RO137755A2 - Metodă şi instalaţie pentru producerea, separarea şi stocarea13co2 pentru utilizare ca precursor în sinteza de compuşi marcaţi cu 13c - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o metodă şi la o instalaţie pentru producerea, separarea şi stocarea dioxidului de carbon marcat cu 13C, cu aplicaţie principală ca precursor în sinteza compuşilor marcaţi cu 13C, 13CO2 poate fi obţinut prin reacţia dintre 13CO (gaz) şi O2 (gaz) la temperatură şi presiune atmosferică, în prezenţa unui catalizator. Metoda conform invenţiei are următoarele etape: a) activarea catalizatorului în flux de hidrogen la 350°C şi conversia 13CO la 13CO2 la temperatura de 250°C într-un reactor tubular, b) separarea 13CO2 din amestecul de reacţie la temperatura de - 140...- 155°C şi stocarea lui sub presiune într-o butelie de captare din inox, c) colectarea O2 nereacţionat şi a He şi d) utilizarea directă a 13CO2 ca precursor în sinteza de compuşi marcaţi cu 13C. Instalaţia conform invenţiei este constituită din butelii (1, 2 şi 3) cu gaze de reacţie de 13C, de O2 şi respectiv de He, prevăzute cu debitmetre (DE) electronice pentrucontrolul fluxului de gaze, un vas (4) de preamestecare a gazelor, un reactor (5) tubular din cuarţ prevăzut cu pat de catalizator (7) pentru conversia 13CO la 13CO2, un cuptor (6) electric, gaz (8) cromatograf pentru analizarea gazelor care ies din reactorul (5), o butelie (9) de captare pentru separarea şi stocarea 13CO2 prevăzută cu manometru (M) şi o butelie (11) pentru olectareaO2 nereacţionat şi a He.

Description

METODĂ ȘI INSTALAȚIE PENTRU PRODUCEREA, SEPARAREA ȘI STOCAREA ¹³CO₂ PENTRU UTILIZARE CA PRECURSOR ÎN SINTEZA DE COMPUȘI MARCAȚI CU ¹³C

Invenția se referă la o metodă și o instalație pentru producerea, separarea și stocarea dioxidului de carbon marcat cu ¹³C, cu aplicație principală ca precursor în sinteza compușilor 1Ț 1Ț 1Ț marcați cu C. CO₂ poate fi obținut prin reacția dintre CO (gaz) și O₂(gaz) la temperatură și presiune atmosferică, în prezența unui catalizator:

catalizator ¹³CO + l/2O2 --------------> ¹³CO2

T°C, p atm

Prin documentarea efectuată am identificat această reacție ca fiind studiată pentru oxidarea CO nemarcat la CO₂ cu aplicație directă în controlul poluării mediului [S. Day, G.C. Dhal, ”Catalytic conversion of carbon monoxide into carbon dioxide over spinel catalysts: An overview”, Materials Science and Energy Technologies 2019, 2(3):575-588], sau în elucidarea mecanismului reacțiilor catalitice heterogene [R. Kopelent, A. Tereshchenko, A. Guda, G. Smolentsev, Luca Artiglia, V.L. Sushkevich, A. Bugaev, LI. Sadykov, T. Baidya, M. Bodnarchuk, J.A. van Bokhoven, M. Nachtegaal, O.V. Safonova, ”Enhanced reducibility of the ceria-tin oxide solid solution modifics the CO oxidation mechanism at the platinum-oxide interface”, ACS Catalysis 2021, ll(15):9435-9449], dar nu a fost identificată o instalație pentru producerea, separarea și stocarea ¹³CO₂.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția propusă este legată de randamentul procesului, deoarece condiția obligatorie în reacțiile în care sunt implicați compuși marcați izotopic (în cazul de față CO) este tocmai randamentul ridicat la o singură trecere a reactanților prin reactor, având în vedere că aceștia sunt valoroși și orice pierdere sub formă de produși secundari mărește costul întregului proces.

Un alt avantaj al metodei și al instalației propuse sunt costurile relativ reduse având în vedere că se folosește un singur reactor catalitic și se obține un singur produs de reacție, ușor de separat și stocat.

în instalația propusă în prezenta invenție poate fi produs ¹³CO₂ pornind de la ¹³CO cu

τ

Instalația pentru producerea, separarea și stocarea CO2 este prezentată schematic în Figura 1 și are trei module principale: (i) partea de debitare și pre-amestecare a gazelor de lucru, (ii) partea de conversie termo-catalitică a CO la CO2 constând dintr-un reactor tubular din cuarț și (iii) partea de captare și separare a CO2 constând dintr-o butelie din inox, umplută cu sârmă (sau șpan) de inox, dotată cu o manta cu gaz inert.

Se dă în continuare un exemplu concret de realizare a invenției. în reactorul tubular din cuarț 5 (fig. 1), având diametrul interior de 10 mm, se fixează un pat catalitic 7 având o lungime de 30 mm, format din catalizator (de exemplu, N1/AI2O3 granule 0,1-0,2 mm) amestecat cu granule de cuarț (0,2-0,3 mm) cu rol în anularea căderii de presiune în reactor. Reactorul se plasează în cuptorul electric 6 și se cuplează cele trei butelii cu gazele de reacție: ¹³CO (butelia 1), O2 (butelia 2) și He (butelia 3) la vasul de pre-amestecare gaze 4. Heliul are rol de gaz purtător asigurând un flux constant prin patul catalitic. Se cuplează reactorul la gaz cromatograf 8 (GC-2010 Shimadzu), echipat cu detector HID (Helium lonisation Detector). înainte de a iniția reacția de conversie a CO la CO2, catalizatorul se activează în flux de hidrogen de 15 ml/min, la 350°C pentru 2 h, apoi se trece pe flux de heliu 80 ml/min și temperatura din cuptorul electric 6 se reduce la 250°C, temperatură la care are loc conversia ¹³CO la ¹³CO2. Când temperatura a ajuns la 250°C se admite heliu în instalație până presiunea în butelia de captare ¹³CO2 9 (vidată în prealabil) atinge valoarea de 1 bar, iar temperatura interiorul acesteia atinge valoarea de -110°C, utilizând un vas Dewar 10 cu azot lichid ca agent de răcire. Odată aceste condiții îndeplinite se admit în instalație CO cu un debit de 25 ml/min și O2 cu un debit de 20 ml/min, debite controlate cu ajutorul unor debitmetre electronice DE. Conversia CO la CO2 este imediată, formarea acestuia, precum și excesul de oxigen se analizează on-line în gaz cromatograful 8. Gazele care ies din reactor sunt colectate continuu în butelia de captare 9, termostatată la -140 + 155°C, temperatură la care CO2 condensează, iar oxigenul nereacționat și gazul purtător (He) părăsesc această butelie de produs, în flux continuu, fiind colectate în butelia 11.

Pentru determinarea randamentului global, necesar pentru validarea metodei pentru producerea ¹³CO2, s-au oxidat 4,214 L de ¹³CO, din care s-a obținut 4,018 L de ¹³CO2, randamentul chimic obținut fiind 95,3 %.

Având în vedere că sistemul catalitic nu conține surse de carbon, bilanțul izotopic nu suferă modificări pe parcursul oxidării, adică nu se pot observa diluții izotopice. Acest lucru este confirmat și rezultatele obținute prin analiza izotopică a produsului ¹³CO2, efectuată cu un

spectrometru de masă ISOPRIME 100, pornind de la ¹³CO marcat cu ¹³C 2,07 ± 0,02 % at. s-a obținut CO2 cu o concentrație izotopică de 2,02 ± 0,02 % at., diferența observată se datorează erorilor analizelor izotopice.

Instalația propusă în prezentul brevet are o capacitate de producție de 100 sl. CO2 pe lună.

Claims (2)

REVENDICĂRI

1. Metodă pentru producerea, separarea și stocarea dioxidului de carbon marcat cu C caracterizată prin aceea că, va cuprinde următoarele etape: activarea catalizatorului în flux de hidrogen la 350°C și conversia ¹³CO la ¹³CO2 la temperatura de 250°C într-un reactor tubular; separarea ¹³CO2 din amestecul de reacție la temperatura de -140 -155°C și stocarea lui sub presiune într-o butelie de captare din inox; colectarea O2 nereacționat și a He; utilizarea directă a CO2 ca precursor în sinteza de compuși marcați cu C.

2. Instalație pentru aplicarea metodei conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, este alcătuită din: butelii cu gazele de reacție (de lucru) - CO (1), O2 (2) și He (3), debitmetre electronice pentru controlul fluxului de gaze (DE), vas preamestecare gaze 4, reactor tubular din cuarț (5), prevăzut cu pat de catalizator (7) pentru conversia CO la CO2, cuptor electric (6), gaz cromatograf 8 pentru analizarea gazelor care ies din reactor, butelie de captare (9) pentru separarea și stocarea CO2 prevăzută cu manometru (M), butelie (11) pentru colectarea O2 nereacționat și a He.