научная статья по теме ЖЕЛЕЗНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ СИНТЕЗА ФИШЕРА–ТРОПША НА ОСНОВЕ ВОЛОКНИСТОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ЖЕЛЕЗНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ СИНТЕЗА ФИШЕРА–ТРОПША НА ОСНОВЕ ВОЛОКНИСТОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА»

НЕФТЕХИМИЯ, 2011, том 51, № 5, с. 323-329

УДК 66.095.92

ЖЕЛЕЗНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ СИНТЕЗА ФИШЕРА-ТРОПША НА ОСНОВЕ ВОЛОКНИСТОГО УГЛЕРОДНОГО МАТЕРИАЛА

© 2011 г. А. Ю. Крылова, А. А. Панин, А. С. Лядов, С. А. Сагитов, В. И. Куркин, Ю. Г. Кряжев1

Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН, Москва E-mail: krylova@ips.ac.ru 1 Институт проблем переработки углеводородов Сибирского отдеоения РАН, Омск Поступила в редакцию 14.10.2010 г.

Изучены железные катализаторы на основе активированного волокнистого углеродного материала (АВУМ), отличающиеся высокой производительностью в синтезе углеводородов из СО и Н2. Показано, что модифицирование катализаторов Fe/АВУМ оксидами калия и алюминия, а также медью приводит к снижению оптимальной температуры синтеза Фишера—Тропша и повышению полиме-ризационной активности катализаторов.

Синтез Фишера—Тропша лежит в основе целого ряда альтернативных методов производства различных углеводородных продуктов из природного и попутного нефтяного газа, угля, торфа, горючих сланцев и биомассы различного происхождения. Интерес к этому процессу остается актуальным, поскольку с его помощью можно решать экологические проблемы, связанные со снижением газовых выбросов в атмосферу, а также синтезировать ряд ценных продуктов, в частности, сырье для органического и нефтехимического синтеза (олефи-нов, спиртов, альдегидов).

Синтез Фишера—Тропша протекает в присутствии катализаторов на основе переходных металлов VIII группы. В промышленности используют, как правило, катализаторы на основе кобальта или железа. Железные катализаторы применяют преимущественно в процессах СТЬ и БТЬ ("уголь в жидкость" и "биомасса в жидкость", соответственно), поскольку они способны работать при низком отношении Н2 : СО, равном 0.5—1 (синтез-газ такого состава получается при газификации угля и твердых органических отходов). Вследствие большей технологической гибкости железных катализаторов, которая связана с возможностью селективного синтеза соединений различных групп (парафинов, олефи-нов, спиртов), эти системы находят применение в реализации различных процессов нефтехимической направленности.

В лабораторной и промышленной практике для приготовления катализаторов в качестве носителей используют в основном оксиды кремния, алюминия и титана, смешанные оксиды кремния и алюминия (в том числе, цеолиты). Лишь изредка применяется углерод (в основном, активированный уголь) [1]. Несмотря на то, что углеродные носители выгодно отличаются от оксидов большой удельной поверх-

ностью, инертностью, стойкостью в кислотах и основаниях, в синтезе Фишера—Тропша они применяются довольно редко, в основном при проведении оценок сравнительной активности катализаторов [2].

В конце 1980-ых гг. было предпринято систематическое изучение особенностей гидрирования СО на катализаторах, содержащих в качестве носителя углеродное полотно [3—5]. В частности, было показано, что в присутствии катализаторов на основе переходных металлов VIII группы (N1, Со, Бе, Р^ Рё) при атмосферном давлении синтез-газ превращается преимущественно в метан [3]. Активность этих катализаторов зависела от природы и содержания активного компонента, а также от природы и наличия модифицирующей добавки. Отличительной особенностью изученных систем явилась их высокая удельная активность. На всех указанных катализаторах были достигнуты высокие значения конверсии СО (выше 90%) при малом содержании металла (3—7%). Однако авторам не удалось получить при атмосферном давлении высокий выход жидких углеводородных продуктов даже при использовании промотированных кобальтовых катализаторов [4, 5], хотя активность Со в синтезе Фишера—Тропша при атмосферном давлении хорошо известна.

С начала 2000-х годов вновь стали появляться работы, посвященные синтезу Фишера—Тропша в присутствии катализаторов, содержащих углеродные носители, что, по-видимому, связано с общим возрастанием интереса к углероду в его различных модификациях (активированному углю, кристаллическому и волокнистому углероду, углеродным волокнам и т.д.). В частности, в ряде работ было показано [6—8], что катализаторы Бе/АС (где АС — активированный уголь) в типичных условиях синтеза Фишера—Тропша на железных катализаторах (то есть при давлении 20—30 атм и температурах 250—

Рис. 1. Микрофотографии НУМ ( а) и Бе-катализатора на его основе после проведения синтеза (б).

300°С) позволяют синтезировать смеси жидких и твердых углеводородных продуктов с высоким значением ШФ-альфа (до 0.91).

В последнее десятилетие привлекает интерес новое поколение углеродных адсорбентов и носителей — активированные углеродные волокнистые материалы (АУВМ) [9]. Они могут быть получены в удобной физической форме (ткани, нетканые полотна, жгуты, резаные волокна и т. д.). Кроме того, АУВМ характеризуются высоким отношением величины внешней поверхности к массе, что позволяет создавать катализаторы с повышенной удельной активностью. Создание эффективных катализаторов на их основе дает возможность конструировать мембранные реакторы с легкой загрузкой-выгрузкой катализатора.

Цель работы — изучить синтез Фишера—Тропша в присутствии железных катализаторов на основе активированного волокнистого углеродного материала (АВУМ).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для приготовления железных катализаторов в качестве носителя был использован нетканый активированный волокнистый углеродный материал производства ФГУП "Электростальское" НПО "Неорганика" (г Электросталь, Московская область). Носитель представлял собой нетканое полотно марки АНМ, полученное из гидратцеллюлозного волокна карбонизацией и последующей паровой активацией при температуре до 900°С.

Площадь поверхности АВУМ, определенная методом БЭТ по адсорбции азота, составляла 706 м2/г при среднем диаметре пор 19 А. Плотность материала 0.067 г/см3. Для экспериментов использовали диски толщиной 3.3—3.4 мм и диаметром 25 мм.

Катализаторы готовили методом пропитки по влагоемкости: диски АВУМ помещали в фарфоровую чашку и пропитывали с двух сторон водным раствором нитрата железа(Ш), в одном случае на углеродный материал наносили 20% железа, в другом —

30%. После пропитки диски высушивали на водяной бане. При введении промоторов использовали одновременную пропитку водными растворами соответствующих нитратов. После пропитки образцы подвергали дополнительной термообработке в течение 1 ч при 180°С с целью разложения нитратов.

На рис. 1 приведены фотографии АВУМ и железного катализатора на его основе после проведения синтеза углеводородов из СО и Н2. На фотографии (рис. 1б) хорошо видны частицы твердого парафина, адсорбированного на поверхности отработанного катализатора.

Синтез Фишера—Тропша проводили в проточной каталитической установке с неподвижным слоем катализатора в условиях непрерывной работы при давлении 3 МПа и об. скорости подачи синтез-газа 600—700 ч-1 (использовали синтез-газ с мольным отношением СО : Н2 = 1 : 2) в интервале 260-300°С. Подъем температуры осуществляли ступенчато (на 20°С каждые 12 ч). Длительность работы катализатора в каждом изотермическом режиме составляла 20-25 ч. В конце каждого изотермического режима осуществляли отбор проб газа и жидкости на анализ. Все катализаторы предварительно восстанавливали водородом (об. скорость подачи 600-700 ч-1) при 300°С в течение 24 ч при давлении 3 МПа.

Исходный синтез-газ и газообразные продукты синтеза анализировали методом ГАХ на хроматографе "Кристаллюкс-4000". Детектор - катарометр. Газ-носитель - гелий. При этом использовали две хроматографические колонки. Для разделения СО и N2 применяли колонку, заполненную молекулярными ситами СаА (3 м х 3 мм). Температурный режим -изотермический, 80°С. Для разделения СО2 и углеводородов С1-С4 применяли колонку, заполненную Haye Sep R (3 м х 3 мм). Температурный режим - программированный, 80-200°С, 8°С/мин.

Жидкие углеводородные продукты синтеза анализировали методом ГЖХ на хроматографе "Кри-сталлюкс-4000", используя колонку 6 м х 3 мм, заполненную 5% SE-30 на хроматоне NAW Детектор -пламенно-ионизационный. Газ-носитель - азот.

Таблица 1. Влияние температуры на основные показатели синтеза Фишера-Тропша в присутствии катализатора 20% Бе/АВУМ

Условия восстановления: 300°С, Н2, 3 МПа, 600-700 ч-1, 24 ч. Условия синтеза: 260-300°С, 3 МПа, 1СО + 2Н2 (мол.), 600-700 ч-1

Основные показатели Температура, °С

260 280 300

Конверсия СО, % 51 77 95

Удельная активность, мкмоль СО/г Бе-с 90 117 121

Выход, г/м3

С1 С4 38 61 83

С5+ 57 67 62

СО2 39 120 160

Селективность, %

С1 С4 11 19 27

С5+ 82 61 46

СО2 7 20 27

Производительность по С5+, кг/кг Бе-ч 2.5 2.8 2.0

Жидкие углеводороды

Фракционный состав, мас. %

С5 С10 43 48 48

С11-С18 51 45 46

С19+ 6 7 7

Содержание парафинов, мас. % 89 90 89

ШФ-альфа 0.75 0.76 0.77

Температурный режим - программированный: 50-260°С, 6°С/мин, 260-270°С, 5°С/мин; 270°С, 10 мин. Во всех измерениях управление хроматографом и расчет хроматограмм осуществляли с применением программы "NetChromWin".

Для оценки активности катализатора рассчитывали следующие показатели: конверсия СО (процентное отношение объема прореагировавшего оксида углерода к объему СО, вошедшего в реакционную зону), удельная активность катализатора (количество молей СО, прореагировавшего на 1 г железа за 1 с), выход продуктов (количество граммов продукта, полученного при пропускании через катализатор 1 м3 синтез-газа, приведенного к нормальным условиям), селективность (процентное отношение углерода, пошедшего на образование продукта реакции, к общему количеству углерода, введенному в зону реакции), производительность (количество продуктов, производимых 1 кг катализатора за 1ч).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В табл. 1 показано влияние температуры синтеза Фишера-Тропша на основные показатели процесса в присутствии катализатора 20%Бе/АВУМ. Можно видеть, что повышение температуры с 260 до 300°С приводило к увеличению общей активности катали-

затора, которое выражалось в повышении почти вдвое конверсии СО (до 95%) и удельной активности (до 121 мкмоль СО/г Бе-с). Наибольший выход целевых продуктов (жидки

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком