Intrinsic Millisecond Kinetics of Polyethylene Pyrolysis via Pulse-Heated Analysis of Solid Reactions
Source abstract
Abstract
Continued demand for polyolefins can be met by recycling plastic materials back to their constituent monomers, ethylene and propylene, via thermal cracking in a pyrolysis reactor. During pyrolysis, saturated polyolefin chains break carbon–carbon and carbon–hydrogen bonds, yielding a distribution of alkanes, alkenes, aromatic chemicals, light gases, and solid char residues at temperatures varying from 400 to 800 °C. To design a pyrolysis reactor that optimizes the chemistry for a maximum yield of light olefins, a detailed description of the chemical mechanisms and associated kinetics is required. To that end, the reaction kinetics of isothermal films of low-density polyethylene (LDPE) have been measured by the method of “pulse-heated analysis of solid reactions”, or PHASR, which allows for quantification of intrinsic kinetics via isothermal reaction-controlled experimental conditions. The evolution of LDPE films from 20 ms to 2.0 s for five temperatures (550, 575, 600, 625, and 650 °C) was characterized by measurement of the yield of chromatography-detectable compounds (<C20) in addition to the total yield of volatile products. The kinetics of volatile product evolution were interpreted via a lumped kinetic model with an activation energy of 225 ± 16 kJ mol –1, compared with existing kinetic models of polyethylene pyrolysis, and validated from first principles.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline
Research context
OpenAlex topics: Thermochemical Biomass Conversion Processes · Polymer crystallization and properties · Thermal and Kinetic Analysis
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
Affiliations
Department of Chemical Engineering & Materials Science, University of Minnesota, 421 Washington Avenue SE, Minneapolis, Minnesota 55455, United States
ExxonMobil Technology and Engineering Company, 5200 Bayway Drive, Baytown, Texas 77520, United States
Funding
Division of Chemistry · ExxonMobil Research and Engineering Company
References (100+)
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2. 10.1126/science.aba365610.1126/science.aba3656 ↗
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4. 10.1126/science.aba947510.1126/science.aba9475 ↗
5. 10.1038/531440a10.1038/531440a ↗
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7. 10.1039/C7GC02521A10.1039/C7GC02521A ↗
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10. 10.1038/s41578-020-0190-410.1038/s41578-020-0190-4 ↗
11. 10.1016/j.jaap.2020.10480410.1016/j.jaap.2020.104804 ↗
12. 10.1016/j.jhazmat.2017.10.01410.1016/j.jhazmat.2017.10.014 ↗
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14. 10.1002/cjce.2412310.1002/cjce.24123 ↗
15. 10.1016/j.tca.2017.06.00110.1016/j.tca.2017.06.001 ↗
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39. 10.1016/j.jaap.2012.06.00910.1016/j.jaap.2012.06.009 ↗
40. 10.1016/j.jaap.2005.01.00110.1016/j.jaap.2005.01.001 ↗
41. 10.1246/cl.2004.131010.1246/cl.2004.1310 ↗
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43. 10.1016/j.tca.2006.11.01210.1016/j.tca.2006.11.012 ↗
44. 10.1016/S0040-6031(97)00158-510.1016/S0040-6031(97)00158-5 ↗
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59. 10.1016/j.enconman.2009.12.01710.1016/j.enconman.2009.12.017 ↗
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66. 10.1002/app.1976.07020080310.1002/app.1976.070200803 ↗
67. 10.1016/S0360-1285(00)00013-710.1016/S0360-1285(00)00013-7 ↗
68. 10.1016/j.pecs.2020.10090110.1016/j.pecs.2020.100901 ↗
69. 10.1016/j.jaap.2012.02.01510.1016/j.jaap.2012.02.015 ↗
70. 10.1021/acs.iecr.7b0046310.1021/acs.iecr.7b00463 ↗
71. 10.1016/S0165-2370(99)00032-710.1016/S0165-2370(99)00032-7 ↗
72. 10.1016/S0165-2370(97)00048-X10.1016/S0165-2370(97)00048-X ↗
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75. 10.1002/ente.20160027910.1002/ente.201600279 ↗
76. 10.1021/acs.chemmater.6b0058010.1021/acs.chemmater.6b00580 ↗
77. 10.1039/c2ee21679e10.1039/c2ee21679e ↗
78. 10.1021/acssuschemeng.7b0378510.1021/acssuschemeng.7b03785 ↗
79. 10.1002/app.1987.07034040810.1002/app.1987.070340408 ↗
80. 10.1016/j.polymertesting.2004.01.01310.1016/j.polymertesting.2004.01.013 ↗
81. 10.1063/1.47935410.1063/1.479354 ↗
82. 10.1021/acs.energyfuels.7b0366410.1021/acs.energyfuels.7b03664 ↗
83. 10.2514/3.79210.2514/3.792 ↗
84. 10.1021/ef302117j10.1021/ef302117j ↗
85. 10.1021/ja01348a00710.1021/ja01348a007 ↗
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87. 10.1021/ja01317a00610.1021/ja01317a006 ↗
88. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Li, X.; Caricato, M.; Marenich, A. V.; Bloino, J.; Janesko, B. G.; Gomperts, R.; Mennucci, B.; Hratchian, H. P.; Ortiz, J. V.; Izmaylov, A. F.; Sonnenberg, J. L.; Williams; Ding, F.; Lipparini, F.; Egidi, F.; Goings, J.; Peng, B.; Petrone, A.; Henderson, T.; Ranasinghe, D.; Zakrzewski, V. G.; Gao, J.; Rega, N.; Zheng, G.; Liang, W.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Vreven, T.; Throssell, K.; Montgomery, Jr., J. A.; Peralta, J. E.; Ogliaro, F.; Bearpark, M. J.; Heyd, J. J.; Brothers, E. N.; Kudin, K. N.; Staroverov, V. N.; Keith, T. A.; Kobayashi, R.; Normand, J.; Raghavachari, K.; Rendell, A. P.; Burant, J. C.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Cossi, M.; Millam, J. M.; Klene, M.; Adamo, C.; Cammi, R.; Ochterski, J. W.; Martin, R. L.; Morokuma, K.; Farkas, O.; Foresman, J. B.; Fox, D. J. Gaussian 16 , Revision C.01; 2016, p Gaussian 16, Revision C.01, Gaussian, Inc.: Wallinford.
89. 10.1007/s00214-007-0310-x10.1007/s00214-007-0310-x ↗
90. 10.1016/S0009-2614(99)00493-510.1016/S0009-2614(99)00493-5 ↗
91. 10.1039/a908207g10.1039/a908207g ↗
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94. 10.1063/1.44707910.1063/1.447079 ↗
95. 10.1021/jp904369h10.1021/jp904369h ↗
96. 10.1002/9780470142936.ch410.1002/9780470142936.ch4 ↗
97. 10.1021/ct100326h10.1021/ct100326h ↗
98. 10.6028/jres.042.04410.6028/jres.042.044 ↗
99. 10.1016/j.fuproc.2009.10.00910.1016/j.fuproc.2009.10.009 ↗
100. 10.1016/j.rser.2017.09.03210.1016/j.rser.2017.09.032 ↗