Bir ThalesNano Sistemi ile Sürekli Akışta Hidroformilasyon Adımından Elde Edilen Ham Karışımın, Değerli Yakıt Katkı Maddelerine Dönüştürülmesi

Giriş

Dünyamızda sınırsız hareketlilik talebinin sürekli artmasıyla birlikte, sürdürülebilir yakıtların geleceği, petrol endüstrisi için önemli bir soru haline gelmiştir. Kataliz ve süreç geliştirme alanındaki önemli gelişmeler, CO2 emisyonlarını büyük ölçüde azaltma imkânı sağlayan, özel olarak tasarlanmış sentetik yakıtların tasarlanmasının önünü açmıştır.

Bu uygulama notunda yer alan çalışmada, Dr. Andreas Vorholt’in grubunun, Fischer-Tropsch sürecinden elde edilen olefin kesitlerinin hidroformilasyonu ve sürekli akışta hidrojenasyonu için tasarladığı bir sistem tanıtılmaktadır. Bu sistem, biyolojik kaynaklı alkol üretimini sağlamakta ve daha iyi özelliklere sahip bir dizel karışımı elde etmeye yönelik kullanılmaktadır.

Enstürmasyon ve Güvenlik Hususları

Araştırma grubunun geliştirdiği sentetik süreçte, yakıt üretimi için sistemin uygulanabilirliğini belirlemek amacıyla sürekli akışta heterojen katalitik hidrojenasyon adımı gerçekleştirilmiştir. Hidrojen gazı, H-Cube® Pro kullanılarak yerinde üretilmiş ve Phoenix Flow Reactor, akış hattına entegre edilerek parametre kapsamının genişletilmesine ve katalitik dönüşümün ölçeklendirilmesine olanak tanınmıştır.

Laboratuvarlarda hidrojen silindirlerinin kullanımına bağlı riskler ortadan kaldıran H-Cube® Pro, suyu kullanarak talep üzerine hidrojen üreten iki entegre elektrolitik hücreye sahip, tüm-in-bir sentetik bir platformdur. Bu sistem, sıvıları akış hattından 100 bar basınca kadar taşıyan bir HPLC pompası kullanır. Entegre gaz-sıvı karıştırıcı sayesinde, cihaz H2 ve sıvı fazdan homojen bir karışım oluşturur.

H-Cube® Pro, 70 mm ve 30 mm CatCarts®’i destekleyebilir ve 10°C ile 150°C arasındaki sıcaklıklarda heterojen katalitik reaksiyonlar gerçekleştirebilirken, Phoenix Flow Reactor, metal-metal sızdırmaz kartuşlarla (MMS kolonları) donatıldığında 450°C’ye kadar kullanılabilir. Vorholt grubu, cihazların modülerliğinden faydalanarak, H-Cube® Pro’ya bir Phoenix Flow Reactor bağlayarak akış sistemlerinin sıcaklık ve katalizör kolon kapsamını genişletmeyi tercih etmiştir.

Bu ekleme ile grubun reaktör platformunun sıcaklık aralığı 450°C’ye kadar genişletildi ve daha büyük MMS katalizör kolonları, daha yüksek debili reaksiyon optimizasyonu için kolayca takılabilecek hale geldi. CatCarts®’ler, aktif katalizörlerle doğrudan temas gerektirmediği için kullanım kolaylığı ve güvenlik göz önünde bulundurularak tasarlanmıştır; bu nedenle, Raney Nikel katalizörünün piroforik doğası özel güvenlik önlemleri gerektirmez.

Akış hattının sonunda ayrı bir geri basınç valfi takmaya gerek kalmadan, H-Cube® Pro’nun entegre geri basınç düzenleyicisi, sistemdeki reaksiyon basıncını rahatça oluşturabilir ve sürdürebilir. H-Cube® Pro – Phoenix Flow Reactor sistemi, H-Cube®’un entegre dokunmatik ekranı aracılığıyla işletilir ve izlenir. Katalizör yatağının önünde ve sonrasında bulunan entegre basınç sensörleri, reaksiyon ve sistem kararlılığı hakkında gerçek zamanlı faydalı bilgiler sağlar.

Bir H-Genie® hidrojen jeneratörü, Phoenix Flow reaktörü, Basınç Modülü ve Karıştırıcı Modülü ile entegre edilerek, H-Cube® Pro’nun hidrojen üretimi, sistemin debi kapasitesini sınırlamaz ve kilogram/gün debi oranına kadar ölçek artırma deneylerinin yapılmasına olanak tanır. Bu konfigürasyonda, H-Genie® reaktöre, harici gaz kaynakları kullanmadan, 100 bar basınçta 1000 NmL/dakika saf %99.99 H2 sağlar.

Tartışma ve Sonuç

Vorholt grubunun süreci, başlangıç materyali olarak çeşitli zincir uzunluklarına sahip parafinler ve olefinlerin (1) bulunduğu bir Fischer-Tropsch karışımını kullanmıştır. Başarılı bir hidroformilasyon çalışması, sürekli karıştırılan tank reaktörü kurulumu ile gerçekleştirilmiştir. Bu adımın detayları orijinal makalede sunulmuştur3 ve aldehit karışımları 2 ve 3 elde edilmiştir. Yüksek kaliteli alkol bazlı yakıt katkı maddeleri 4 ve 5 üretme nihai hedefini başarmak için, ham hidroformilasyon ürünü karışımı, herhangi bir ara saflaştırma işlemine tabi tutulmadan doğrudan ThalesNano sürekli akış hidrojene etme sistemine (Şekil 2) verilmiştir; bu sistem, H-Cube® Pro ve Phoenix Flow Reaktöründen oluşmaktadır.

Şekil 1: Vorholt deneylerinin reaksiyon şeması

Tüm C=O ve C=C bağlarının tam hidrojenasyonu, olefin ve aldehit içermeyen bir karışım elde etmek için gereklidir. Bunun için bir Raney Nikel CatCart® kullanılmıştır. Hidrojenasyon stabilitesinin ve teknolojik sağlamlığının iyi bir göstergesi, aynı CatCart®’ın 10 saatten fazla süreyle birçok deneyde kullanılmasıdır. 50°C’deki ilk deneylerde (WHSV=26.6 h-1) kısmi dönüşüm elde edilmiştir – geriye kalan alkenlerin yaklaşık %60’ının olefin doygunluğuna ulaşılması ve aldehitlerin %30’unun karşılık gelen alkole dönüşmesi sağlanmıştır.

Sonraki hidrojenasyon adımı, 100°C’de ve daha yavaş bir besleme hacmiyle (WHSV=13.3 h-1) gerçekleştirilmiştir ve tüm karbon zincir uzunlukları için kantitatif dönüşüm elde edilmiştir. Hem olefin hem de aldehit dönüşümü %99’un üzerine çıkmıştır. Ürün ayırma işleminden sonra, yakıt katkı maddesi olarak kullanılma potansiyeli yüksek istenen alkol karışımı elde edilebilmiştir.

Şekil 2: Aldehitler 2 ve 3’ün sürekli akış hidrojenasyonu için platform kurulumu

Özet ve Sonuç

Vorholt grubunun çalışması, alkol bazlı yakıt katkı maddeleri alanında süreç geliştirme üzerine çalışan kimyagerler ve mühendisler için büyük bir anlayış sunmaktadır. Grubun sonuçları, ThalesNano enstrümanlarının petrokimya süreç geliştirmeye entegrasyonunun yeteneklerini ve uygulanabilirliğini ve sürekli akış kimyasının optimizasyon, ölçeklenebilirlik ve hızlandırılmış reaksiyon hızları açısından sağladığı faydaları göstermektedir.

Kaynak: ThalesNano