Введение 10
1 Обзор литературы 11
1.1 Химизм процесса 11
1.2 Механизм синтеза из СО и Н2 14
1.3 Кинетические модели процесса из СО и Н2 18
1.4 Технологические основы синтеза Фишера-Тропша 20
1.5 Катализаторы синтеза 25
1.6 Принципы построения математических моделей многокомпонентных химических процессов 28
2 Объект и методы исследования 29
3 Расчёты и аналитика 34
3.1 Получение, обработка и анализ экспериментальных данных 34
3.2 Проведение термодинамических расчётов 37
3.3 Формирование кинетической модели для ультрадисперсного 41
катализатора
4 Результаты проведенного исследования 44
5 Раздел «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресур- 49
сосбережение»
6. Раздел «Социальная ответственность» 70
Заключение 88
Список публикаций студента 90
Список используемых источников 91
Приложение А - Технологическая схема лабораторной установки про- 95 цесса синтеза оксида углерода и водорода
Приложение Б - Кинетические зависимости продуктов синтеза 97
Приложение В - Результаты термодинамических расчётов 100
Приложение Г - Расчёт в среде программирования Gaussian 104
Приложение Ж - Расчет выхода продуктов синтеза Фишера-Тропша на 105
ультрадисперсном железном катализаторе в среде программы Pascal Приложение Е - Английская часть 111
В настоящее время, в связи с потребностью поиска альтернативных источников углеводородов для топливной и нефтехимической промышленности, все больше внимания уделяется изучению синтезов на основе оксида углерода и водорода.
Существуют большие запасы каменного угля, которые могут быть использованы в качестве источника топлива по мере истощения запасов нефти. Сочетание газификации биомассы и синтеза Фишера-Тропша - это способ производства возобновляемого или «зелёного» автомобильного топлива. При получении топлив с помощью синтезов на основе оксида углерода и водорода уменьшается наносимый вред окружающей среде от работы двигателей.
Также, необходимо отметить, что происходит сжигание сопутствующего газа при добыче или переработке нефти на нефтеперерабатывающих и химических заводах в больших масштабах. Так, Национальное управление океанических и атмосферных исследований США сделали оценки масштабов сжигания газа. По этим оценкам в России сжигается около 50 миллиардов кубометров в год, хотя официальные цифры около 15—20 миллиардов кубических метров в год. В Нигерии сжигается около 23 миллиардов кубических метров. Этот сопутствующий газ мог бы отправиться на нужды производства синтетических жидких углеводородов (моторные топлива, масла, парафины и т.п.) из оксида углерода и водорода, как для потребления на месте (обеспечение топливом и маслами для автотранспорта, дизель - генераторов и т.п.), так и для транспортировки в другие регионы потребления в жидком виде.
Поэтому получение углеводородов топливного назначения из синтез - газа по Фишеру-Тропшу в последнее время вновь привлекает внимание многих исследователей, химических компаний.
Проведены исследования синтеза Фишера-Тропша на ультрадисперсном железосодержащем катализаторе при варьировании температуры и расхода исходной смеси газов. Составлен материальный баланс.
При анализе результатов было выявлено, что с увеличением температуры возрастает выход аренов, изоалканов, в то время как выход алкенов и циклоалканов снижается. Максимальный выход продуктов синтеза приходится на углеводороды с числом атомов углерода в молекуле 7-10.
Результаты термодинамических расчетов энергии Гиббса и констант равновесия показали, что возможно образование углеводородов из оксида углерода и водорода, при этом протекающие химические реакции являются необратимыми.
На основании анализа механизма синтеза Фишера-Тропша, полученных экспериментальных данных и термодинамических расчётов составлена совокупность брутто-реакций процесса образования алканов, алкенов, изоалканов, циклоалканов и аренов.
Сформирована кинетическая модель многокомпонентного процесса синтеза Фишера-Тропша на ультрадисперсном катализаторе. Особенностью данной модели является учёт распределений компонентов по числу атомов углерода в молекуле в различных гомологических группах. С использованием полученных экспериментальных данных были оценены значения кинетических констант.
Для расчета по математической модели кинетики синтеза Фишера- Тропша на ультрадисперсном железосодержащем катализаторе была разработана программа расчёта на языке Pascal.
Средняя погрешность, рассчитанная при сравнении полученных экспериментальных и расчётных данных, составила 4 %.
Степень превращения по монооксиду углерода возрастает при повышении температуры и времени контакта, при температуре 275 оС достигает 98 %.
Установлено, что на данном катализаторе состав жидких продуктов сильно отличается от ранее применяемых катализаторов содержанием изоалканов (17,6 % масс.), циклоалканов (4,2 % масс.) и аренов (10,5 % масс.).
Установлено, что с повышением температуры проведения синтеза Фишера - Тропша увеличивается выход углеводов в гомологических рядах. Значительный рост наблюдается у алканов и изоалканов.
В разделе финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение определена ресурсная (ресурсосберегающая), финансовая, бюджетная, социальная и экономическая эффективность исследования. Бюджет затрат НТИ составил 7234109 руб.
В разделе социальная ответственность выполнен анализ вредных и опасных факторов, способов защиты людей, разработаны мероприятия в условиях чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
