A comparative study of N2O conversion to N-2 over Co/AC and Cu/AC catalysts

Catalytic conversion of N2O to N-2 over Cu- and Co-impregnated activated carbon catalysts (Cu/AC and Co/AC) was investigated. Catalytic activity measurements were carried out in a fixed-bed flow reactor at atmospheric pressure. The catalysts were characterized by N-2 adsorption, X-ray diffraction (XRD) and thermogravimetric analysis (TGA). This study aimed to provide insights into the following aspects: the metal dispersion, changes in pore structure, influence of catalyst loading on reaction, and reaction mechanism. Increasing loading of Co or Cu led to decreasing dispersion, but 20 wt % loading was an upper limit for optimal activities in both cases, with too high loading causing sintering of metal. Co exhibited a relatively better dispersion than Cu. Impregnation of metal led to a large decrease in surface area and pore volume, especially for 30 wt % of loading. 20 wt % of loading has proved to be the optimum for both Cu and Co, which shows the highest activity. Both N2O-Co/AC and -Cu/AC reactions are based upon a redox mechanism, but the former is limited by the oxygen transfer from catalysts to carbon, while N2O chemisorption on the surface of Cu catalyst controls the latter. The removal of oxygen from cobalt promotes the activity of Co/AC, but it is beneficial for Cu/AC to keep plenty of oxygen to maintain the intermediate oxidation of copper-Cu1+. The different nature of the two catalysts and their catalytic reaction mechanisms are closely related to their different electronegativities.

Effects of acid treatments of carbon on N2O and NO reduction by carbon-supported copper catalysts

The influences of HCl, HNO3 and HF treatments of carbon on N2O and NO reduction with 20 wt% Cu-loaded activated carbon were studied. The order of activity in both N2O and NO is as follows: Cu20/AC-HNO3>Cu20/AC>Cu20/AC-HF>Cu20/AC-HCl. The same sequence was also observed for the amount of CO2 evolved during TPD experiments of supports acid for the catalyst dispersion. On the other hand, N2O exhibited a higher reaction rate than NO and a higher sensitivity to acid treatments, and the presence of gas-phase O-2 had opposite effects in N2O and NO reduction. The key role of carbon surface chemistry is examined to rationalize these findings and the relevant mechanistic and practical implications are discussed. The effects of oxygen surface groups on the pore structure of supports and catalysts are also analyzed, (C) 2000 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Methods for effective fluidization of particulate food materials

Depending on the size and shape of the materials, methods employed to achieve effective fluidization during fluid bed drying varies from use of simple hole distributors for small, light weight materials to special techniques for lager and/or moist materials. This paper reviews common air distributors used in fluidized bed drying of food particulates. Also it reviews special methods of fluidizing larger irregular food particulates.

A generalised dynamic model for char particle gasification with structure evolution and peripheral fragmentation

A generalised model for the prediction of single char particle gasification dynamics, accounting for multi-component mass transfer with chemical reaction, heat transfer, as well as structure evolution and peripheral fragmentation is developed in this paper. Maxwell-Stefan analysis is uniquely applied to both micro and macropores within the framework of the dusty-gas model to account for the bidisperse nature of the char, which differs significantly from the conventional models that are based on a single pore type. The peripheral fragmentation and random-pore correlation incorporated into the model enable prediction of structure/reactivity relationships. The occurrence of chemical reaction within the boundary layer reported by Biggs and Agarwal (Chem. Eng. Sci. 52 (1997) 941) has been confirmed through an analysis of CO/CO2 product ratio obtained from model simulations. However, it is also quantitatively observed that the significance of boundary layer reaction reduces notably with the reduction of oxygen concentration in the flue gas, operational pressure and film thickness. Computations have also shown that in the presence of diffusional gradients peripheral fragmentation occurs in the early stages on the surface, after which conversion quickens significantly due to small particle size. Results of the early commencement of peripheral fragmentation at relatively low overall conversion obtained from a large number of simulations agree well with experimental observations reported by Feng and Bhatia (Energy & Fuels 14 (2000) 297). Comprehensive analysis of simulation results is carried out based on well accepted physical principles to rationalise model prediction. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. AH rights reserved.

Role of oxygen in the nitrous oxide/carbon reaction

An investigation of the role of oxygen in the nitrous oxide/carbon reaction was carried out on various carbon samples (both graphitic and nongraphitic) over a range of temperatures and partial pressures. Previous work reported that oxygen strongly inhibited the nitrous oxide/carbon reaction. Large ratios of O-2/N2O were used in all previous work. In this work, the O-2/N2O ratio was kept below 1, and we found that oxygen did not inhibit the rate of the C + N2O reaction. Instead, the rate of the reaction in the presence of oxygen was essentially that predicted by the two independent reactions, nitrous oxide/carbon and oxygen/carbon, occurring simultaneously. A simple theoretical explanation is given for the observations, both past and present, on the basis of competitive chemisorption of nitrous oxide and oxygen on active sites.

Low-Carbon Cement with Waste Oil-Cracking Catalyst Incorporation

The present paper shows preliminary results of an ongoing project which one of the goals is to investigate the viability of using waste FCC catalyst (wFCC), originated from Portuguese oil refinery, to produce low carbon blended cements. For this purpose, four blended cements were produced by substituting cement CEM I 42.5R up to 20% (w/w) by waste FCC catalyst. Initial and final setting times, consistency of standard paste, soundness and compressive strengths after 2, 7 and 28 days were measured. It was observed that the wFCC blended cements developed similar strength, at 28 days, compared to the reference cement, CEM I 42.5R. Moreover, cements with waste FCC catalyst incorporation up to 15% w/w meet European Standard EN 197-1 specifications for CEM II/A type cement, in the 42.5R strength class.

Dimensionamento de um secador em leito fluidizado para secagem de cereais

O objectivo desta tese é dimensionar um secador em leito fluidizado para secagem de cereais, nomeadamente, secagem de sementes de trigo. Inicialmente determinaram-se as condições de hidrodinâmica (velocidade de fluidização, TDH, condições mínimas de “slugging”, expansão do leito, dimensionamento do distribuidor e queda de pressão). Com as condições de hidrodinâmica definidas, foi possível estimar as dimensões físicas do secador. Neste ponto, foram realizados estudos relativamente à cinética da secagem e à própria secagem. Foi também estudado o transporte pneumático das sementes. Deste modo, determinaram-se as velocidades necessárias ao transporte pneumático e respectivas quedas de pressão. Por fim, foi realizada uma análise custos para que se soubesse o custo deste sistema de secagem. O estudo da secagem foi feito para uma temperatura de operação de 50ºC, tendo a ressalva que no limite se poderia trabalhar com 60ºC. A velocidade de operação é de 2,43 m/s, a altura do leito fixo é de 0,4 m, a qual sofre uma expansão durante a fluidização, assumindo o valor de 0,79 m. O valor do TDH obtido foi de 1,97 m, que somado à expansão do leito permite obter uma altura total da coluna de 2,76 m. A altura do leito fixo permite retirar o valor do diâmetro que é de 0,52 m. Verifica-se que a altura do leito expandido é inferior à altura mínima de “slugging” (1,20 m), no entanto, a velocidade de operação é superior à velocidade mínima de “slugging” (1,13 m/s). Como só uma das condições mínimas é cumprida, existe a possibilidade da ocorrência de “slugging”. Finalmente, foi necessário dimensionar o distribuidor, que com o diâmetro de orifício de 3 mm, valor inferior ao da partícula (3,48 mm), permite a distruibuição do fluido de secagem na coluna através dos seus 3061 orifícios. O inicio do estudo da secagem centrou-se na determinação do tempo de secagem. Além das duas temperaturas atrás referidas, foram igualmente consideradas duas humidades iniciais para os cereais (21,33% e 18,91%). Temperaturas superiores traduzem-se em tempos de secagem inferiores, paralelamente, teores de humidade inicial inferiores indicam tempos menores. Para a temperatura de 50ºC, os tempos de secagem assumiram os valores de 2,8 horas para a 21,33% de humidade e 2,7 horas para 18,91% de humidade. Foram também tidas em conta três alturas do ano para a captação do ar de secagem, Verão e Inverno representando os extremos, e a Meia- Estação. Para estes três casos, foi possível verificar que a humidade específica do ar não apresenta alterações significativas entre a entrada no secador e a corrente de saída do mesmo equipamento, do mesmo modo que a temperatura de saída pouco difere da de entrada. Este desvio de cerca de 1% para as humidades e para as temperaturas é explicado pela ausência de humidade externa nas sementes e na pouca quantidade de humidade interna. Desta forma, estes desvios de 1% permitem a utilização de uma razão de reciclagem na ordem dos 100% sem que o comportamento da secagem se altere significativamente. O uso de 100% de reciclagem permite uma poupança energética de cerca de 98% no Inverno e na Meia-Estação e de cerca de 93% no Verão. Caso não fosse realizada reciclagem, seria necessário fornecer à corrente de ar cerca de 18,81 kW para elevar a sua temperatura de 20ºC para 50ºC (Meia-Estação), cerca de 24,67 kW para elevar a sua temperatura de 10ºC para 50ºC (Inverno) e na ordem dos 8,90 kW para elevar a sua temperatura dos 35ºC para 50ºC (Verão). No caso do transporte pneumático, existem duas linhas, uma horizontal e uma vertical, logo foi necessário estimar o valor da velocidade das partículas para estes dois casos. Na linha vertical, a velocidade da partícula é cerca de 25,03 m/s e cerca de 35,95 m/s na linha horizontal. O menor valor para a linha vertical prende-se com o facto de nesta zona ter que se vencer a força gravítica. Em ambos os circuitos a velocidade do fluido é cerca de 47,17 m/s. No interior da coluna, a velocidade do fluido tem o valor de 10,90 m/s e a velocidade das partículas é de 1,04 m/s. A queda de pressão total no sistema é cerca de 2408 Pa. A análise de custos ao sistema de secagem indicou que este sistema irá acarretar um custo total (fabrico mais transporte) de cerca de 153035€. Este sistema necessita de electricidade para funcionar, e esta irá acarretar um custo anual de cerca de 7951,4€. Embora este sistema de secagem apresente a possibilidade de se realizar uma razão de reciclagem na ordem dos 100% e também seja possível adaptar o mesmo para diferentes tipos de cereais, e até outros tipos de materiais, desde que possam ser fluidizados, o seu custo impede que a realização deste investimento não seja atractiva, especialmente tendo em consideração que se trata de uma instalação à escala piloto com uma capacidade de 45 kgs.

Dimensionamento de um reactor de leito fluidizado para gasificação de biomassa

Na actualidade, quando se procura a diversificação energética, em especial de fontes renováveis, a gasificação surge como uma forma promissora de aproveitamento da biomassa, nomeadamente dos resíduos florestais, para a geração de energia eléctrica. Neste contexto, passou-se em revista as diversas formas de gasificação, a sua evolução histórica e os diversos tipos de reactores com as suas vantagens e desvantagens. De igual forma, foram analisadas as disponibilidades e características da biomassa no mundo e em Portugal, destacando-se as suas potencialidades e as dificuldades no seu aproveitamento. Fez-se o dimensionamento de um reactor-gasificador de leito fluidizado borbulhante à escala piloto, bem como dos equipamentos complementares, sistema de alimentação, ventilador, ciclone, filtro para o gás produzido e gerador eléctrico. As dimensões dum reactor para trabalhos laboratoriais foram determinadas por cálculo das condições hidrodinâmicas, que, também, permitiram calcular o caudal de ar a utilizar. Por balanços materiais, considerando-se uma composição experimental do gás de síntese citada na literatura, determinou-se uma possível composição da alimentação e um caudal de alimentação.

Produção de hidrogénio através da gasificação da biomassa

A procura de uma forma limpa de combustível, aliada à crescente instabilidade de preços dos combustíveis fósseis verificada nos mercados faz com que o hidrogénio se torne num combustível a considerar devido a não resultar qualquer produto poluente da sua queima e de se poder utilizar, por exemplo, desperdícios florestais cujo valor de mercado não está inflacionado por não pertencer à cadeia alimentar humana. Este trabalho tem como objetivo simular o processo de gasificação de biomassa para produção de hidrogénio utilizando um gasificador de leito fluidizado circulante. O oxigénio e vapor de água funcionam como agentes gasificantes. Para o efeito usou-se o simulador de processos químicos ASPEN Plus. A simulação desenvolvida compreende três etapas que ocorrem no interior do gasificador: pirólise, que foi simulada por um bloco RYIELD, combustão de parte dos compostos voláteis, simulada por um bloco RSTOIC e, por fim, as reações de oxidação e gasificação do carbonizado “char”, simuladas por um bloco RPLUG. Os valores de rendimento dos compostos após a pirólise, obtidos por uma correlação proposta por Gomez-Barea, et al. (2010), foram os seguintes: 20,33% “char”, 22,59% alcatrão, 36,90% monóxido de carbono, 16,05%m/m dióxido de carbono, 3,33% metano e 0,79% hidrogénio (% em massa). Como não foi possível encontrar valores da variação da composição do gás à saída do gasificador com a variação da temperatura, para o caso de vapor de água e oxigénio, optou-se por utilizar apenas vapor na simulação de forma a comparar os seus valores com os da literatura. Às temperaturas de 700, 770 e 820ºC, para um “steam-to-biomass ratio”, (SBR) igual a 0,5, os valores da percentagem molar de monóxido de carbono foram, respetivamente, 56,60%, 55,84% e 53,85%, os valores de hidrogénio foram, respetivamente, 17,83%, 18,25% e 19,31%, os valores de dióxido de carbono foram, respetivamente, 16,40%, 16,85% e 17,93% e os valores de metano foram, respetivamente, 9,00%, 8,95% e 8,83%. Os valores da composição à saída do gasificador, à temperatura de 820ºC, para um SBR de 0,5 foram: 53,85% de monóxido de carbono, 19,31% de hidrogénio, 17,93% de dióxido de carbono e 8,83% de metano (% em moles). Para um SBR de 0,7 a composição à saída foi de 54,45% de monóxido de carbono, 19,01% de hidrogénio, 17,59% de dióxido de carbono e 8,87% de metano. Por fim, quando SBR foi igual a 1 a composição do gás à saída foi de 55,08% de monóxido de carbono, 18,69% de hidrogénio, 17,24% de dióxido de carbono e 8,90% de metano. Os valores da composição obtidos através da simulação, para uma mistura de ar e vapor de água, ER igual a 0,26 e SBR igual a 1, foram: 34,00% de monóxido de carbono, 14,65% de hidrogénio, 45,81% de dióxido de carbono e 5,41% de metano. A simulação permitiu-nos ainda dimensionar o gasificador e determinar alguns parâmetros hidrodinâmicos do gasificador, considerando que a reação “water-gas shift” era a limitante, e que se pretendia obter uma conversão de 95%. A velocidade de operação do gasificador foi de 4,7m/s e a sua altura igual a 0,73m, para um diâmetro de 0,20m.

Low-carbon cement with waste oil-craking catalyst incorporation

The present paper shows preliminary results of an ongoing project which one of the goals is to investigate the viability of using waste FCC catalyst (wFCC), originated from Portuguese oil refinery, to produce low carbon blended cements. For this purpose, four blended cements were produced by substituting cement CEM I 42.5R up to 20% (w/w) by waste FCC catalyst. Initial and final setting times, consistency of standard paste, soundness and compressive strengths after 2, 7 and 28 days were measured. It was observed that the wFCC blended cements developed similar strength, at 28 days, compared to the reference cement, CEM I 42.5R. Moreover, cements with waste FCC catalyst incorporation up to 15% w/w meet European Standard EN 197-1 specifications for CEM II/A type cement, in the 42.5R strength class.

Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Abriebsverhalten von Feststoffpartikeln in Wirbelschichten

Fluidized bed, attrition behaivior, solid particles, particle surface, bed mass, attrition coefficient, modeling, bubble fluidized bed

Entwicklung einer neuen Anströmeinrichtung für Strahlschichten

Fluidized bed, spouted bed, distributor plate, drying, modeling

Untersuchung des Flüssigkeitseintrages auf die Temperaturverteilung in Gas-/Feststoff-Wirbelschichten

Liquid separation efficiency, liquid penetration, modeling, arrays of temperature, distribution, fluidized bed, two-phase-nozzle

Beitrag zur atmosphärischen Wirbelschichtgefriertrocknung

Fluidized bed, drying, freeze drying, adsorption, modeling