Повышение энергоэффективности процесса пиролиза

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУВО «КНИТУ»

Повышение энергоэффективности процесса пиролиза

Арсланов Р.А., студент магистратуры 2 курса, технологическогофакультета НХТИ (филиал)

Аннотация

данная статья посвящена исследованиям по разработке каталитических систем превращения легкого углеводородного сырья С1-С4 в этилен и пропилен с использованием переходных металлов. Изучены кинетические закономерности пиролиза углеводородов С1-С4 в присутствии каталитических систем, полученных нанесением соединений металлов VIII группы (Fe, Co, Ni) на керамический носитель.

Ключевые слова: этилен, пропилен, каталитический пиролиз.

энергоэффективность пиролиз каталитический

Annotation

This article is devoted to research on the development of catalytic systems for the conversion of light hydrocarbon feedstock Ci-C4 into ethylene and propylene using transition metals. The kinetic regularities of the pyrolysis of C1-C4 hydrocarbons in the presence of catalytic systems obtained by the deposition of compounds of group VIII metals (Fe, Co, Ni) on a ceramic support have been studied.

Key words: ethylene, propylene, catalytic pyrolysis.

Одной из наиболее важных задач нефтегазовой промышленности является повышение эффективности существующих методов нефтепереработки до низкомолекулярных олефинов C2-C4, которые используют как сырье для производства полимеров и резины. Современным промышленным методом получения этилена является высокотемпературный пиролиз при температуре выше 850 0C, сопровождающийся образованием кокса и требующий периодической очистки реактора. Максимальных выход этилена при этом составляет не более 60 %, однако в мире не останавливаются поиски путей усовершенствования процесса, в том числе за счет использования новых катализаторов [1-4]. Анализ известных работ показал, что эффективность используемых катализаторов незначительна. При выборе катализатора полезно классифицировать каталитический процесс в соответствии с его механизмом. Однако в большинстве публикаций не хватает информации о каталитическом механизме преобразования алканов.

Поиск нового эффективного метода переработки нефтяных углеводородов, позволяющего снизить температуру процесса и повысить селективность этилена и пропилена при одновременном снижении образования кокса является очень актуальной задачей.

Для исследования каталитического пиролиза использовалась углеводородная смесь С1-С4. Состав смеси представлен в таблице 1.

Таблица 1. Состав углеводородной смеси С1-С4

В работе использовались следующие материалы и составы:

пенокерамический материал, являющийся композицией минеральных и органических веществ;

фосфатирующий состав - водный раствор неорганической соли металла VIII группы Периодической системы Бе(КОз)з, Со^03)2, №(N03)2, PdCl2 и фосфорной кислоты;

стальной реактор с внутренним диаметром 0,6 см и длиной реакционной зоны 50 см. Марка стали 12Х18Н10Т;

кварцевые реакторы с внутренним диаметром 0,8-1,0 см, длиной 30 или

50 см;

спирали металлические из молибдена, вольфрама, нихрома;

гелий (сжатый), очищенный ТУ 5194080;

Керамический носитель имел характеристики, представленные в таблице 2 [5].

Катализаторы, представляющие собой плёночные покрытия с удельной поверхностью 50-70 г/м2, получали непосредственно на поверхности стального реактора путём обработки его водными растворами или суспензиями солей элементов VIII групп Периодической системы (железа, кобальта, никеля, палладия).

Таблица 2.

Фазовый брутто-состав и свойства пенокерамического материала

Процесс приготовления катализатора, представляющего собой покрытие на поверхности керамического носителя, заключался в обработке керамики водно-спиртовыми растворами (1:1) солей металлов ^е, Со, №, Сг, Mo, W). После испарения растворителя при комнатной температуре носители с нанесенными солями металлов выдерживали в муфельной печи 2 часа при 200 0С и 2 часа при 600 0С.

Экспериментальные исследования процесса пиролиза смеси углеводородов С1-С4 проводились в стальном реакторе. Реактор представлял собой стальную трубку из нержавеющей стали, с внутренним диаметром 0,6 см и длиной реакционной зоны 50 см. В качестве газа-носителя использовали гелий, с расходом 30 см3/мин. Углеводородное сырьё из металлического баллона непрерывно пропускали через реактор с объёмной скоростью 25 -100 см3/мин, которая устанавливалась регулятором расхода. Из углеводородного потока при определённой температуре отбирали фиксированное количество пробы (2 см3), которое анализировали методом газо -жидкостной хроматографии.

Для обеспечения максимального выхода целевых продуктов (этилен, пропилен) и минимального количества побочных продуктов, а также достижения лучших технико-экономических показателей процесса, катализатор должен обладать такими характеристиками, как активность, селективность, а также оптимальными физико-механическими свойствами.

Активность катализатора, прежде всего, характеризуется изменением скорости реакции. Наиболее точной мерой каталитической активности является константа скорости реакции. Поэтому оценка эффективности катализатора проводилась путём сравнения констант скоростей термического и каталитического процесса.

Важной характеристикой активности катализатора является селективность катализируемой им реакции, т.е. соотношение количества целевого продукта к общему количеству продуктов реакции. Именно селективность определяет непроизводительные затраты сырья и энергии на выделение продукта и переработку отходов.

В условиях коксообразования, действия высоких температур, реакционной среды и других факторов поддержание активности катализатора обеспечивается его стабильностью и механической прочностью, которая определяется способом приготовления, поэтому существенно зависит от пористой структуры. Недостаточная механическая прочность приводит к росту гидравлического сопротивления реактора. Под стабильностью работы катализатора понимается воспроизведение его активности после нескольких дней проведения опытов.

Критерии, по которым определялись оптимальные условия пиролиза углеводородной смеси С1-С4, являлись величина конверсии, выход этилена и пропилена, а также образование кокса.

По результатам проведенных исследований:

Разработаны оригинальные каталитические системы на основе фосфатов и оксидов металлов VIII группы (Бе, Со, N1, Рё) и способы их нанесения на внутреннюю поверхность стальных газопроточных реакторов;

Установлено, что Со-фосфатное плёночное покрытие способствует повышению селективности по этилену и низкому сажеобразованию при пиролизе углеводородной смеси С1-С4.

Изучены кинетические закономерности пиролиза углеводородов С1- С4 в присутствии каталитических систем, полученных нанесением соединений металлов VIII группы (Бе, Со, N1) на керамический носитель:

Установлено, что при нанесении на керамический носитель соединений металлов VIII группы лучшие результаты получены для каталитической системы на основе Бе^03)3 (1,2-5%).

Предложена эффективная каталитическая система крекинга легких углеводородов в присутствии металлических проводников (нихром, молибден, вольфрам), нагреваемых электрическим током;

Показано, что превращение углеводородов С1-С4 в этилен и пропилен в присутствии вольфрамовых спиралей позволяет снизить температуру процесса до 300-600 0С, что способствует снижению энергозатрат в 2 раза и предотвращает образование кокса.

Использованные источники

Ерофеев, В.И. Способ получения низших олефинов / В.И. Ерофеев,

B. Восмерников, В.А. Кувшинов, Ю.В. Рябов, С.П. Бугаев, Б.М. Ковальчук,

Т. Шкатов // Патент РФ №2063415. - 1996.

Сарматов, С.Б. Исследование влияния различных факторов на процесс пиролиза газообразных углеводородов с целью усовершенствования процесса на ШГКМ: дис. ... магистра: 5Ф321303 / Саматов Санъат Бахтиёрович. - Ташкент, 2014. - 68 с.

Меньшиков, В.А. Производство этилена из природного газа методом окислительной конденсации метана / В.А. Меньшиков, М.Ю. Синев // Катализ в промышленности. - 2005. - № 1. - С. 25.

Sun, Q. Methane pyrolysis in a hot filament reactor / Q. Sun, Y. Tang, F.R. Gavalas // Energy and Fuels. - 2000. - V. 14. - № 2. - P. 490.

Александров Ю.А., Цыганова Е.И., Шекунова В.М., Диденкулова И.И., Пищурова И.А. Получение и свойства целевых пористых керамических катализаторов // «Полифункциональные химические материалы и технологии»: Материалы международной научной конференции. - Томск, 2007. - С. 46.

Размещено на Allbest.ru