活性炭在流动反应器中裂解正十二烷

　　高超音速飞行器在飞行过程中，由于摩擦热，飞机表面温度达到3300℃，导致结构变形、电子设备故障等严重问题。一般处理这类问题都是使用低温或液态碳氢化合物燃料的各种冷却技术，以减少高超音速飞行器的摩擦热。基于低温燃料(例如液态氢)的方法由于这些燃料的低密度而需要具有相对高容量的储罐，从而导致安全问题。活性炭因其表面积大、成本低和热稳定性高而被用于各种工业应用。也是是催化裂化反应的先进催化剂，与使用其他催化剂相比，使用活性炭的产品收率更高。这是一种基于负载燃料吸热分解的冷却技术，使用活性炭作为催化剂进行正十二烷的分解，将活性炭涂覆在金属泡沫上，以最大限度地提高催化分解反应的散热性。

　　催化剂包衣程序的制备

　　将金属泡沫切成宽3毫米、长50毫米的块，随后在超声波清洗器中用丙酮清洗15分钟。用于ZSM-5涂层的浆料含有6%的二氧化硅粘合剂、12%的NH3-ZSM-5和82%的蒸馏水。用于活性炭洗涂的浆料含有1%的分散体、2%的二氧化硅粘合剂、2%的活性炭和95%的乙二醇。将每种浆料充分混合2小时。将制备好的泡沫金属试样浸入浆料中10秒，在2.5bar下吹气，并在150℃的烘箱中干燥30分钟。将干燥的金属泡沫浸入相同的浆料中10秒，然后在烘箱中再次干燥30分钟。对于HZSM-5和活性炭负载40mg催化剂的洗涂循环次数为5次和10次。NH3-ZSM-5沸石洗涂在泡沫金属上在550℃下煅烧5小时以生成HZSM-5，并将活性炭洗涂在金属泡沫上在400℃下煅烧2小时(进一步表示为活性炭/金属泡沫)。

　　扫描电子显微镜/能量色散光谱(SEM/EDS)分析

　　反应前的催化剂反应后的催化剂(450℃)和反应后的催化剂(550℃)的SEM图像在图1显示。催化剂形态没有显着变化。在450和550℃反应后，催化剂的稳定性得以保持。如上所述，活性炭/金属泡沫在550℃温度下的散热效果最高，产生的焦炭量最高。在这种情况下，需要弄清楚催化剂上的焦炭堵塞了金属泡沫的孔隙。在图1中确认了金属泡沫的孔没有被阻塞(图d-3)。

　　图1：(a)金属泡沫催化剂、(b)HZSM-5颗粒催化剂、(c)HZSM-5/金属泡沫催化剂和(d)活性炭/金属泡沫催化剂的SEM照片，反应前的催化剂(a-1、b-1、c-1、d-1)、450℃反应后的催化剂(a-2、b-2、c-2、d-2)、催化剂在550℃反应后(a-3,b-3,c-3,d-3)。

　　正十二烷裂解反应的散热器

　　热裂解和催化裂解产生的散热片-十二烷在图2显示，温度为450℃，压力为4MPa。由于散热器与使用的飞机冷却技术直接相关，因此应慎重考虑。测量的散热器值在10分钟内取平均值，通过将它们除以质量流量将瓦特转换为Btu/lb单位。反应10分钟后，HZSM-5/金属泡沫和活性炭/金属泡沫样品的散热片分别为1342和1353Btu/lb。两种催化剂在10分钟内都表现出高散热片。仅金属泡沫和HZSM-5颗粒的初始散热器分别为1243和1077Btu/lb。仅涉及金属泡沫的反应的热沉低于热裂解的热沉。由于反应温度低，泡沫不作为金属催化剂并占据反应空间30分钟。HZSM-5颗粒在反应的前30分钟内导致最低的热沉，因为气体产率低且产生大量线性石蜡。相比之下，热裂化的散热器保持在高值30分钟。因此，在低反应温度下，酸和金属催化剂均表现出低催化效率并占据反应空间。

　　图2：使用功率计在450℃温度和4MPa压力下每10分钟反应测定的平均吸热。

　　在550℃温度和4MPa压力下正十二烷热裂解和催化裂解过程中获得的散热器在图3显示。反应10分钟后，活性炭/金属泡沫和HZSM-5颗粒样品的散热片分别为1805和1731Btu/lb。由于气体和液体的高屈服值，活性炭/金属泡沫的散热器在30分钟内保持高位。HZSM-5/金属泡沫和仅金属泡沫样品的散热器分别为1542和1439Btu/lb。热裂解的热沉在反应初期为1645Btu/lb，并在反应的前30分钟内迅速下降。请注意，实现高超音速飞行(8马赫)的最小散热器为1300Btu/lb。由于活性炭/金属泡沫的散热器在30分钟内超过1300Btu/lb，因此这种催化剂具有商业化的潜力。

　　图3：在550℃的温度和4MPa的压力下，使用瓦特计估计每10分钟反应的平均吸热。

　　活性炭对正十二烷在流动反应器内进行无催化剂的热裂解、金属泡沫催化的反应和涂有催化剂的金属泡沫催化的反应活性炭/金属泡沫样品的最大散热量为1805Btu/lb，其产气率为72%。然而，这种催化剂也产生了35毫克的高焦炭量。得到的结果是活性炭/金属泡沫体系获得的散热片和气体产率值高于颗粒催化剂。