individuella produktutbyten beräknas och redovisas.
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
Det finns ett starkt globalt intresse inom både den privata och offentliga sektorn för att hitta effektiva och ekonomiska medel för att producera drivmedel från biomassa härrörande råvaror. Detta intresse drivs av en allmän oro över den betydande bidrag att bränna petroleum fossila bränslen till växthusgaser (GHG) och dess tillhörande bidrag till den globala uppvärmningen. Det finns också en stark politisk vilja i Nordamerika och Europa för att förskjuta utländsk producerade petroleum med förnybara inhemska bränslen. År 2008, biobränslen förutsatt 1,8% av världens drivmedel 1. I många utvecklade länder, krävs det att biobränslen ersätter från 6% till 10% av petroleumbränslen inom en snar framtid 2. I Kanada, föreskrifter kräver en genomsnittlig halt förnybart bränsle av 5% i bensin börjar December 15, 2010 3. I direktivet om förnybar energi (RED) i Europa har också låtit genomföra en 10% mål för förnybar energi för EU transhamnsektorn 2020 4.
Utmaningen har varit att utveckla och demonstrera en livskraftig ekonomisk väg att producera utbytbara drivmedel från biomassa. Biologiska källor inkluderar triglycerider baserade biomassa såsom vegetabiliska oljor och animaliska fetter, samt avfall matolja och cellulosa biomassa såsom träflis, skogsavfall och jordbruksrester. Under de senaste två decennierna har forskning fokuserat på utvärderingen av biomassa härrörande olja bearbetnings med användning av konventionell fluidiserad katalytisk krackning (FCC) 5-12, en teknik för den största delen av bensin i ett petroleumraffinaderi. Vår nya strategi i denna studie är att samarbeta processen rapsolja blandat med oljesand bitumen härrörande råmaterial. Normalt måste bitumen uppgraderas före raffinering, producera raffinaderi som syntetisk råolja (SCO) -detta bearbetningsvägen är särskilt energikrävande, som står för 68-78% av växthusgaser emissions från SCO produktion 13 och under 2011, utgör 2,6% av Kanadas totala utsläppen av växthusgaser 14. Att ersätta en del av uppgraderad HGO med biofeed skulle minska utsläppen av växthusgaser, eftersom produktionen av biobränslen innebär en betydligt mindre klimatpåverkan. Canolaolja väljs i detta arbete eftersom det är rikligt förekommande i Kanada och USA. Detta matarmaterial besitter en densitet och viskositet som liknar dem av HGOs medan innehållet av svavel, kväve och metaller som kan påverka FCC prestanda eller produktkvaliteten är försumbara. Dessutom erbjuder denna samkörning alternativ betydande tekniska och ekonomiska fördelar eftersom det skulle möjliggöra utnyttjande av befintlig raffinaderi infrastruktur och därmed skulle kräva lite extra hårdvara eller modifiering av raffinaderiet. Dessutom kan det finnas potential synergieffekter som kan leda till kvalitetsförbättring produkten vid samkörning en högaromatiska bitumen foder med sin raka biomassa motsvarighet. Men samkörninginnebär viktiga tekniska utmaningar. Dessa inkluderar de unika fysiska och kemiska egenskaperna hos bio-flöden: hög syrehalt, paraffinrika sammansättning, kompatibilitet med petroleumutgångsmaterial, nedsmutsning potential osv
Denna studie ger ett detaljerat protokoll för produktion av biobränslen i laboratorieskala från rapsolja genom katalytisk krackning. En helautomatisk reaktionssystem – som avses i detta arbete som laboratorietestenheten (LTU) 15 – används för detta arbete Figur 1 visar schematiskt hur denna enhet fungerar.. Denna LTU har blivit branschstandard för laboratorie FCC studier. Syftet med denna studie är att testa lämpligheten av LTU för sprickbildning rapsolja för att producera drivmedel och kemikalier med målet att minska utsläppen av växthusgaser.
Figur 1: Begrepps illustration av reaktorn. Bild som visar flödeslinjer i katalysatorn, foder, produkt och lösningsmedel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollet som beskrivs här utnyttjar cyklisk drift av en enda reaktor innehållande en sats av fluidiserade katalysatorpartiklar för att simulera foder olja sprickbildning och katalysatorregenerering. Den olja som skall krackas förvärms och matas från toppen genom en injektor rör vars spets nära botten av den fluidiserade bädden. Ångan genereras efter katalytisk krackning kondenseras och uppsamlas i en mottagare, och den vätskeformiga produkten uppsamlades därefter analyseras för simulerad destillation fö…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka analyslaboratorium i CanmetENERGY Tekniskt Centrum för teknisk support och Suncor Energy Inc. för att leverera den syntetiska råolja. Delfinansiering för denna studie tillhandahölls av Natural Resources Canada och Kanadas regering har övergripande program för energi forskning och utveckling (perd) med projekt ID A22.015. Yi Zhang vill erkänna sina naturvetenskaplig och teknisk forskning Council (NSERC) Kanadas Besök gemenskap från januari 2015 till januari 2016.
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
- Bringezu, S., et al. Towards Sustainable Production and Use of Resources – Assessing Biofuels. United Nations Environment Programme. , (2009).
- Sheehan, J., Camobresco, V., Duffield, J., Graboski, M., Shapouri, H. Life cycle inventory for biodiesel and petroleum diesel for use in an urban bus. National Renewable Energy Laboratory Report. , (1998).
- . Renewable Fuels Regulations. Canada Gazette Part II. 144 (18), 1614-1740 (2010).
- . Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council of 23 April 2009 on the promotion of the use of energy from renewable sources and amending and subsequently repealing Directives 2001/77/EC and 2003/30/EC (Text with EEA relevance). Official Journal of the European Union. 140, 16-62 (2009).
- Al-Sabawi, M., Chen, J., Ng, S. Fluid catalytic cracking of biomass-derived oils and their blends with petroleum feedstocks: A Review. Energy Fuels. 26 (9), 5355-5372 (2012).
- Dupain, X., Costa, D. J., Schaverien, C. J., Makkee, M., Moulijn, J. A. Cracking of a rapeseed vegetable oil under realistic FCC conditions. Appl. Catal. B: Environ. 72 (1-2), 44-61 (2007).
- Tian, H., Li, C., Yang, C., Shan, H. Alternative processing technology for converting vegetable oils and animal fats to clean fuels and light olefins. Chin J Chem Eng. 16 (3), 394-400 (2008).
- Melero, J. A., Clavero, M. M., Calleja, G., Garcia, A., Miravalles, R., Galindo, T. Production of bio-fuels via the catalytic cracking of mixtures of crude vegetable oils and nonedible animal fats with vacuum gas oil. Energy Fuels. 24 (1), 707-717 (2010).
- Bielansky, P., Reichhold, A., Schönberger, C. Catalytic cracking of rapeseed oil to high octane gasoline and olefins. Chem Eng Process. 49 (8), 873-880 (2010).
- Ng, S. H., Shi, Y., Ding, L., Chen, S. Catalytic cracking of a rapeseed oil for production of transportation fuels and chemicals: Yield structure. 2010 AIChE Annual Meeting. , (2010).
- Bielansky, P., Weinert, A., Schönberger, C., Reichhold, A. Catalytic conversion of vegetable oils in a continuous FCC pilot plant. Fuel Process Technol. 92 (12), 2305-2311 (2011).
- Ng, S. H., Lay, C., Bhatt, S., Freel, B., Graham, R. Upgrading of biomass-derived liquid to clean fuels. 2012 AIChE Annual Meeting. , (2012).
- Ordorica-Garcia, G., Croiset, E., Douglas, P., Elkamel, A., Gupta, M. Modeling the energy demands and greenhouse gas emissions of the Canadian oil sands industry. Energy Fuels. 21 (4), 2098-2111 (2007).
- . . Canada’s Emission Trends. , (2013).
- Kayser, J. C. Versatile fluidized bed reactor. US Patent. , (2000).
- . . ACE Operating Manual: PID Drawing No. R+ 101 and 102. , (2007).
- . . System Manual: ACE – Model R+. , (2007).
- . . ASTM D2887-15 Standard test method for boiling range distribution of petroleum fractions by gas chromatography. , (2015).
- . . AASTM D4377-00 Standard test method for water in crude oils by potentiometric Karl Fischer titration. , (2015).
- Ng, S. H., et al. FCC coprocessing oil sands heavy gas oil and canola oil. 1. Yield structure. Fuel. 156, 163-176 (2015).
- Cox, J. D., Wagman, D. D., Medvedev, V. A. . CODATA Key values for thermodynamics. , (1984).
- Ng, S. H., et al. FCC study of Canadian oil-sands derived vacuum gas oils. 1. Feed and catalyst effects on yield structure. Energy Fuels. 16 (5), 1196-1208 (2002).
- Ng, S. H., Dabros, T., Humphries, A. Fluid catalytic cracking quality improvement of bitumen after paraffinic froth treatment. Energy Fuels. 21 (3), 1432-1441 (2007).
- Scherzer, J., Magee, J. S., Mitchell, M. M. Chapter 5, Correlation between catalyst formulation and catalytic properties. Fluid Catalytic Cracking: Science and Technology. , 145-182 (1993).
- Fisher, I. P. Effect of feedstock variability on catalytic cracking yields. Appl. Catal. 65 (2), 189-210 (1990).
- Ng, S. H., et al. Study of Canadian FCC feeds from various origins and treatments. 1. Ranking of feedstocks based on feed quality and product distribution. Energy Fuels. 18 (1), 160-171 (2004).
- Ng, S. H., et al. Study of Canadian FCC feeds from various origins and treatments. 2. Some specific cracking characteristics and comparisons of product yields and qualities between a riser reactor and a MAT unit. Energy Fuels. 18 (1), 172-187 (2004).
- Ng, S. H., et al. Key observations from a comprehensive FCC study on Canadian heavy gas oils from various origins. 1. Yield profiles in batch reactors. Fuel Process Technol. 87 (6), 475-485 (2006).
- Scherzer, J. Octane-enhancing zeolitic FCC catalysts: Scientific and technical aspects. Catalysis Reviews: Science and Engineering. 31 (3), 215-354 (1989).
- . . ASTM D7964/D7964M-14 Standard test method for determining activity of fluid catalytic cracking (FCC) catalysts in a fluidized bed. , (2014).
- . . ASTM D5154-10 Standard test method for determining activity and selectivity of fluid catalytic cracking (FCC) catalysts by Microactivity test. , (2010).
- Moorehead, E. L., McLean, J. B., Cronkright, W. A., Magee, J. S., Mitchell, M. M. Chapter 7, Microactivity evaluation of FCC catalysts in the laboratory: Principles, approaches and applications. Fluid Catalytic Cracking: Science and Technology. , 223-255 (1993).
- Rawlence, D. J., Gosling, K. FCC catalyst performance evaluation. Appl. Catal. 43 (2), 213-237 (1988).
