Produção Laboratório de Biocombustíveis e Bioquímicos de um óleo de colza por meio de Craqueamento Catalítico Conversão
Summary
Este documento apresenta um método experimental para a produção de biocombustíveis e bioquímicos de óleo de canola misturado com uma ração à base fóssil, na presença de um catalisador a temperaturas amenas. Gasosos, líquidos e produtos sólidos a partir de uma unidade de reacção são quantificados e caracterizados. rendimentos de conversão e de produtos individuais são calculados e comunicados.
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
Há um forte interesse global em ambos os setores público e privado para encontrar meios eficientes e econômicos para produzir combustíveis de transporte de matérias-primas derivadas de biomassa. Este interesse é impulsionada por uma preocupação geral sobre a contribuição substancial da queima de combustíveis fósseis de petróleo para o gás de efeito estufa (GEE) e sua contribuição associada ao aquecimento global. Além disso, há uma forte vontade política na América do Norte e Europa para substituir o petróleo estrangeiro produzida com combustíveis líquidos domésticos renováveis. Em 2008, os biocombustíveis fornecida 1,8% dos combustíveis para transporte 1 do mundo. Em muitos países desenvolvidos, é necessário que os biocombustíveis substituir de 6% a 10% dos combustíveis de petróleo no futuro próximo 2. No Canadá, a regulamentação exige um conteúdo de combustível renovável média de 5% na gasolina a partir 15 de dezembro de 2010 3. A Directiva Energias Renováveis (RED) na Europa também determinou uma meta de energia renovável de 10% para a União Europeia transsetor portuário em 2020 4.
O desafio tem sido desenvolver e demonstrar um caminho economicamente viável para produzir combustíveis de transporte fungíveis a partir de biomassa. fontes biológicas incluem a biomassa à base de triglicéridos, tais como óleos vegetais e gorduras animais, bem como óleo de cozinha usado e biomassa celulósica, como aparas de madeira, resíduos florestais e resíduos agrícolas. Ao longo das últimas duas décadas, a investigação tem-se centrado na avaliação do processamento de óleo derivado de biomassa usando craqueamento catalítico fluido (FCC) 5 convencional – 12, uma tecnologia responsável por produzir a maior parte da gasolina numa refinaria de petróleo. Nossa nova abordagem neste estudo é o óleo de canola para co-processo misturada com matéria-prima de betume de areias petrolíferas derivado. Normalmente, o betume deve ser atualizado antes da refinação, produção de matérias-primas para refinarias, tais como óleo cru sintético (SCO) -este rota de processamento é particularmente de energia intensiva, sendo responsável por 68-78% do GHG emissions a partir da produção SCO 13 e, em 2011, constituindo 2,6% do total das emissões de GEE do Canadá 14. Substituindo uma parte do HGO atualizado com biofeed reduziria as emissões de gases de efeito estufa, uma vez que a produção de biocombustíveis envolve uma pegada de carbono muito menor. O óleo de canola é escolhido neste trabalho, pois é abundante no Canadá e os EUA. Esta matéria-prima possui uma densidade e viscosidade semelhantes aos da HGOs enquanto o conteúdo de enxofre, azoto e metais que possam afectar o desempenho FCC ou a qualidade do produto são desprezáveis. Além disso, esta opção co-processamento oferece vantagens tecnológicas e económicas significativas, uma vez que permitiria a utilização da infra-estrutura refinaria existente e, portanto, exigiria pouco hardware ou modificação da refinaria adicional. Além disso, pode haver uma sinergia potencial que poderia resultar na melhoria da qualidade do produto quando co-processamento de um betume altamente aromáticos alimentar com o seu homólogo da biomassa de cadeia linear. No entanto, a co-transformaçãoenvolve desafios técnicos importantes. Estes incluem as características físicas e químicas únicas de bio-feeds: alto teor de oxigênio, composição rica em parafínico, a compatibilidade com matérias-primas de petróleo, incrustação potenciais, etc.
Este estudo proporciona um protocolo detalhado para a produção de biocombustíveis em escala de laboratório a partir de óleo de canola por meio de craqueamento catalítico. Um sistema totalmente automatizado reação – que se refere este trabalho como a unidade de teste de laboratório (LTU) 15 – é usado para este trabalho Figura 1 mostra esquematicamente como esta unidade opera.. Este LTU tornou-se o padrão da indústria para estudos da FCC laboratório. O objetivo deste estudo é testar a adequação da LTU para quebrar o óleo de canola para produzir combustíveis e produtos químicos com o objetivo de mitigar as emissões de GEE.
Figura 1: illustratio Conceptualn do reator. Ilustração que mostra linhas de fluxo do catalisador, alimentação, produtos e diluente. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
O protocolo aqui descrito utiliza operação cíclica de um único reactor contendo um lote de partículas de catalisador fluidizadas para simular óleo de alimentação de craqueamento e de regeneração do catalisador. O óleo a ser quebrada é pré-aquecido e alimentado a partir do topo através de um injector de tubo com a sua extremidade próxima à parte inferior do leito fluidizado. O vapor gerado depois de craqueamento catalítico é condensado e recolhido num recipiente, e o produto líquido recolhido é subseq…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer ao laboratório de análises do Centro de Tecnologia CanmetENERGY pelo apoio técnico e Suncor Energy Inc. para o fornecimento de petróleo bruto sintético. financiamento parcial para este estudo foi fornecido pelo departamento de Recursos Naturais do Canadá e do governo do Programa de interdepartamental do Canadá de Pesquisas Energéticas e Desenvolvimento (PERD), com A22.015 ID projeto. Yi Zhang gostaria de reconhecer os seus Ciências Naturais e do Conselho de Pesquisa de Engenharia (NSERC) do Canadá Visiting Fellowship de janeiro 2015 a janeiro de 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 |
Riferimenti
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