Table of Contents
مقدمه: مسیر بحرانی از آزمایشگاه به کاتالیز صنعتی
فرآیندهای کاتالیزور ناهمگن غالب بر اکثریت تولید شیمیایی، از سنتز آمونیاک و پالایش نفت به تمیز کردن محیط زیست و تولید سوخت تجدید پذیر، در حالی که کشف یک کاتالیزور امیدوار کننده در آزمایشگاه یک گام اول ضروری است، سفر به یک فرایند صنعتی پایدار با هدف تجزیه و تحلیل راه حل های تجاری با پیچیدگی است.
چالش های اساسی در مقیاس
محدودیت های حمل و نقل و عدم توسعه
در راکتورهای آزمایشگاهی، ذرات کاتالیزور معمولاً کوچک و حساس هستند[۱] پایین نگه می دارند تا دمای و شیب های غلظت را به حداقل برسانند.[۳] در مقیاس مرکزی، تخت های کاتالیزور می توانند عمق متر را داشته باشند، که منجر به شیب های قابل توجه شعاعی و محوری می شود.[۱۰] اگر ذرات مایل به انتقال گاز حرارتی باشند، حتی ممکن است باعث کاهش مقادیر زیاد شود.
کاتالیزور در مقیاس
مکانیسم های غیر فعال سازی مشاهده شده در تست های کوچک اغلب سرعت غیر قابل پیش بینی در راکتورهای بزرگ را تسریع می کنند.[۱۰] تفسیر ذرات فعال فلزی با شیب های درجه حرارت و زمان طولانی مدت نگهداری از عمر سخت شتاب می گیرد؛ Poaceing با ردیابی ناخالصی ها در خوراک کاتالیزور صنعتی (به عنوان مثال بازسازی کربن، کاهش سریع، می تواند از ثبات کارخانه جلوگیری کند.
مدیریت گرما: تنگنا برای واکنش های بیرونی
بسیاری از کاتالیزورهای ناهمگن صنعتی در واکنش های بسیار بیرونی درگیر هستند. حذف حرارت کنترل شده نه تنها یک نگرانی ایمنی است، بلکه به طور مستقیم بر کیفیت محصول تاثیر می گذارد، در راکتورهای ثابت، نقاط داغ می توانند منجر به افزایش دمای کنترل نشده شوند، و باعث می شود که کاتالیزور با استفاده از تخت های متعدد با استفاده از راکتورهای حرارتی، و تعویض دقیق، عملیات های حرارتی (مانند جایگزینی مایع، و یا جریان های حرارتی) است.
مهندسی و اقتصادی هادلس
طراحی Reactor برای رفتار غیر معامله ای
راکتورهای آزمایشگاهی اغلب تحت شرایط تقریباً ایزوترمال و تفاوت عمل می کنند، مدل سازی خویشاوندی (PLT2) را به طور قابل توجهی از ایده آل بودن منحرف می کنند. Axial Dis ، و رفتار غیر کاناله و مناطق مرده [F:5:2] مطالعات می تواند شبیه سازی اولیه را پیش بینی کند (معمولاً باید از این ذرات غیر مولد استفاده کنند.
هزینه های سرمایه و عملیاتی
حتی یک کاتالیزور بسیار فعال و انتخابی ممکن است به صورت تجاری دوام نیاورد اگر سیستم راکتور یا پردازش کم جریان بسیار گران باشد. سازنده کاتالیزور - به ویژه برای فلزات یا مسیرهای پیچیده نانوساختار یافته - باید در برابر مزایای عملکرد وزن شود. [F:2. [FLT3] چرخه های بازسازی و جایگزینی برای تجزیه و تحلیل کلی انرژی ضروری است.
فرصت های تحول پذیر
طراحی پیشرفته کاتالیزور: از نانوساختارها تا کاتالیزورهای تک دروم
پیشرفت های اخیر در علوم مواد مرزهای جدید را برای مقیاس پذیری باز کرده است. [FLT] کاتالیزورهای ساختار یافته با نسبت سطح بالا به حجم بالا و در معرض توده های فعال می توانند به طور چشمگیری فعالیت های قابل توجه و انتخاب را افزایش دهند. [F:2] کاتالیزورهای اتم [F:3]
تکنولوژی های Reactor
نوآوری های Reactor یک اهرم قدرتمند برای موانع مقیاس بالا است.[۱] [FLT: ۰] میکروکنکنش کنندگان و millichannel] راکتورهای حمل و نقل ساده تر را به عنوان نسبت های سطح بالا -areato-volume کاتالیزور در حالی که برای تمام فرآیندهای بزرگ مناسب نیست (Flurmtructed راکتورها) می توانند به جای استفاده از سوختهای انتقال سریع (۵)
فرآیند تقویت: Compact، کارآمد و ایمن تر
فرآیند تقویت (PI) با هدف کاهش اندازه تجهیزات، مصرف انرژی و زباله در حال ظهور است، PI می تواند شامل (FLT:0reactive تقطیر ، و راکتورهای مقیاسی (FLT6) باشد.[۳] یا عملیات تقطیر فعال [FLT]، و به طور بالقوه می تواند به کاهش بسیاری از راکتورهای متغیر (F6bchanger2، و یا به طور بالقوه، به طور مستقیم، به طور مستقیم، به سرعت در حال تغییر، به سرعت در راکتورهای واحد پردازش الکترونی.
مدل سازی محاسباتی و یادگیری ماشین
چالش مقیاس به طور فزاینده ای از طریق دینامیک مایع محاسباتی (CFD)، روش عنصر گسسته ، شبیه سازی های زمان پردازش و (FLT:LT:4 چند مدل سازی [F:5] این ابزار اجازه می دهد تا مهندسان پیش بینی الگوهای جریان، و نظارت بر راکتورهای محاسباتی گسترده از روند عملکرد بزرگ؛ و [F6] سیستم های کوچک سازی سیستم های کوچک سازی.
پایداری و اثرات زیست محیطی
همچنین باید با اهداف زیست محیطی هماهنگ شود.[۱۰] حلال سبزتر[۱۰] [FLT: ۲] .biomass مشتق شده از خوراک دی اکسیده]؛ و فرآیندهای مقیاس کربن کوچک (FLT: ۴٫۴) فرایندهای مقیاس پایین (F:۵) به طور یکپارچه به طرح های مقیاس مقیاس مقیاس یابی شده (F6C) و کاهش بهره برداری از مواد شیمیایی (یک فرصت) وابسته به استفاده از مواد شیمیایی) است.
نتیجه گیری: حذف تقسیم مقیاس
مقیاس کردن فرآیندهای ناهمگنانه یک چالش چند بعدی است که خواستار ادغام شیمی بنیادی، پدیده های حمل و نقل، مهندسی راکتور و تجزیه و تحلیل اقتصادی است. موانع - محدودیت های حمل و نقل، غیرفعال کردن، مدیریت گرما و هزینه - بسیار نیرومند اما نه قابل تحمل است. فرصت ها - کاتالیزورهای پیشرفته، راکتورهای نوآورانه، فرایند در ساخت و محاسبات طولانی - بهترین چشم انداز سریع و کارآمد است که به سیستم های پیشرفته تر تبدیل می شود.
منابع مرتبط: برای بررسی جامع مکانیسم های فعال سازی کاتالیزور، این مقاله اخیر در Catalysis A را ببینید، برای یک مرور کلی از فرایند تشدید واکنش های جامد گازی، مشورت کنید Industrial and Engineering Research [F3] [F3] برای بینش در مورد کاتالیزورهای تک اتم برای کاربردهای صنعتی [F4]