Разработка научно-технологических основ производства катализаторов дегидрирования для синтеза изопрена

Разработка научно-технологических основ производства высокоэффективных отечественных катализаторов одно- и двухстадийного процессов синтеза изопрена. Оценка их роли в повышении конкурентоспособности российской нефтехимической продукции на мировом рынке.

Рубрика Производство и технологии
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 30.01.2018
Размер файла 452,9 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка научно-технологических основ производства катализаторов дегидрирования для синтеза изопрена

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Изопрен является важнейшим мономером для производства синтетических каучуков и резинотехнических изделий. Мировые мощности по производству синтетического изопренового каучука сегодня превышают 1,3 млн. т/год. В Российской Федерации производится около 430 тыс. т изопрена в год, из которого 50 % получают на ОАО «Нижнекамскнефтехим», что составляет 16,5 % от общего мирового объема.

Практически все технологии производства изопрена в РФ представляют собой каталитические процессы (пиролизом получают лишь 3 % этого мономера) и поэтому экономическая эффективность производства определяется качеством используемых катализаторов - неорганических веществ, представляющих собой сложные оксидные или нанесенные металлоксидные системы. Большие объемы производства изопрена требуют и соответствующих объемов производства катализаторов, являющегося важной и неотъемлемой частью технологии неорганических веществ. Так, потребность только ОАО «Нижнекамскнефтехим» в микросферических алюмохромовых катализаторах дегидрирования составляет более 3000 т, железокалиевых катализаторах дегидрирования около 300 т в год. Это наиболее крупнотоннажные производства катализаторов для нефтехимической промышленности.

Базовые промышленные технологии производства изопрена в РФ были разработаны в 70-е годы прошлого столетия ОАО НИИ «Ярсинтез» и являются сегодня достаточно энерго- и материалоемкими, что в значительной степени обусловлено устаревшим парком катализаторов. Так, микросферический катализатор ИМ-2201 вследствие низких прочностных характеристик в условиях промышленной эксплуатации имеет высокую расходную норму (до 24 кг/т олефина), а более совершенные катализаторы АОК-73-21 (АОК-73-24) характеризуются высоким абразивным эффектом. Для железокалиевых отечественных катализаторов К-28, К-24ИМ характерна высокая крекирующая активность и коксование при эксплуатации при температурах более 630 оС, а катализатор КИМ-1 имеет низкую механическую прочность, что при эксплуатации в реакторах с загрузкой 25 и 50 т приводит к его разрушению и снижению эксплуатационных характеристик.

На отечественном катализаторном рынке синтеза изопрена начинают доминировать катализаторы импортных производителей. Так, отечественные железокалиевые катализаторы синтеза изопрена из изоамиленов вытесняются катализаторами фирм «ВASF» и «Shell», эффективные микросферические алюмохромовые катализаторы дегидрирования изопарафинов поставляет фирма «Engelhard».

Разработка и внедрение новых технологий и катализаторов производства изопрена требует больших капитальных затрат и времени, а модернизация катализаторов в рамках действующего производства требует значительно меньших вложений и позволяет повысить эффективность технологии. Так, увеличение выхода изоамиленов на железокалиевом катализаторе дегидрирования на 1 % в условиях ОАО «Нижнекамскнефтехим» позволит получить дополнительно 2500 т изопрена в год, а рост селективности процесса дегидрирования изобутана на 1 % сэкономит 1400 т сырья без привлечения дополнительных капиталовложений.

Новые знания, полученные при разработке технологий производства микросферических катализаторов дегидрирования С45 изопарафинов, могут быть использованы и для совершенствования близких по идеологии технологий производства катализаторов дегидрирования пропана, оксихлорирования этилена, процессов Клауса. Совершенствование технологии производства железокалиевых систем дегидрирования изоамиленов можно трансформировать для улучшения эффективности близких по рецептуре и технологии производства катализаторов дегидрирования этилбензола до стирола и т.д.

Диссертационная работа направлена на решение важной народно-хозяйственной задачи в области производства изопрена - разработки технологий производства высокоэффективных отечественных катализаторов одно- и двухстадийного процессов синтеза изопрена, позволяющих за счет улучшения эксплуатационных свойств увеличить выход мономера, снизить энергопотребление и улучшить экологию производства.

В диссертации изложены работы автора в период с 2001 по 2010 г. по разработке катализаторов дегидрирования с заданными эксплуатационными свойствами.

Работа выполнена в соответствии с Перечнем критических технологий и перспективных направлений науки и техники Российской Федерации - «Технологии создания мембран и каталитических систем», тематическим планом НИР Казанского государственного университета № 1.11.06 «Физико-химические аспекты процессов катализа, сорбции, комплексообразования и межмолекулярного взаимодействия. Фундаментальное исследование» (рег. № 0120060964), № 1.16.08 «Влияние электромагнитного поля на каталитическую активность и магнитные фазовые переходы в полиферритных системах» (рег. № 01200804822), № 1.18.09 «Разработка технологии синтеза фазовооднородного алюмооксидного наноструктурного носителя для микросферических катализаторов нефтехимии» (рег. № 01200952915).

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка научно-технологических основ производства высокоэффективных отечественных катализаторов одно- и двухстадийного процессов синтеза изопрена, позволяющих повысить конкурентоспособность российской нефтехимической продукции на мировом рынке.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать научно-технологические основы производства катализаторов для двухстадийного процесса синтеза изопрена:

- микросферического алюмохромового катализатора дегидрирования С45 изопарафинов,

- железокалиевого катализатора дегидрирования изоамиленов до изопрена.

2. Разработать технологии промышленного производства микросферического алюмохромового и железокалиевого катализаторов дегидрирования и внедрить в промышленную практику.

3. Разработать научно-технологические основы получения катализатора для одностадийного процесса синтеза изопрена из изопентана и технико-экономическое обоснование для его промышленной реализации.

Методики исследования. В диссертационной работе для решения поставленных задач использовались стандартные и современные методы и методики исследования. Результаты сравнивались и сопоставлялись с известными данными других авторов.

Для исследования состава, структурных, физико-механических характеристик и физико-химических свойств использовались методы термического, рентгенофазового, гарнулометрического анализов, электронной микроскопии, низкотемпературной адсорбции азота, ртутной порометрии, атомно-эмиссионной спектрометрии, стандартные методики оценки свойств используемых соединений. Исследовались следующие характеристики катализаторов: фазовый состав, фракционный состав, прочность гранул, абразивная активность, влагопоглощение, удельная поверхность, порометрический объем, размеры пор, распределение объема пор по диаметрам, параметры кристаллитов, морфология кристаллов, каталитические показатели.

Результаты экспериментальных исследований и измерений обрабатывались с применением методов математической статистики.

Научная новизна работы.

1. На базе выявленных зависимостей состава, структуры и условий формирования эффективных катализаторов с оптимальными эксплуатационными характеристиками сформулированы научно-технологические основы производства новых катализаторов первой стадии двухстадийного процесса синтеза изопрена (дегидрирования С45 изопарафинов), включающие в себя:

- синтез микросферического алюмохромового катализатора, имеющего стабильный фазовый и структурный составы алюмооксидного носителя: г-Al2O3 (95-100 %) с минимальным содержанием рентгеноаморфного продукта с объемом пор по влагопоглощению 0,5-0,6 г/см3; для данного типа носителей определено оптимальное содержание активного компонента Cr2O3=12-13 масс. % и промотора К2О=1,5-2,0 масс. % для высокоактивного и К2О=2,0-2,5 масс. % для селективного катализатора;

- способ стабилизации структуры и фазового состава алюмооксидного микросферического носителя на основе продукта термохимической активации тригидрата алюминия путем его термообработки при 550 єС в течение 2 ч, что позволяет дегидратировать оставшуюся фазу тригидрата алюминия, обуславливающую агрегацию микрогранул носителя и увеличить порометрический объем носителя на 80-100 %;

- для данных типов носителей оптимальное содержание ионов Сr+6 растворимого типа, составляющее 2,4 % при поверхностной концентрации хрома 9 ат/нм2 и атомном отношении NСr/NK=4,0-5,4 ат/ат, что обеспечивает максимальный (не менее 48 %) выход изобутилена в процессе дегидрирования изобутана;

- положение, показывающее, что крекирующая активность алюмохромовых катализаторов определяется не только кислотными центрами алюмооксидного носителя, но и содержанием ионов Сr+6 связанного типа. Минимальный выход С13 углеводородов (не более 3,7-3,9 %) достигается при их содержании от 1,1 до 1,2 масс. % и соответствующей концентрации оксида калия в катализаторе 2,0-2,5 масс. %.

2. Сформулированы научно-технологические основы производства новых катализаторов второй стадии двухстадийного процесса синтеза изопрена (дегидрирования изоамиленов до изопрена), включающие в себя:

- обоснование необходимости введения оксидов церия в ферритную систему при синтезе железокалиевого катализатора, способствующего диспергированию ее вторичных частиц и приводящего к образованию большого количества моноферрита калия, обладающего высокой каталитической активностью;

- положение, позволяющее в зависимости от давления формования катализаторной пасты проводить процесс дегидрирования в диффузионной (Р>25МПа) или кинетической (Р>250МПа) областях. Установлена зависимость активности катализатора от содержания в нем пор диаметром 300-1000 Е.

3. Для платинооловянного катализатора одностадийного процесса дегидрирования изопентана в изопрен показано, что текстура и каталитическая активность в значительной степени определяются размерами микрокристаллита алюмоцинкового шпинельного носителя. Максимальный выход продуктов дегидрирования (изопрен + изоамилены) более 32 % с селективностью не менее 86 % наблюдается для размеров микрокристаллита носителя 250-300 Е.

Практическая значимость работы. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований для двухстадийного процесса синтеза изопрена разработаны и реализованы:

- Промышленная технология производства микросферического катализатора дегидрирования изобутана на стабилизированном алюмооксидном носителе на ОАО «Химический завод им. Л.Я. Карпова» (г. Менделеевск) производительностью 1000 т в год. Катализатор обеспечивает в условиях промышленной эксплуатации выход изобутилена не менее 35 %.

- Промышленная технология производства железокалиевого катализатора дегидрирования метилбутенов в изопрен на катализаторной фабрике (II промышленная зона) ОАО «Нижнекамскнефтехим» объемом 300 т в год и покрывающая 100 % потребности объединения в данном катализаторе. Катализатор обеспечивает в условиях промышленной эксплуатации выход изопрена на пропущенные метилбутены не менее 30 % и на разложенные метилбутены не менее 90 %.

Катализаторы эксплуатируются на ОАО «Нижнекамскнефтехим». Совокупный экономический эффект от использования комплекса разработанных катализаторов более 44 млн. руб. в год.

Для одностадийного процесса синтеза изопрена разработаны платинооловянный катализатор дегидрирования изопентана и технология его производства. Катализатор обеспечивает выход продуктов дегидрирования не менее 32 % с селективностью не менее 86 %.

Катализатор прошел стадию лабораторных испытаний, подготовлено техническое задание на проектирование и рабочий проект для проведения опытно-промышленных испытаний катализатора. Проведение ОПИ планируется в III квартале 2010 года. Ожидаемый экономический эффект от внедрения более 300 млн. руб. в год.

Таким образом, диссертационная работа представляет собой научно обоснованную технологическую разработку, обеспечивающую решение важной народно-хозяйственной проблемы в области производства изопрена для отечественной и зарубежной промышленности, заключающуюся в создании комплекса катализаторов дегидрирования для двухстадийного и одностадийного синтезов изопрена и новых технологий их производства.

Разработанные научно-технологические основы производства катализаторов дегидрирования могут быть использованы для разработки других каталитических систем: железокалиевого катализатора дегидрирования стирола в изопрен, катализатора одностадийного дегидрирования бутана до бутадиена (процесс Гудри), микросферического катализатора окислительного хлорирования этилена.

Результаты работ используются в дисциплинах «Современные проблемы катализа», «Гетерогенный катализ» в Казанском государственном университете, «Технология производства катализаторов» в Казанском государственном технологическом университете.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Научно-технологические основы производства микросферического алюмохромового катализатора дегидрирования С45 изопарафинов и железокалиевого катализатора дегидрирования изоамиленов до изопрена для двухстадийного процесса синтеза изопрена; получения платинооловянного катализатора для одностадийного процесса синтеза изопрена из изопентана.

2. Способ стабилизации фазового состава и структуры микросферического алюмооксидного носителя алюмохромового катализатора дегидрирования изобутана, обеспечивающий дегидратацию остаточного тригидрата алюминия, увеличение порометрического объема на 80-100 % и предотвращающий агрегацию микрогранул.

3. Результаты экспериментального исследования закономерностей формирования активной фазы микросферического алюмохромового катализатора при нанесении на стабилизированный алюмооксидный носитель оксидов хрома и калия, обеспечивающей максимальный выход изобутилена и минимальный выход продуктов крекинга в процессе дегидрирования изобутана.

4. Новая промышленная технология и оптимизированные режимы основных стадий производства микросферического алюмохромового катализатора дегидрирования изобутана на стабилизированном алюмооксидном носителе, обеспечивающего в условиях промышленной эксплуатации выход изобутилена не менее 35 % при объемной скорости подачи 35-37 т/час и температуре 557-562 єС.

5. Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния химического, гранулометрического составов, структурных особенностей оксидов железа на формирование ферритной фазы и эксплуатационные свойства железокалиевых катализаторов; изучения закономерностей формирования ферритной фазы и каталитической активности железокалиевых катализаторов при промотировании оксида железа церием, калием, молибденом.

6. Промышленная технология и оптимизированные режимы основных стадий производства железокалиевого катализатора дегидрирования метилбутенов в изопрен, характеризующегося в условиях промышленной эксплуатации активностью не менее 30 %, селективностью по изопрену не менее 89 % с температурой эксплуатации до 640 єС, нагрузках по сырью до 7 т/ч и массовом разбавлении сырья паром 1 : 6.

7. Способ получения платинооловянного катализатора одностадийного синтеза изопрена из изопентана и оптимальные условия его эксплуатации, обеспечивающие выход изопрена на пропущенный изопентан, не менее 16 %; конверсию изопентана, не менее 68 %; выход суммы (изопрен + изоамилены) на разложенный изопентан, не менее 75 %.

Апробация результатов работы и публикации. Результаты исследований докладывались на следующих Международных и Российских конференциях: XV International Conference on Chemical Reactors, Helsinki, 2001; VI Российская конференция «Механизмы каталитических реакций», г. Москва, 2002; Конференция, посвященная памяти профессора Ю.И. Ермакова «Молекулярный дизайн катализаторов и катализ в процессах переработки углеводородов и полимеризации», г. Омск, 2005; Международная научная конференции «Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов», г. Казань, 2005; VII международная конференция по интенсификации нефтехимических процессов «Нефтехимия-2005», г.Нижнекамск, 2005; V Российская конфе-ренция с участием стран СНГ «Проблемы дезактивации катализаторов», VI Российская конференция с участием стран СНГ «Научные основы приготовление и технологии катализаторов», г. Новосибирск «Пансионат Химик», 2008; III Российская конференция (с международным участием) «Актуальные проблемы нефтехимии», г. Звенигород, 2009.

Основные результаты работы изложены в 56 печатных работах, в том числе в 32 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 9 патентах на изобретение.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в постановке задачи, формулировке основных направлений и разработке методологии исследования, анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов, организации работ по проведению опытно-промышленных испытаний и производства катализаторов. Вклад автора является решающим во всех разделах работы. Автор благодарит к.х.н. Егорову С. Р. за консультации, оказанные при выполнении работы и обсуждении результатов. Автор принимал участие в подготовке 2 кандидатских диссертаций по теме исследования.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографии из 323 наименований и приложений на 12 страницах. Диссертация изложена на 304 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков, 65 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформированы основные цели и задачи исследования, намечены подходы к их решению.

В первой главе сформулированы требования к катализаторам из условий их эксплуатации, рассмотрены существующие технологии их производства, их достоинства и недостатки, сделаны выводы и постановка задачи исследования.

Изопрен является крупнотоннажным мономером для получения синтетических каучуков, термоэластопластов и резинотехнических изделий. Почти все технологии синтеза изопрена являются каталитическими и экономическая эффективность его производства определяется качеством используемых катализаторов, поэтому повышение конкурентоспособности отечественных изопреновых каучуков на мировом рынке является актуальной задачей.

Промышленный изопрен в РФ получают из изопарафинов С45 по двум базовым технологиям:

- последовательным дегидрированием изопентана до изоамиленов на микросферических алюмохромовых катализаторах с дегидрированием последних в изопрен на железокалиевых катализаторах;

- дегидрированием изобутана на микросферических алюмохромовых катализаторах до изобутилена и последующей его конденсацией с формальдегидом до изопрена.

В обзоре рассмотрены существующие технологии получения катализаторов дегидрирования. Выявлены основные технологические операции, определяющие базовые эксплуатационные свойства получаемых катализаторов, достоинства и недостатки технологий. Описаны условия эксплуатации каталитических систем и сформулированы требования к разрабатываемым катализаторам. Так, для микросферических катализаторов дегидрирования важно не только обеспечить прочность частиц катализатора (определяющую его расходную норму на тонну продукции), но и минимальный абразивный эффект, оказывающий катализатором на транспортные линии и внутренние устройства реактора.

Для железокалиевых систем, учитывая большие единичные мощности реакторов, необходимо создавать особо прочные гранулы катализатора с высокой каталитической активностью и селективностью.

Как наиболее современным и перспективным для ОАО «Нижнекамскнефтехим» способом получения изопрена предложена технология одностадийного синтеза из изопентана на платинооловянном катализаторе. На основании обобщения и анализа опубликованных материалов сделаны выводы и постановка задачи исследования.

Во второй главе описана экспериментальная методическая часть работы: синтезы катализаторов, лабораторные установки испытания каталитической активности, условия проведения опытно-промышленных испытаний, используемые реагенты и состав сырьевых потоков, методы аналитического контроля и применяемые физико-химические методы исследования катализаторов.

Третья глава посвящена разработке промышленной технологии получения микросферического алюмохромового катализатора дегидрирования изопарафинов С45 и результатам их промышленной эксплуатации на ОАО «Нижнекамскнефтехим».

Выбор продукта ТХА-ТГА

Эксплуатационные характеристики микросферических катализаторов дегидрирования, такие как стойкость к истиранию, абразивная активность, стабильность каталитических показателей и фракционного состава в значительной степени определяются свойствами алюмооксидных носителей. На первом этапе проведен анализ импортного (SA-1001) и шести отечественных образцов носителей на основе продуктов термохимической активации тригидрата алюминия (ТХА-ТГА) и выбор наиболее оптимальных для производства катализаторов дегидрирования (табл. 1).

По данным рентгенофазового и термического анализов носители представляют собой смесь фаз бемита, гиббсита и рентгеноаморфного гидроксида алюминия, содержание которого составляет от 46 до 60 масс. %, что отличает промышленные носители от классического продукта ТХА-ТГА с высокой степенью аморфизации. Наличие гиббсита обусловлено неполным терморазложением ТГА, а присутствие бемита свидетельствует о неоптимальном режиме ТХА.

Таблица 1 - Текстурные характеристики промышленных носителей на основе продукта ТХА-ТГА

Носитель марки*

Удельная

поверхность, м2

Объем пор, см3

Dmax, Е

P**

Содержание примесей, масс. %

SБЭТ,

Smicro,

VБЭТ,

Vmicro,

Na2O

SiO2

Fe2O3

SА-1001

329

229

0,23

0,128

39

97

0,15

0,26

0,12

КАТ-01-МС

134

34

0,11

0,017

37

81

0,30

0,03

0,05

АОК 63-94

126

19

0,11

0,009

39

90

0,30

0,03

0,06

Н-1

101

16

0,09

0,008

39

89

0,30

0,05

0,06

ННХК-12МА

95

16

0,09

0,008

39

90

0,25

0,03

0,05

А-3

90

26

0,08

0,012

39

90

0,30

0,02

0,10

А-4

122

82

0,10

0,040

39

88

0,30

0,01

0,02

Примечание: * фракционный состав микрогранул: 71-160 мкм - 90 масс. %, ** Р- стойкость к истиранию

Прочностные характеристики микросферических гранул определяются типом (кристаллические или коагуляционные) и прочностью контактов между образующими их частицами. В ряду рассмотренных образцов наибольшей (97 масс. %) стойкостью к истиранию обладает носитель марки SA-1001, что также подтверждается дополнительным тестом, проведенным по методике ASTM D031A-930-40-P, результаты которого представлены на рисунке 1. Показатели стойкости к истиранию микрогранул отечественных носителей находятся преимущественно на уровне 88-90 масс. %, что также подтверждается тестом ASTM. По данным азотной порометрии для всех образцов характерно мономодальное распределение объема пор с максимумом на дифференциальной кривой в области диаметров 37-39 Е (рис. 2, а).

Пористая структура импортного носителя SA-1001 отличается большей микропористой составляющей, которая определяет до 70 % величины удельной поверхности (Smicro=229 м2/г) и до 56 % объема пор (Vmicro=0,128 см3/г). Поэтому удельная поверхность и порометрический объем отечественных носителей значительно ниже.

По данным СЭМ микрогранулы образца А-3 представляют собой агрегаты округлой формы, состоящие из игольчатых кристаллов диаметром от 1 до 10 мкм, расположенных радиально вокруг общего центра. Микрогранулы А-4 и SA-1001 являются сферическими агрегатами табулярных кристаллов размером более 20 мкм (рис. 3, б и в).

Из совокупности полученных данных для дальнейшей работы по разработке катализатора, нами были отобраны наиболее устойчивые к истиранию и содержащие минимальное количество примесей, но существенно отличающиеся величинами удельной поверхности и общего объема пор, образцы носителей SA-1001, А-3 и А-4.

Оптимизация стадии подготовки алюмооксидного носителя для нанесения активного компонента

Как было показано выше, образцы промышленных носителей содержат значительное (22-43 масс. %) количество гиббсита, который может при растворении в кислых водных растворах и последующем гидролизе образовать гель гидроксида алюминия, который способствует агрегации микрогранул носителя (табл. 2, обр. 1 и 2), вызывать изменения его фракционного состава, что недопустимо для технологии производства микросферических катализаторов.

Для предотвращения образования геля гидроксида алюминия количество гиббсита в промышленных носителях должно быть минимально.

Таблица 2 - Фракционный состав носителя А-3 до и после нанесения Cr2O3

Образец носителя

Содержание фракции, масс. %

> 500 мкм

200-500 мкм

71-200 мкм

< 71 мкм

Исходный

-

1,2

92,4

6,4

После обработки хромовой кислотой и сушки

5,0

20,4

70,6

4,0

После прокаливания при 550 єС, обработки хромовой кислотой и сушки

-

1,7

94,3

4,0

Одним из путей снижения концентрации гиббсита является его дегидратация (табл. 3).

Таблица 3 - Влияние температуры прокаливания на фазовый состав алюмооксидных носителей (=1 ч)

Тпрок, С

Состав по данным РФА*

SA-1001

А-3

А-4

110

Гб-Бм-АФ

Гб-Бм-АФ

Гб-Бм-АФ

450

Гбсл-Бм-АФ

Гбсл-Бм-АФ

Гбсл-Бм-АФ

550

Бм-АФ-(-Al2O3)сл

Бм-АФ-(-Al2O3)сл

Бм-АФ-(-Al2O3)сл

700

г-Al2O3(-Al2O3)сл-AФ

г-Al2O3(-Al2O3)сл-AФ

г-Al2O3(-Al2O3)сл-AФ

800

г-Al2O3(-Al2O3)сл

г-Al2O3(-Al2O3)сл

г-Al2O3(-Al2O3)сл

900

г-Al2O3(-Al2O3)сл

г-Al2O3(-Al2O3)сл

г-Al2O3(-Al2O3)сл

1000

к-(д-)(и-)Al2O3

к-(д-)(и-)начAl2O3

к-(д-)(и-)Al2O3

Примечание. *Гб - гиббсит, Бм - бемит, АФ - аморфная фаза

Прокаленные при 550 С носители не содержат гиббсита и почти полностью состоят из рентгеноаморфного оксида алюминия с небольшим количеством бемита и примесью -Al2O3 и, как следствие, не агломерируются при нанесении Cr2O3 (табл. 2, обр. 3). Изменения фазового состава сопровождаются трансформациями пористой структуры, но не влияют на прочность гранул (табл.4, рис.2,б).

Таблица 4 - Влияние температуры прокаливания на величины удельной поверхности, объем пор и прочность гранул алюмооксидных носителей

Тпрок, С

SA-1001

А-3

А-4

SБЭТ, м2

VБЭТ, см3

ПИ, мас.%

SБЭТ, м2

VБЭТ, см3

ПИ, мас.%

SБЭТ, м2

VБЭТ, см3

ПИ, мас.%

110

329

0,23

97

90

0,08

90

122

0,10

88

550

241

0,23

97

121

0,20

88

164

0,17

88

700

168

0,24

96

140

0,20

92

135

0,22

86

800

145

0,24

96

100

0,22

92

102

0,24

86

900

100

0,23

95

82

0,19

89

87

0,24

84

1000

67

0,22

93

53

0,22

89

58

0,15

84

Так, для отечественных носителей наблюдается значительное увеличение порометрического объема, что позволяет сократить кратность пропиток носителя по влагопоглощению путем приготовления большего количества пропиточного раствора и в более широком интервале варьировать концентрации хрома и калия. Оптимизация длительности прокаливания показала, что для получения носителя, пригодного для нанесения активного компонента из раствора хромовой кислоты, и обеспечения полной дегидратации гиббсита необходимо проводить термическую обработку продукта ТХА-ТГА при температуре не ниже 550 єС в течение 2 ч, после которой носители обладают следующими характеристиками:

- фазовый состав: бемит : Al2O3 (АФ + -Al2O3) = (4-12) : (88-96);

- параметры пористой структуры: SБЭТ=129-235 м2/г, VБЭТ=0,20-0,23 см3/г;

- объем пор по влагопоглощению: 0,6-0,7 см3/г.

Оптимизация стадии нанесения активного компонента (Сr2O3) и промотора (K2O)

Дегидрирующая активность алюмохромовых катализаторов зависит от дисперсности и количества нанесенного Cr2O3. Наибольший выход С34 олефинов отмечается при концентрации атомов хрома на поверхности носителя NCr=8-12 ат/нм2 (число катионов хрома (III) и (VI) на квадратном нанометре поверхности). Поэтому для выбранных носителей с известной величиной удельной поверхности мы рассчитали интервал концентраций Cr2O3 (табл. 5).

Таблица 5 - Текстурные характеристики и расчетные концентрации Cr2O3

Носитель

Структурные характеристики *

Оптимальная концентрация Cr2O3, масс. %

SБЭТ, м2

VБЭТ, см3

SA-1001

114

0,24

11,5-17,3

А-3

109

0,23

11,0-16,5

А-4

103

0,23

10,4-15,6

Примечание. * Температура прокаливания носителя - 750 єС (4 ч)

Поскольку интервалы поверхностных концентраций атомов хрома установлены для непромотированных калием систем, то для обеспечения необходимого выхода олефинов и селективности проведена детальная оптимизация состава катализатора по оксидам хрома (III) и калия. Интервал поверхностных концентраций атомов хрома приняли равным 6,5-13,5 ат/нм2, при котором формируется преимущественно фаза Cr2O3 в кластерах, рентгеноаморфном или микрокристаллическом состояниях с большой долей высокоактивных центров дегидрирования. Синтезировали пять групп катализаторов с фиксированными значениями концентраций хрома:

NCr, ат/нм2

6,5

8,0

9,0

11,0

13,5

С(Cr2O3), масс. %

9,5

11,5

13,0

15,5

20,0

В каждой группе образцов варьировали содержание К2О от 0,5 до 3,5 масс. %.

Для всех образцов определена каталитическая активность и обобщены данные с наилучшими каталитическими показателями (табл. 6). Максимальная селективность в исследованных катализаторах составляет 86-88 масс. %. Она определяется крекирующей активностью катализаторов, на которую существенное влияние оказывает концентрация ионов Cr6+ связанного типа, входящих в состав закрепленных на поверхности алюмооксидного носителя хроматов алюминия.

Таблица 6 - Влияние содержания хрома на свойства образцов в реакции дегидрирования изобутана в изобутилен (Тр=570 С, С(К2O)ср=1,8 масс. %)

NСr,

ат/нм2

С(Cr2О3), масс. %

NCr/NКср, ат/ат

С(Cr6+), масс. %

ВП*,

масс. %

ВР**,

масс.

%

Конверсия

i-C4H10,

масс. %

Общий

Связанный

Растворимый

Носитель SA-1001

6,5

9,5

3,4

2,3

1,1

1,2

46

86

53

8,0

11,5

4,2

2,9

1,2

1,7

47

86

54

9,0

13,0

4,7

3,6

1,2

2,4

48

88

54

11,0

15,5

4,4

4,9

1,3

3,6

46

86

54

13,5

20,0

5,4

5,1

1,3

3,8

46

86

55

Носитель А-3

8,0

11,0

3,8

2,8

1,0

1,8

45

86

52

9,0

12,4

4,3

3,6

1,1

2,4

50

88

57

10,0

13,8

4,8

4,4

1,3

3,1

47

86

55

Носитель А-4

8,0

10,4

3,6

2,9

1,1

1,8

46

87

53

9,0

11,7

4,0

3,4

1,1

2,3

48

87

54

10,0

13,0

4,5

4,2

1,2

3,0

46

85

54

Примечание. *ВП - выход изобутилена на пропущенный изобутан, **ВP- выход изобутилена на разложенный изобутан

При содержании последних от 1,0 до 1,2 масс. % отмечается минимальный выход С13 углеводородов (до 3,7-4,7 мас. %), что достигается при концентрациях оксида калия 2,0-2,5 масс. % при значениях NCr/NК = 2,9-4,8 ат/ат (рис. 4).

Рис. 4 - Влияние концентрации связанных ионов Сr6+ на выход легких С13 углеводородов в реакции дегидрирования изобутана (Тр=570 С) в присутствии катализаторов с различным содержанием К2О

Таким образом, оптимальные составы алюмохромовых катализаторов полученных с использованием выбранных носителей включают:

SА-1001

А-3

А-4

С(Cr2O3), масс. %

13,0

12,4

11,7

С(К2О), масс. %

1,8

1,8

1,8

С(Al2O3), масс. %

85,5

85,8

86,5

Разработанные катализаторы получают путем нанесения предшественников активного компонента и промотора пропиткой прокаленного носителя по влагопоглощению раствором, содержащим хромовый ангидрид и гидроксид калия (либо карбонат калия технический). Для получения 1 т катализатора объем водного раствора для пропитки 1070 кг носителя А-3 составляет 300 л, концентрация хромового ангидрида - 4555 г/л, калия карбоната - 902 г/л. Температура пропиточного раствора должна быть не ниже 50 єС. Температура сушки 120-135 єС, время сушки в промышленных условиях 12 ч.

Выбор и обоснование режима термообработки микросферического алюмохромового катализатора

Активная фаза и структура катализатора формируются в ходе термической обработки данной композиции. При высоких температурах возможно протекание нежелательных процессов кристаллизации б-Cr2O3 (источника малоактивных катионов Cr3+) и формирование неактивной фазы твердого раствора Al2-xCrxO3. Нами проведен эксперимент по определению температур начала образования Al2-xCrxO3 и б-Cr2O3 на поверхности носителей SA-1001, А-3 и А-4 с нанесенным Cr2O3 (12 масс. %) при 750, 800, 850, 900, 950 и 1000 С в течение 6 ч, которые показали, что Al2-xCrxO3 не фиксируется ни в одном из образцов даже после термообработки при 1100 С. При этом б-Cr2O3 рентгенографически регистрируется уже при 900 С в виде характерных для данной фазы дифракционных линий с d/ln=3,626; 2,445-2,458; 2,158-2,163; 1,799-1,806; 1,665 Е (рис. 5).

Следовательно, для закрепления активного компонента на носителе и распределения соединений хрома в наиболее оптимальных для катализатора рентгеноаморфных состояниях образцы после нанесения хрома необходимо прокаливать при температуре не более 800 С. Отмечаемые при высокотемпературных обработках изменения состояний хрома отражаются на каталитических показателях образцов в реакции дегидрирования изобутана (табл. 7).

С учетом температур промышленной эксплуатации катализатора и температуры образования б-Cr2O3 (850 єС) были определены оптимальная температура и время экспозиции катализатора - 750 єС и 4 часа.

Таблица 7 - Влияние температуры прокаливания на содержание Cr6+общ, удельную поверхность и каталитические свойства образцов в реакции дегидрирования изобутана в изобутилен (Т=570 С) на носителе SA-1001

Тпр, єС

Cr6+общ, масс. %

ВП, масс. %

ВР, масс. %

Конверсия, масс. %

Выход С13-углеводородов, масс. %

SБЭТ, м2

750

3,6

48,4

88,1

55,0

3,37

114

800

3,2

47,5

87,8

54,4

3,28

98

850

1,9

30,4

83,0

36,6

2,76

84

950

1,1

17,6

73,6

23,9

2,90

46

Таким образом, для получения активного катализатора со стабильной в условиях эксплуатации структурой необходимо после нанесения на ранее подготовленный носитель соединений хрома и калия проводить термическую обработку при 700-800 С в течение 4 ч, в ходе которой обеспечиваются: стабилизация фазового состава носителя с формированием преимущественно г-Al2O3; стабилизация параметров пористой структуры на уровне SБЭТ=103-114 м2/г, VБЭТ=0,23-0,24 см3/г в зависимости от марки носителя; каталитическая активность в дегидрировании изобутана: выход изобутилена на пропущенный изобутан не менее 48 масс. %, выход изобутилена на разложенный изобутан не менее 87 масс. %

На основании полученных результатов разработаны технические условия на катализатор и технологический регламент на его промышленное производство, которое организовано на ОАО «Химический завод им. Л.Я. Карпова» (г. Менделеевск).

Промышленная реализация технологии производства микросферического алюмохромового катализатора

На основании проведенных исследований предложена промышленная технология производства микросферического алюмохромового катализатора (рис. 6). В основе технологии лежит процесс получения катализаторов методом влажной пропитки подготовленного носителя растворами активных компонентов с последующей термообработкой. По данной технологии произведено 500 т катализатора КДИ.

Опытно-промышленные испытания разработанных микросферических алюмохромовых катализаторов в процессе дегидрирования изобутана

По разработанной технологии было произведено несколько промышленных партий катализатора КДИ с использованием импортного носителя марки SA-1001 и отечественного носителя А-3 (до 240 т) общим количеством около 300 т. Ввиду большой единичной мощности реакторов дегидрирования (300 т катализатора) партию разработанного катализатора КДИ (на носители SA-1001) вводили в реактор с циркулирующим катализатором ИМ-2201. В качестве базы сравнения в параллельный реактор аналогичной емкости вводили близкие по количеству партии (22-26 т) отечественных катализаторов АОК-73-21 или АОК-73-24.

Рис. 6 - Принципиальная технологическая схема производства катализатора: БС-1, БС-2 - барабанные печи, ХБ-1 - барабанный холодильник, Б-1- Б-5 - бункер, РВС - роторно-вакуумная сушилка, С-1 - сборник сокового конденсата, Н-1-Н-3 - насосы, Е-0-Е-

Составы сырьевых потоков и условия проведения процесса были аналогичны в обоих реакторах (рис. 7).

По сравнению с отечественными микросферическими алюмохромовыми катализаторами АОК-73-21, АОК-73-24, получаемыми по сходной технологии, КДИ позволяет понизить температуру процесса на 20 С, увеличить на 10-20 % выход изобутилена, уменьшить на 25 % выход С13 углеводородов и, следовательно, снизить расходные нормы по сырью.

На следующем этапе ОПИ наработано 54, 79 и 104 т катализатора КДИ на отечественном носителе А-3. Партии эксплуатировались при нагрузках по сырью 20, 30 и 35 т/ч. Испытания показали, что увеличение объема загрузки разработанного катализатора и объемной скорости подачи сырья позволяет увеличить выход изобутилена в контактном газе до 27-32 масс. %, снизить долю продуктов крекинга до 2,9 масс. %, температуру в зоне реакции с 577 до 557 єС (рис. 8). Образец катализатора на отечественном носителе А-3 превосходит по активности катализатор на импортном SA-1001. При совместной эксплуатации КДИ в смеси с ИМ-2201 происходит интенсивное разрушение менее прочных частиц последнего. Эти катализаторы имеют оптимальные температуры эксплуатации, 557-562 С и 565-580 С соответственно, поэтому одновременное применение в одном реакторе нежелательно.

С целью повышения эффективности работы реакторного блока руководством ОАО «Нижнекамскнефтехим» принято решение о промышленной эксплуатации КДИ, синтезированного на отечественном алюмооксидном носителе, без добавления в реактор других катализаторов. Рекомендовано эксплуатировать разработанный катализатор при температуре 557-562 С и нагрузке по сырью 35-37 т/ч.

В четвертой главе представлена разработка промышленной технологии производства железокалиевых катализаторов и основные результаты их эксплуатации на ОАО «Нижнекамскнефтехим».

Выбор железооксидного пигмента

Из литературы известно, что железооксидные пигменты, пригодные для синтеза катализаторов дегидрирования, должны содержать минимальное количество примесей кислотного и щелочного характера. На основании элементного анализа десяти отечественных и импортных образцов пигментов было отобрано четыре: G-1(Китай, марка 110), G-2 (Чехия, марка ТР 303), G-3 (Китай, марка R 101), G-4 (Индия, Grade III), содержащих минимальное количество примесей. По данным РФА все пигменты представляют собой оксид железа (III) б кристаллографической модификации. Пигменты G-1, G-2 и G-3 имеют близкие размеры первичных микрокристаллитов, но разную степень агломерации, о чем свидетельствуют данные дисперсионного анализа (табл. 8).

Таблица 8 - Результаты дисперсионного анализа пигментов селективного химического и рентгенофазового анализов продуктов их взаимодействия с карбонатом калия (условия прокаливания образцов: Т = 750 °С, ф =3 ч)

Пиг-мен-ты

Диаметр вторичных частиц, нм

сн,* г/см3

Sуд*, м2

СХА, %

РФА Sпиков, отн.ед.

Dср

Dmax

К2СО3

К2Fe2O3

d=11.90, Е**

(K2Fe22O34)

d=3.67, Е***

(б-Fe2O3)

D104, нм

G-1

426

372

1,25

14,78

6,5

15

93,5

38,7

45,6

G-2

635

508

1,25

10,86

4,1

23

117,5

26,7

48,5

G-3

824

932

1,28

8,10

5,2

19

132,6

29,4

48,7

G-4

7397

10901

2,56

1,15

7,7

13

74,4

36,9

72,9

Примечание. * Рассчитаны по данным дисперсионного анализа, ** межплоскостные расстояния по грани 002, *** межплоскостные расстояния по грани 102

Полученные методом дисперсионного анализа, значения величины удельной поверхности хорошо согласуются с данными порометрии по адсорбции азота, по результатам которой, например, у G-2 удельная поверхность равна 10,2 м2/г.

Для установления корреляции размера вторичных частиц гематита и продуктами их твердофазного взаимодействия с К2CO3 (моно- и полиферритов калия), были приготовлены образцы катализаторов и исследованы методами селективного химического (СХА) и рентгенофазового (РФА) анализов (табл.8). По данным последнего, они представляют собой смесь нескольких фаз: феррита калия, гематита и церианита. В качестве количественной характеристики гематита и феррита калия принята площадь соответствующих дифракционных линий. Из приведенных данных следует, что использование пигментов G-2 и G-3 позволяет достичь более полного твердофазного взаимодействия между исходными компонентами с образованием наибольшего количества феррита калия.

Содержание моноферритов калия и карбоната калия, дифракционные линии которых не фиксируются на рентгенограммах, ввиду малой чувствительности метода и возможности существования фаз в рентгеноаморфном состоянии, были определены методом селективного химического анализа (СХА). Из таблицы 8 следует, что образцы 2 и 3 имеют минимальное количество свободного карбоната калия и гематита и максимальное содержание моноферрита калия, что свидетельствует о более полном взаимодействии этих компонентов. Это позволяет предположить, что наиболее глубокое твердофазное взаимодействие исходных компонентов происходит при использовании пигментов с размером вторичных частиц 500-900 мкм.

Таким образом, основные требования к пигменту для приготовления железооксидных катализаторов - минимальное количество примесей сульфатов (не более 1,0 %), хлоридов (не более 0,01 %) и ионов натрия (не более 0,07 %), ОКР ~ 450-500 Е, насыпная плотность в диапазоне 1,2-1,3 г/см3, удельная поверхность 8-10 м2/г и размер частиц 500-900 мкм. Именно такие пигменты позволяют получить образцы, содержащие наибольшее количество моно- и полиферритной фаз, определяющих каталитическую активность в процессе дегидрирования метилбутенов.

Оптимизация соотношения Fe2O3/K2O в катализаторе и влияние промоторов на содержание активной фазы

Формирование каталитически активной ферритной фазы в железокалиевом катализаторе по данным ДСК и РФА методов происходит при топохимическом взаимодействии гематита с карбонатом калия при 600-800 єС. Модельные смеси гематита и карбоната калия в антибатных соотношениях прокаливали при 850 єС в течение 3 часов. Результаты РФА и СХА методов анализа представлены на рисунке 9, из которых следует, что максимальное количество ферритов калия образуется при соотношении Fe2O3:K2СO3 = 75:25.

Рис. 9 - Зависимости содержания фаз прокаленных модельных образцов от концентрации карбоната калия

С целью уточнения оптимального соотношения гематита и карбоната калия были приготовлены образцы катализаторов с введением структурных и каталитических промоторов.

Результаты РФА, СХА и каталитической активности полученных катализаторов представлены в таблице 9, из которой следует, что введение промоторов способствует формированию большего количества ферритной фазы, а оптимальным соотношением Fe2O3:K2СO3 является 80:20, позволяющее достичь максимальных эксплуатационных показателей, обусловленных оптимальным соотношением ферритов калия при минимальном содержании свободного гематита и карбоната калия.

Таблица 9 - Данные рентгенофазового анализа и каталитические свойства образцов катализаторов с различным соотношением Fe2O3/ K2CO3

<...

Содержание в катализаторе,масс. %

РФА Sпиков, отн.ед.

СХА, %

Каталитическая активность, масс. %

Fe2O3

K2CO3

d=2.70, Е (б -Fe2O3)

d=11.90, Е (K2Fe22O34)

d=3.12, Е (CeO2)

K2Fe2O4

K2Fe22O34

K2CO3

ВП

ВP

ЛУ*

85

15

144

37

62

3,2

6,2

5,8

48,0

86,8

4,5

80

20

54

64

54

6,8

9,3

8,3

46,5

89,8

2,8

75

25


Подобные документы

  • Производство и применение катализаторов синтеза аммиака. Строение оксидного катализатора, влияние на активность условий его восстановления. Механизм и кинетика восстановления. Термогравиметрическая установка восстановления катализаторов синтеза аммиака.

    дипломная работа [822,5 K], добавлен 16.05.2011

  • Физико-химические процессы при приготовление многокомпонентных катализаторов. Получение катализаторов методом осаждения. Анализ влияния условий приготовления на величину поверхности силикагеля. Катализаторы для процессов дегидрирования метанола.

    дипломная работа [998,9 K], добавлен 20.05.2015

  • Сущность и цели ТПП. Технологическая подготовка единичного и мелкосерийного производства. Правила построения топологии сетевой модели. Разработка межцеховых технологических маршрутов. Порядок расчета параметров событий. Научно-исследовательские работы.

    реферат [1,2 M], добавлен 26.01.2013

  • Совершенствование технологических процессов производства продуктов высокой степени готовности из зернового сырья казахстанской селекции. Оценка технологических процессов измельчения зернового сырья, смешивания и экструдирования полизлаковой смеси.

    научная работа [3,2 M], добавлен 06.03.2014

  • Анализ точности и стабильности и стабильности технологических процессов производства продукции и применение понятий воспроизводимости процесса и воспроизводимости оборудования. Индекс воспроизводимости и методы его расчета. Характеристика результатов.

    реферат [204,2 K], добавлен 17.12.2008

  • Три вида исходной информации при разработке технологических процессов: базовая, руководящая и справочная. Выполнение рабочего чертежа детали. Тип производства и методы изготовления изделий при разработке технологических процессов с применением ЭВМ.

    реферат [1,1 M], добавлен 07.03.2009

  • Организация научно-технической подготовки производства к выпуску новой продукции. Описание научно-технических исследований и конструкторской подготовки на предприятии. Оранизационно-технологическая и проектно-конструкторская подготовка.

    курсовая работа [53,5 K], добавлен 13.01.2009

  • Основные понятия о технологических процессах прокатного и кузнечнопрессового производства. Структура и элементы технологических процессов прокатного и кузнечнопрессового. Классификация технологических процессов. Оборудование. Оснастка. Изделия.

    контрольная работа [60,4 K], добавлен 10.11.2008

  • Развитие машиностроительного производства. Разработка, изготовление автотехники и автокомпонентов на предприятии. Эксплуатационно-технический сервис грузовых автомобилей. Система корпоративного управления организации. Разработка технологических процессов.

    контрольная работа [19,0 K], добавлен 15.03.2015

  • Тенденции развития органического синтеза. Синтез-газ как альтернатива нефти. Получение этанола прямой каталитической гидратацией этилена. Замена двухстадийного процесса синтеза ацетальдегида из этилена через этанол одностадийным окислительным процессом.

    курсовая работа [116,4 K], добавлен 27.02.2015

  • Изучение закономерностей развития и основ стандартизации технологии. Рассмотрение особенностей технологических процессов в химической, металлургической сферах, машиностроении и строительстве. Анализ прогрессивных технологий информатизации производства.

    курс лекций [936,9 K], добавлен 17.03.2010

  • Нормативные и законодательные документы в области контроля качества катализаторов. Основные характеристики катализаторов и требования к ним. Выбор оптимального силикатного модуля в катализаторе. Разработка и оформление проекта технических условий.

    дипломная работа [1,1 M], добавлен 25.09.2014

  • Свойства, химическая формула и способы получения оксида ванадия. Общая характеристика основных технологий извлечения ванадия из отходов промышленных производств. Проблемы переработки отработанных ванадиевых катализаторов сернокислотного производства.

    курсовая работа [62,9 K], добавлен 11.10.2010

  • Создание новых видов продукции. Методы сравнения технологических процессов. Содержание, организация и этапы подготовки производства. Характеристика основных фондов предприятия. Особенности технологической подготовки производства на примере примере ОАО "МЗ

    курсовая работа [53,1 K], добавлен 04.05.2015

  • Определение типа производства. Служебное назначение детали "Корпус". Материал детали и его свойства. Анализ технологичности конструкции. Выбор заготовки и разработка технологических операций. Расчёт припусков, технологических размеров и режимов резания.

    курсовая работа [229,5 K], добавлен 04.02.2015

  • Анализ и выбор оптимальной схемы технологических процессов производства. Разработка и содержание таблиц суточного и годового материального баланса. Технохимический контроль производства. Расчет и подбор, обоснование технологического оборудования.

    курсовая работа [259,0 K], добавлен 01.04.2016

  • Выбор и обоснование способа печати. Разработка общей схемы технологических процессов печатного производства. Расчет загрузки рулонных печатных машин. Расчет годовой трудоемкости печатания блока и необходимого количества бумаги для изготовления изданий.

    курсовая работа [2,3 M], добавлен 23.12.2012

  • Служебное назначение и анализ технологичности конструкции изделия. Разработка технологического процесса сборки. Обоснование технологических баз. Предварительная разработка маршрутного технологического процесса изготовления детали. Расчёт режимов резания.

    дипломная работа [832,0 K], добавлен 29.06.2009

  • ДСП и технология их изготовления. Химические материалы и оборудование для производства ДСП и ДВП. Разработка конструкции рубительной машины, её узлов и основных деталей. Расчет мощности привода механизма резания, разработка технологических карт.

    дипломная работа [683,9 K], добавлен 09.12.2016

  • Определение типа производства. Служебное назначение детали, используемые для ее изготовления материалы и инструменты, требования к оборудованию, анализ технологичности конструкции. Разработка технологических операций. Расчет припусков и размеров.

    курсовая работа [140,0 K], добавлен 01.12.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.