фонд поддержки науки

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

КАТАЛИТИКАЛЫҚ ӨҢДЕУ АРҚЫЛЫ ТАБИҒИ ГАЗДАН СИНТЕЗ-ГАЗ АЛУ

УДК 547.211

Представлены результаты исследования процессов селективного каталитического окисления и парокислородной конверсии метана на нанесенных низкопроцентных катализаторах на основе благородных металлов на керамических блочных сотовых носителях. Определено влияние состава нанесенных блочных катализаторов и оптимальных концентраций катализаторов на блоке на эффективность в реакциях окисления СН4 в синтез-газ. Показано, что при суммарном содержании благородных металлов в составе катализатора 0,2–1,0 вес.% и атомном соотношении Pt:Ru ~ 1:1 наблюдаются 100% степени превращения исходного СН4 с селективностью по Н2 и СО 100%.

Results of research of catalytic oxidation and steam-oxygen conversion of methane on supported low-percentage catalysts on the basis of precious metals on ceramic block cellular carriers are presented. Influence of composition of supported block catalysts and optimum concentration of catalysts over the block on efficiency in reactions of oxidation of СН4 into synthesis-gas was determined. It was shown that 100% degree of transformation of initial СН4 with maximum selectivity by Н2 and CO are observed at 0,2-1,0 weight. % of total maintenance of precious metals and of Pt:Ru ~ 1:1 nuclear ratio.

Андатпа

Мақалада метанның талғамды каталитикалық тотығу және буоттекті конверсия процестері үшін төмен пайызды асыл металдар негізіндегі катализаторларды керамикалық блокты ұялы тасымалдағыштарда зерттеу нәтижелері көрсетілді. Отырғызылған блокты катализаторлар құрамының және СН4-ның синтез-газға талғамды каталитикалық тотығу реакциясына блоктағы катализаторлардың тиімді концентрациясының жағдайлары анықталды. Катализатор құрамында асыл металлдар қоспасы сал.% 0,2–1,0 және атомдық қатынасы Pt:Ru ~ 1:1 болғанда, талғамдылығы Н2 және СО бойынша 100% және бастапқы СН4 тотығу дәрежесі 100% болытыны анықталды.

Түйінді сөздер: метан, синтез-газ, талғамды каталитикалық тотығу, блокты ұялы тасымалдағыштар.

1. Кіріспе

Қазақстан табиғи газ қорлары бойынша әлемде 15-ші, ТМД-да 4-ші орынға ие, сондықтан алкандардың тотығу конверсия процестеріне арналған аса тиімді, талғамды және тұрақты катализаторларды жасау практикалық жағынан маңызды және стратегиялық міндеттерге ие мәселе болып табылады. Метан табиғи газдың негізгі компоненті және ол атмосфераға өткен жағдайда булы эффекттінің дамуына жағдай жасайтын газдардың негізгісі екені белгілі. Метанның атмосфераға тасталынуын қысқарту едәуір оң экономикалық және экологиялық нәтижелерге алып келуге қабілетті. Бұндай байлықтың орынсыз қолданылуы және өнеркәсіптік өңдеу әдістерінің жоқтығына байланысты, метанды синтездеу процестерінде қолданатын катализаторларды өңдеуде тереңдетілген зерттеулер дамуы теориялық және практикалық тұрғысынан өте үлкен қызығушылық туғызады.

Қазақстан Республикасының жағармай-энергетикалық кешенінің даму стратегиясында көмірсутектік шикізат өңдеуіндегі негізгі органикалық синтезге жататын алкандардың синтез-газға дейін тотығу айналымы жаңа технологияны өңдеудегі мұнайхимиялық өндіріс технологияларының кешеніне кіре алады.

Бүгінгі күнде табиғи және ілеспе мұнай газдарын орынды пайдалану мәселесіне әсіресе оларды факелдерде өртеулерді тоқтату өткір және шешілмеген экологиялық аһуалдардың бірі болып табылады. Әсіресе дағдарыс кезінде және мұнай қорларының шектелген жағдайында, табиғи және ілеспе мұнай газдарын мұнайхимияның және органикалық синтездің бағалы өнімдерін алуының баламалық қайнар көзі ретінде қарастыруға болады. Соңғы 50 жылда метанның нәтижелі айналу жолдарын іздеу катализдің негізгі бағыттарының бірі болып келеді, бірақ, осы уақытқа дейін, өнеркәсіпте метанның бағалы химиялық өнімдерге тура конверсиясы жүзеге асырылмаған.

Табиғи газды өңдеудің бірінші сатысы әрқашанда синтез - газ алу болып табылады, оны әрі қарай өңдеу арқылы одан әртүрлі пайдалы химиялық өнімдерді алуға болады. Синтез-газ - органикалық синтездің бағалы жартылай өнімі. Ол таза Н2 мен СО, аммиак, метанол, диметил эфирі, сірке қышқылы, спирттер мен альдегидтердің өндірісінде, Фишер-Тропш процестерінде, сонымен қатар, қара және түрлі түсті металлургияның қалпына келтіргіш газы ретінде, металл өңдеуде, экологиялық газ өндірісін залалсыздандыруда және басқа көп жүкті процестерде кеңінен қолданылады [1 - 3].

2. Тәжірибе

Катализаторлар жүйелі металдар тұздарының сулы ерітінділерінен капиллярлы ылғал сыйғыштық әдіспен ауа тоғында жылыту жолымен әзірленген. Реакцияға дейінгі және реакция соңынан шығатын газ қоспасының құрамы хроматографиялық әдіспен «Хроматэк Кристалл 5000.1» және «Agilent Technologies 6890 N» хроматографтарында талданды.

2%Ce/(θ+α)Al2O3 тасымалдағышына қонды-рылған 0,05 - 1,0% Pt, Ru және Pt - Ru катализаторларында металдардың әртүрлі қатынасындағы (салм.%) СН4–ның синтез-газға дейін тотығуы 400 минут бойында, Т = 1173 К, V = 9∙105 сағ.-1 жағдайында зерттелді. Процесті жүргізу үшін катализаторды дайындаудың қолайлы жағдайлары табылған. Қолайлы жанасу уақыты (3,0-4,0мс), онда СН4 конверсиясы мен СО мен сутегінің талғамдылығы 100% құрады. Pt:Ru атомдық қатынасы ~2:1 немесе ~1:1 болған жағдайда 100% көрсеткіштер байқалған: СН4 конверсиясы, Н2 мен СО-ның талғамдылығы 100%. Бұл көрсеткіштер катализатор құрамындағы бағалы металдардың пайыздық көлемі ≥ 0,2 салм.% дейін сақталатыны анықталды [4 - 6].

Метанның тотығу процесін, тек қана түйіршіктелген үлгілерде ғана емес сонымен қатар, ұялы блокты тасымалдағыштарда да жүргізу жұмыста қойылған мақсаттардың бірі болды. Сонымен қатар, катализаторлардың ұсақ дисперсті үлгілерінде жүргізілген процестерде қоспадағы метанның мөлшері 1,6 және 2,0% құрады, ал блокты үлгілерді зерттегенде реакция қоспасындағы метанның концентрациясы 4,4% дейін өсірілді.

Тәжірибелік әдіспен блокты керамикалық тасымалдағышқа отырғызылған 0,55 ат.% Pt:0,45 ат.% Ru/2%Ce/(θ+α)Al2O3 катализаторында метанның синтез-газға дейін талғамды каталитикалық тотығуы үшін жанасу уақыты 0,36 с (V = 1∙104 ч-1) және 1173 К температурасы тиімді болып табылатыны анықталды. Бұл блокты керамикалық тасымалдағышта талғамды каталитикалық тотығу процесін бастапқы реакциялық қоспа СН4 : О2 = 2 : 1 қатынасында, Т = 1173 К, V = 1∙104 сағ-1, t = 0,36 с және реакцияға түсетін заттардың концентрациясын СН4 : ауадағы О2 : Ar: 1 - 4,4 : 2,2 : 93,4; 2 - 16,0 : 8,0 : 76,0; 3 - 20,0 : 10,0 : 70,0; 4 - 34,0 : 17,0 : 49,0, (%) өзгерткен жағдайда жүргізілді (сур. 1).

Блоктағы Pt-Ru/2%Се/(θ+α)-Al2O3 катализаторында метанның бастапқы концентрациясы 4,4% болғанда СН4-ның айналу дәрежесі 59,1% және талғамдылығы бойынша ең жоғары 100% сутегі және СО алу мүмкін екендігі көрсетілді. Процесс кезінде қолайсыз көміртек диоксиді түзілмейді.

Әрі қарай процестің көрсеткіштерін жоғарылату мақсатында блокты керамикалық тасымалдағыштарға белсенді катализаторды қондырғанда байланыстырғыш рөлін атқаратын алюминий оксинитратының орынына алюминий гидроксиді қолданылды.

Сурет 1. Метанның синтез-газға дейін талғамды каталитикалық тотығу процесінде бастапқы реакциялық қоспаның концентрациясы өзгеруінің катализатордың белсенділігіне әсері (1 – ХСН4, 2 - SH2, 3 - SCO, Т = 1173 К, τ = 0,36 с, V = 1∙104 сағ-1)

Сурет 2. Метанның синтез-газға дейін талғамды каталитикалық тотығу процесінде катализатордың белсенділігіне көлемдік жылдамдықтың әсері (1 – ХСН4, 2 - SH2, 3 – SCO, Т = 1173 К, V = 1 - 4∙104 сағ-1)

Талғамды каталитикалық тотығу (сур. 2) және буоттекті конверсия (сур. 3) процестерінде метанның конверсиясы мен Н2 мен СО талғамдығына көлемдік жылдамдықтың әсерін анықтау үшін 0,2% Pt-Ru катализаторын ұялы құрылымды керамикалық блокты тасымалдағышқа қондыру арқылы Т = 1173 К және көлемдік жылдамдықты 10000-нан
40000 сағ-1 дейін аралықта өзгерту арқылы зерттелді.

Сурет 3. Метанның синтез-газға дейін буоттекті конверсия процесінде катализатордың белсенділігіне көлемдік жылдамдықтың әсері (1 – ХСН4, 2 - SH2, 3 – SCO, Т = 1173 К, V = 1 - 4∙104 ч-1)

2 және 3 суреттерде көрсетілгендей талғамды каталитикалық тотығу процесінде (сур. 2) көлемдік жылдамдықты жоғарлатқан кезде метанның конверсиясы 77,0% дан 54,0%-ға дейін төмендеп, ал буоттекті конверсия процесінде (сур. 3) бұл көрсеткіш 90,1 ден 84,1% дейін шамалы ғана өзгереді. Бұл процестер Н2 мен СО талғамдылығы 100% және СО2 түзілуінсіз жүреді.

Метанның бастапқы концентрациясы жоғарлаған кезде керамикалық блокты ұялы құрылымды тасымалдағыштарға отырғызылған 0,2% Pt-Ru катализаторын және байланыстырғыш ретінде алюминий оксинитратының орнына алюминий гидрооксидін қолдану, Т=1173К және көлемдік жылдамдық 1 - 4∙104 сағ-1 аралығында метанның талғамды каталитикалық және булыоттекті каталитикалық тотығу процестерінің конверсия және талғампаздық көрсеткіштерін арттыратыны анықталды.

Қорытынды

Метанның синтез газға дейін каталитикалық тотығу зерттеулерінен төмен пайызды асыл металдар негізіндегі катализаторларды ұялы құрылымды керамикалық блокты тасымалдағыштарға отырғызған кезде метанның талғамдылығы Н2 және СО бойынша 100% болатыны табылды.

Әдебиет тізімі

1. Исмагилов З.Р. // «Мұнайхимияның өзекті мәселелері» атты III Ресей конференциясы. – Звенигород, 2009. - Б.132-133.

2. Калачева Л.П., Федорова А.Ф. // Мұнай мен газ химиясы атты VII халықаралық конференция. – Томск, 2009. - Б.545-548.

3. Розовский А.Я. // Химияның тұрақты дамуы. - 2005. - Т.13, №1. - Б. 701-712.

4. Досумов К., Попова Н.М., Байжуманова Т.С., Тунгатарова С.А. // ҰҒА Хабаршысы. Химия сериясы. 2009. №3. - Б.15-19.

5. Popova N.M., Tungatarova S.A., Dossumov K., Baishumanova T.S. // Journal of Alloys and Compounds. - 2010. - 504S. - S349-S352.

6. Dossumov K., Tungatarova S.A., Baizhumanova T.S. // Topics in Catalysis. - 2010. - V.53, №.15. - P.1285-1288.