Помощь студентам в учебе
Исследование состава и свойств электровзрывных железных катализаторов
|
Введение
1 Теоретическая часть 14
1.1 Синтез Фишера-Тропша 14
1.2 Методы получения синтез-газа 15
1.3 Химические реакции 16
1.4 Катализаторы процесса 17
1.5 Производство железных катализаторов для синтеза Фишера-Троаша 21
1.5.1 Метод осаждения 21
1.5.2 Нанесение (пропитка) активного компонента на основу 23
1.5.3 Метод плавления 24
1.5.4 Спеченные катализаторы 24
1.5.5 Метод разложения солей 25
1.6 Механизм протекания процесса Фишера-Тропша 25
1.7 Реакторы 28
1.8 Кинетика реакций 31
1.9 Продукты процесса Фишера-Тропша 33
2 Практическая часть 40
2.1 Исследуемый материал 40
2.2 Методы исследования катализаторов и продуктов синтеза 44
2.2.1 Определение гранулометрического состава 44
2.2.2 Удельная поверхность и пористость катализатора 46
2.2.3 Рентгенофазовый анализ 47
2.2.4 Сканирующая микроскопия 49
2.2.5 Электронный парамагнитный резонанс 50
2.2.6 Хроматографический анализ продуктов 51
2.3 Результаты исследований и их обсуждения 53
2.4 Проведение эксперимента 59
3 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 64
4 Социальная ответственность
Заключение 93
Список публикаций 95
Список используемых источников 96
Приложение А 104
Приложение Б Рентгенограммы элементного состава ультрадисперсных железных катализаторов 117
1 Теоретическая часть 14
1.1 Синтез Фишера-Тропша 14
1.2 Методы получения синтез-газа 15
1.3 Химические реакции 16
1.4 Катализаторы процесса 17
1.5 Производство железных катализаторов для синтеза Фишера-Троаша 21
1.5.1 Метод осаждения 21
1.5.2 Нанесение (пропитка) активного компонента на основу 23
1.5.3 Метод плавления 24
1.5.4 Спеченные катализаторы 24
1.5.5 Метод разложения солей 25
1.6 Механизм протекания процесса Фишера-Тропша 25
1.7 Реакторы 28
1.8 Кинетика реакций 31
1.9 Продукты процесса Фишера-Тропша 33
2 Практическая часть 40
2.1 Исследуемый материал 40
2.2 Методы исследования катализаторов и продуктов синтеза 44
2.2.1 Определение гранулометрического состава 44
2.2.2 Удельная поверхность и пористость катализатора 46
2.2.3 Рентгенофазовый анализ 47
2.2.4 Сканирующая микроскопия 49
2.2.5 Электронный парамагнитный резонанс 50
2.2.6 Хроматографический анализ продуктов 51
2.3 Результаты исследований и их обсуждения 53
2.4 Проведение эксперимента 59
3 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 64
4 Социальная ответственность
Заключение 93
Список публикаций 95
Список используемых источников 96
Приложение А 104
Приложение Б Рентгенограммы элементного состава ультрадисперсных железных катализаторов 117
Актуальность темы:
Более 60 % общего потребления энергии и энергоносителей в развитых странах приходится на моторные топлива, химическую промышленность и металлургию и, следовательно, не может быть восполнено за счет атомной и гидроэнергетики. Этот сектор потребления должен быть обеспечен химическим углеводородным сырьем. В настоящее время, более 70 % потребностей в моторных топливах и химическом сырье обеспечивает добываемая нефть. Ограниченность известных запасов нефти обусловливает необходимость поиска новых источников для производства моторных топлив и сырья для химической промышленности. Очевидными альтернативами нефти могут быть природный газ, уголь и биомасса. Запасы природного газа по современным представлениям практически неисчерпаемы, поскольку даже при удвоенном современном объеме потребления его запасы, включая законсервированные в океанах в виде гидратов метана, могут быть достаточными на десятки тысяч лет. Именно поэтому большую роль в современной науке играют GTL- технологии.
Катализатор на современном GTL производстве играет ключевую роль в оформлении процесса. Выбор типа катализатора зависит, прежде всего, от потребностей рынка в конечных продуктах и исходного сырья. Так, например, кобальтовые катализаторы, которые обладают высокой гидрирующей способностью, имеют больший выход среднедистиллятной фракции по сравнению с железными, однако работать при низких соотношениях H2:CO с высокой конверсией и низким выходом метана они не способны. С другой стороны, преимуществами железных катализаторов могут служить следующие факторы:
- низкий выход метана (даже при высоких температурах);
- способность практически селективно синтезировать олефины;
- дешевизна, кобальтовые катализаторы дороже примерно в 4,5 раза;
- способность работать при низком соотношении H2:CO;
- высокая селективность в образовании углеводородов изостроения (до 5-10 %).
Целью данной работы является: исследование состава и свойств ультрадисперсных катализаторов на основе железа, полученных методом электрического взрыва, и проведение синтеза Фишера-Тропша на полученных катализаторах.
Задачи исследования:
- определение удельной поверхности и размера пор;
- проведение рентгенофазового анализа;
- изучение дисперсного состава с помощью сканирующей электронной микроскопии;
- определение концентрации парамагнитных частиц методом электронного парамагнитного резонанса;
- проверка работоспособности катализатора при давлении
1,6 - 1,10 МПа;
- оценка целесообразности использования данного типа каталитических систем в синтезе Фишера-Тропша.
Объект исследования. Объектом исследования в данной работе являются ультрадисперсные железные катализаторы, полученные методом
электрического взрыва в различных газовых средах.
Предмет исследования. Предметом исследования являются состав и свойства катализаторов, перспектива использования данных катализаторов в синтезе Фишера-Тропша.
Новизна работы:
1. В диссертации продолжены исследования железных катализаторов, полученных методом электрического взрыва в газовых средах оксида и диоксида углерода и азота, с использованием инструментальных методов.
2. Установлено, что свойства и состав катализаторов, приобретаемые в процессе электрического взрыва, влияют на выход и состав продуктов процесса Фишера-Тропша.
Практическая значимость. Внедрение ультрадисперсных железных катализаторов, полученных методом электрического взрыва, на нефтегазоперерабатывающие предприятия обеспечит улучшение экологии производства и увеличит глубину переработки сырья.
Более 60 % общего потребления энергии и энергоносителей в развитых странах приходится на моторные топлива, химическую промышленность и металлургию и, следовательно, не может быть восполнено за счет атомной и гидроэнергетики. Этот сектор потребления должен быть обеспечен химическим углеводородным сырьем. В настоящее время, более 70 % потребностей в моторных топливах и химическом сырье обеспечивает добываемая нефть. Ограниченность известных запасов нефти обусловливает необходимость поиска новых источников для производства моторных топлив и сырья для химической промышленности. Очевидными альтернативами нефти могут быть природный газ, уголь и биомасса. Запасы природного газа по современным представлениям практически неисчерпаемы, поскольку даже при удвоенном современном объеме потребления его запасы, включая законсервированные в океанах в виде гидратов метана, могут быть достаточными на десятки тысяч лет. Именно поэтому большую роль в современной науке играют GTL- технологии.
Катализатор на современном GTL производстве играет ключевую роль в оформлении процесса. Выбор типа катализатора зависит, прежде всего, от потребностей рынка в конечных продуктах и исходного сырья. Так, например, кобальтовые катализаторы, которые обладают высокой гидрирующей способностью, имеют больший выход среднедистиллятной фракции по сравнению с железными, однако работать при низких соотношениях H2:CO с высокой конверсией и низким выходом метана они не способны. С другой стороны, преимуществами железных катализаторов могут служить следующие факторы:
- низкий выход метана (даже при высоких температурах);
- способность практически селективно синтезировать олефины;
- дешевизна, кобальтовые катализаторы дороже примерно в 4,5 раза;
- способность работать при низком соотношении H2:CO;
- высокая селективность в образовании углеводородов изостроения (до 5-10 %).
Целью данной работы является: исследование состава и свойств ультрадисперсных катализаторов на основе железа, полученных методом электрического взрыва, и проведение синтеза Фишера-Тропша на полученных катализаторах.
Задачи исследования:
- определение удельной поверхности и размера пор;
- проведение рентгенофазового анализа;
- изучение дисперсного состава с помощью сканирующей электронной микроскопии;
- определение концентрации парамагнитных частиц методом электронного парамагнитного резонанса;
- проверка работоспособности катализатора при давлении
1,6 - 1,10 МПа;
- оценка целесообразности использования данного типа каталитических систем в синтезе Фишера-Тропша.
Объект исследования. Объектом исследования в данной работе являются ультрадисперсные железные катализаторы, полученные методом
электрического взрыва в различных газовых средах.
Предмет исследования. Предметом исследования являются состав и свойства катализаторов, перспектива использования данных катализаторов в синтезе Фишера-Тропша.
Новизна работы:
1. В диссертации продолжены исследования железных катализаторов, полученных методом электрического взрыва в газовых средах оксида и диоксида углерода и азота, с использованием инструментальных методов.
2. Установлено, что свойства и состав катализаторов, приобретаемые в процессе электрического взрыва, влияют на выход и состав продуктов процесса Фишера-Тропша.
Практическая значимость. Внедрение ультрадисперсных железных катализаторов, полученных методом электрического взрыва, на нефтегазоперерабатывающие предприятия обеспечит улучшение экологии производства и увеличит глубину переработки сырья.
Исследуемые катализаторы были получены методом электрического взрыва в газовых средах оксида и диоксида углерода и азота.
Метод электрического взрыва проводится с помощь пропускания через железную проволоку импульсного тока большой плотности, что приводит к образованию мельчайших сферических частиц размером 4,5 - 500 мкм с большой поверхностной энергией. Количество неспаренных электронов составляет 1,162-1016. Высокая скорость ввода энергии дает возможность перегрева материала, что приводит к образованию различных модификаций железа (магнетит, феррит и аустенит). Магнетит является матрицей, на которой расположены наиболее активные частицы феррита (a-железо) и аустенита (у- железо). Равномерное расположение а- и у-железа по поверхности придает катализатору высокую реакционную активность. Полученные ультрадисперсные порошки обладают развитой удельной поверхностью (до 10 м /г), по сравнению с промышленным плавленым железным катализатором СА-1 (0,9 м2/г).
Железные катализаторы, полученные методом ЭВП в среде оксида углерода, не требуют предварительной подготовки в процессе синтеза гидрирования СО, так как активный фазовый состав формируется в процессе взрыва, как исходным составом железной проволоки, так и газовой средой. Данный образец в своем составе имеет карбиды и оксиды железа, которые повышают селективность жидких углеводородов бензиновой фракции, по отношению к катализаторам, полученным методом пропитки, спекания и плавления.
В результате синтеза Фишера-Тропша на катализаторе Fe(CO) был получен жидкий продукт с малым количеством кислородсодержащих, ароматических, нафтеновых и олефиновых углеводородов (0,03; 10,5; 4,2;
12,9 % массовых соответственно). В смеси преобладают парафиновые и изопарафиновые (54,6; 17,6 % массовых) соединения, что соответствует
требованиям ГОСТ Р 51105 - 97. По фракционному составу жидкий продукт является более «тяжелым», и отгоняется при более высоких температурах, чем неэтилерованные бензины.
Катализаторы, полученные методом электрического взрыва, рекомендуются для использования в процессах гидрирования оксида углерода с целью получения газообразных олефинов (С2 - С4) для полимеризации и органических синтезов, олефины (С5 - С11) для переработки в спирты- пластификаторы, углеводороды (С9 - С18) для производства синтетических моющих средств и моторных топлив.
Метод электрического взрыва проводится с помощь пропускания через железную проволоку импульсного тока большой плотности, что приводит к образованию мельчайших сферических частиц размером 4,5 - 500 мкм с большой поверхностной энергией. Количество неспаренных электронов составляет 1,162-1016. Высокая скорость ввода энергии дает возможность перегрева материала, что приводит к образованию различных модификаций железа (магнетит, феррит и аустенит). Магнетит является матрицей, на которой расположены наиболее активные частицы феррита (a-железо) и аустенита (у- железо). Равномерное расположение а- и у-железа по поверхности придает катализатору высокую реакционную активность. Полученные ультрадисперсные порошки обладают развитой удельной поверхностью (до 10 м /г), по сравнению с промышленным плавленым железным катализатором СА-1 (0,9 м2/г).
Железные катализаторы, полученные методом ЭВП в среде оксида углерода, не требуют предварительной подготовки в процессе синтеза гидрирования СО, так как активный фазовый состав формируется в процессе взрыва, как исходным составом железной проволоки, так и газовой средой. Данный образец в своем составе имеет карбиды и оксиды железа, которые повышают селективность жидких углеводородов бензиновой фракции, по отношению к катализаторам, полученным методом пропитки, спекания и плавления.
В результате синтеза Фишера-Тропша на катализаторе Fe(CO) был получен жидкий продукт с малым количеством кислородсодержащих, ароматических, нафтеновых и олефиновых углеводородов (0,03; 10,5; 4,2;
12,9 % массовых соответственно). В смеси преобладают парафиновые и изопарафиновые (54,6; 17,6 % массовых) соединения, что соответствует
требованиям ГОСТ Р 51105 - 97. По фракционному составу жидкий продукт является более «тяжелым», и отгоняется при более высоких температурах, чем неэтилерованные бензины.
Катализаторы, полученные методом электрического взрыва, рекомендуются для использования в процессах гидрирования оксида углерода с целью получения газообразных олефинов (С2 - С4) для полимеризации и органических синтезов, олефины (С5 - С11) для переработки в спирты- пластификаторы, углеводороды (С9 - С18) для производства синтетических моющих средств и моторных топлив.