Los expertos han demostrado la importancia de los catalizadores de zeolita en el campo de la química a través de muchos experimentos.
La conversión de metanol a olefinas (MTO) es una de las reacciones más importantes en la química C1 y ha demostrado ser la ruta industrial no petroquímica más exitosa para producir olefinas ligeras.
El Instituto de Física Química de Dalian (DICP) de la Academia de Ciencias de China lleva cuarenta años trabajando en la investigación y el desarrollo de la reacción MTO. En 2009, la tecnología MTO de Dalian (DMTO), el primer dispositivo MTO del mundo, se completó y se puso en funcionamiento en China. Desde 2010, Dalian Chemical continúa desarrollando procesos DMTO de tercera generación (DMTO-II y DMTO-III) a través de una innovación tecnológica más efectiva. Por lo tanto, MTO se ha convertido en una de las rutas importantes para la producción de etileno y propileno en China.
Establecer un conocimiento completo de la difusión dinámica multiescala y los procesos de reacción es crucial para la catálisis selectiva de forma de zeolita y se necesita con urgencia en la academia y la industria, especialmente para la conversión de MTO de catálisis de zeolita. Hasta ahora, la difusión y reacción de MTO y DTO (dimetil éter a olefinas) generalmente se han trabajado por separado y se enfocaron en una sola escala. La autocatálisis dinámica de MTO complica aún más la reacción y la difusión en la reacción de MTO. Descubrir los efectos de interacción dinámica de la difusión y la reacción en materiales catalizadores de zeolita MTO dependientes del tiempo a múltiples escalas es un desafío pero imperativo.
Tecnología de diafonía dinámica multiescala de catalizadores de zeolita en la reacción de metanol a olefinas
En el estudio publicado recientemente en National Science Review, el equipo de investigación dirigido por el Prof. LIU Zhongmin y WEI Yingxu (del Laboratorio Nacional de Ingeniería para Metanol a Olefinas, DICP, CAS) reveló el comportamiento dinámico de diafonía multiescala y el mecanismo entre materiales dependientes del tiempo. , efecto sobre la difusión y la reacción de conversión de metanol y dimetil éter catalizada por SAPO-34.
Informaron que la dinámica de las reacciones de DTO (en relación con MTO) está claramente regulada por la diafonía del material de reacción de difusión, incluso cuando se lleva a cabo en el mismo material de zeolita sintética y está muy cerca de los mecanismos de la piscina de hidrocarburos. Por un lado, el material SAPO-34 de tipo cavidad evoluciona dinámicamente con el tiempo desde el inicio hasta el decaimiento de la reacción MTO autocatalítica debido a la modificación de compuestos orgánicos confinados. Por otro lado, los materiales dependientes del tiempo a su vez generan catálisis a través de la evolución dinámica de la difusión y las reacciones. Esta diafonía dinámica dependiente del tiempo entre los materiales y las reacciones se produce desde la escala del lecho del catalizador hasta el cristal del catalizador y las escalas de la cavidad del CHA.
El comportamiento y el mecanismo de diafonía multiescala se originan en la selectividad de la forma del reactivo de los materiales catalizadores de zeolita cuando la reacción dinámica continua de MTO y DTO. En comparación con el metanol, la transferencia de masa de DME está limitada en el aditivo de zeolita SAPO-34 porque su barrera de alta energía de permeabilidad superficial y difusividad intragranular dificulta la penetración de la superficie exterior y el salto intercavitario de DME. La transferencia de masa restringida de DME alarga la zona de acción de DTO en el lecho del catalizador, pero también conduce a un potencial químico local más bajo de los reactivos, lo que da como resultado una cinética de reacción moderada y un coque más pesado en el microambiente del catalizador local.
Esta diafonía del material de reacción de difusión que se produce a escala microscópica en la cavidad del CHA desencadena comportamientos de diafonía a múltiples escalas: (i) el interior del cristal del catalizador todavía es accesible para una porción considerable de DME en la última etapa de la reacción, manteniendo la rotación de alta capacidad de DME, y (ii) en última instancia conducen a un patrón de reacción y desactivación relativamente suave y homogéneo, así como a una mayor eficiencia de utilización del catalizador.
En contraste, la conversión de metanol presenta una reacción heterogénea capa por capa y un modo de desactivación, mientras que el alto potencial químico local del metanol hace que la reacción mejorada y la desactivación se concentren en el exterior del cristal del catalizador, convirtiéndose en la principal región efectiva. La característica de la reacción DTO presentada en este caso, la cinética de reacción moderadamente desarrollada y la deposición de coque suprimida implican la posibilidad de realizar la operación a largo plazo del proceso DTO de lecho fijo.
Catalizadores de zeolita no solo incorporan la característica de reacción de la catálisis heterogénea, sino que también proporcionan una cinética de reacción local mejorada, moderada o suprimida a través de un microambiente catalítico especial, lo que da como resultado una difusión multiescala y reacciones heterogéneas, logrando así una catálisis selectiva de forma y eficiente. Para reacciones dinámicas específicas catalizadas por materiales de zeolita, lograr la sinergia espaciotemporal óptima de materiales, difusión y reacciones es la clave más importante para optimizar el procesamiento del catalizador y el desarrollo continuo.