ПОРИСТЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДЯЩИХ ПРОДУКТОВ ПРОЦЕССА ФИШЕРА-ТРОПША С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

Название	ПОРИСТЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДЯЩИХ ПРОДУКТОВ ПРОЦЕССА ФИШЕРА-ТРОПША С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
Разработчик (Авторы)	Цодиков М.В., Федотов А.С., Голубев К.Б., Крылова А.Ю., Лядов А.С., Уваров В.И., Хаджиев С.Н.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2506119
Дата регистрации	04.05.2012
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук

Описание изобретения

Предлагаемое изобретение относится к способу переработки углеводородов и других органических веществ в водородсодержащий газ, а именно к способу регенерации отходящих продуктов (метана, углекислого газа и растворенных в воде органических примесей) процесса Фишера-Тропша обратно в синтез-газ углекислотно-паровой конверсией в присутствии мембранно-каталитических систем.

В настоящее время одной из проблем внедрения процесса Фишера-Тропша в промышленности является накопление большого количества воды, стехиометрически образующейся в результате реакции (1), которая содержит растворенные в ней вредные для окружающей среды примеси органических веществ - спиртов, карбоновых кислот, кетонов.

Основная рекция процесса Фишера-Тропша:

Соотношение парафины:вода=1:1 (масс). Также образуется некоторое количество метана и углекислого газа. Соотношение CH₄:H₂O:CO₂=1:2,5:10 моль/моль. Поэтому было бы целесообразно перерабатывать образующиеся отходящие продукты обратно в синтез-газ.

Одним из перспективных и новых подходов к решению вопросов переработки отходящих продуктов можно рассматривать процессы, базирующиеся на пористых каталитических мембранах, представляющих собой ансамбль микрореакторов.

Задача изобретения заключается в создании каталитических систем на базе пористых мембран, которые будут активны в способе регенерации побочных продуктов синтеза Фишера-Тропша путем углекислотно-паровой конверсии с использованием воды, выделяемой непосредственно в процессе превращения отходящих продуктов процесса Фишера-Тропша в синтез-газ.

Для решения поставленной задачи предложен пористый керамический каталитический модуль для переработки отходящих продуктов процесса Фишера-Тропша, представляющий собой продукт вибропрессования высокодисперсной смеси никеля и кобальта, взятых в соотношении 1:1, термообработанный в муфельной печи до температуры самовоспламенения, выдержанный, а затем охлажденный.

Для увеличения активности каталитической системы в процессе переработки органических продуктов пористый керамический каталитический модуль может дополнительно содержать во внутреннем объеме каналов буферный слой оксида титана и активный компонент, например палладий в количестве 0,066% масс., по отношению к массе модуля.

Также для решения поставленной задачи предложен способ переработки отходящих продуктов процесса Фишера-Тропша, характеризующийся тем, что он включает переработку газообразных продуктов - метана, углекислого газа и растворенных в воде примесей органических веществ путем углекислотно-паровой конверсии в присутствии каталитического модуля по п.1 и осуществляемой при температуре 680-780°C, давлении 1-1,5 атм и скорости подачи исходной парогазовой смеси совместно с парами воды, выделяемой в процессе 16000-96000 ч^-1 с получением продуктов конверсии - синтез-газа и воды, очищенной от примесей органических веществ. Выбор повышенной температуры процесса мотивирован тем, что при данной температуре метан, как наиболее устойчивое соединение, содержащееся в исходной смеси, практически полностью перерабатывается.

В предложенном способе переработке подвергают отходящие продукты процесса Фишера-Тропша, содержащие в качестве примесей органических веществ метанол, этанол, метилэтилкетон, уксусную кислоту и ацетон, растворенные в воде без дополнительной ее очистки.

Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемого технического решения заключается:

- в достижении практически полной конверсии побочных продуктов процесса Фишера-Тропша;

- в возможности осуществлять переработку продуктов процесса Фишера-Тропша при более высокой объемной скорости и добиться более высокой производительности по выходу синтез-газа (на 20-30%);

- в решении важной экологической задачи по очистке больших количеств выделяемой в процессе Фишера-Тропша воды, содержащей органические примеси.

Нижеследующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение, но никоим образом не ограничивают его область.

Для получения образца №1 пористого керамического каталитического модуля берут порошки никеля и кобальта, взятые в соотношении 1:1(никеля -50% масс. и кобальта - 50% масс.) и помещают в барабан. Перемешивают в течение одного часа. Затем полученную высокодисперсную смесь загружают в графитовую пресс-форму, помещают в вакуумную печь и подвергают вибропрессованию в режиме теплового взрыва (в объеме образца), т.е. исходную шихту доводят до температуры самовоспламенения внешним нагревом, после чего происходит самопроизвольное горение шихты по всему объему. Осуществляют выдержку в течение 10 мин и охлаждение.

Образец номер №2 пористого керамического каталитического модуля готовят сначала аналогичным образом. А затем формируют во внутреннем объеме каналов мембран каталитический слой металлооксидов с использованием золь-гель метода на основе органических растворов металлокомплексных предшественников в толуоле, взятых в заданных количествах, для получения оксидов заданного состава с добавкой агентов, стабилизирующих маточные растворы. Перед формированием каталитического покрытия сложного металлооксида на внутренние стенки каналов микропор мембраны наносят буферный слой оксида титана со структурой анатаза с целью увеличения их удельной поверхности и уменьшения объема пор. Для этого готовят коллоидный раствор на основе н-бутилата титана следующим образом: н-бутилат титана в атмосфере аргона разбавляют абсолютированным толуолом в объемном соотношении 1:1 и тщательно перемешивают на магнитной мешалке при комнатной температуре. Полученный золь стабилизируют ацетилацетоном, добавляя последний к золю бутилата титана в молярном соотношении Ti(OC₄H₉):AcAcH=1:1. Стабилизированный золь алкоголята титана наносят на внутреннюю поверхность мембранного модуля, контролируя количество нанесения по весу. После нанесения мембранный модуль подвергают термоудару в муфельной печи при температуре 500°C в течение 20 минут для удаления органических фрагментов. Количество нанесенного оксида титана контролируют по привесу мембраны после нанесения. По окончании нанесения оксида титана мембрану прокаливают в муфельной печи при температуре 500°C в течение 5 часов. Количество нанесенного буферного слоя соответствует - 3-4% масс. относительно мембранного модуля.

После нанесения буферного слоя оксида титана на внутренней поверхности микроканалов проводят формирование металлооксидного каталитического покрытия, содержащего 0,066% масс. Pd по отношению к массе модуля.

Для этого коллоидный раствор, содержащий предшественники металлооксидной каталитической системы (ацетат палладия) смешивают с приготовленным раствором алкоксида титана и наносят на слой сформированного ранее оксида титана, распределенного на внутренней поверхности каналов мембраны. После нанесения 0,066% Pd мембранно-каталитическую систему в атмосфере Ar, прокаливают при температуре 500°C в течение 5 часов.

Образец №3 пористого керамического каталитического модуля получают как образец №1, но берут порошки, никеля и алюминия, взятые в соотношении 4:1(никеля - 80% масс. и алюминия - 20% масс.). Далее формируют во внутреннем объеме каналов модуля каталитический слой металлооксидов как описано при получении образца №2.

На фиг.1 представлена схема мембранно-каталитической установки, с помощью которой проводят переработку отходящих газов в условиях углекислотно-паровой конверсии, где

1 - баллон с реакционной смесью; 2 - редуктор; 3 - регулятор расхода газа; 4 - печь предварительного нагрева; 5 - манометр; 6, 7 - термопары; 8 - мембранно-каталитический реактор; 9 - сборник жидкости; 10 - запорный вентиль; 11 - CO/CO₂ - анализатор; 12 - хроматограф; 13 - АЦП; 14 - ПК; 15 - жидкостной дозатор.

Углекислотно-паровую конверсию отходящих продуктов процесса Фишера-Тропша (метана, углекислого газа и растворенных в воде примесей органических веществ) проводят в фильтрационном режиме на мембранно-каталитических системах: Ni-Co (50% масс. - 50% масс.) (образец 1), Ni-Co (50% масс. - 50% масс.) с нанесенным катализатором Pd (0,066% масс.) (образец 2) и Ni-Al (80% масс. - 20% масс.) с нанесенным катализатором Pd (0,066% масс.) (образец 3) - при температуре 780°C и объемной скорости подачи смеси 16000-96000 ч^-1.

Состав исходной смеси СН₄:H₂O:CO₂=1:2,5:10 моль/моль.

Из жидкостного дозатора подают воду с растворенными в ней примесями органических веществ, которая смешивается с газовым потоком (метана и углекислого газа) и попадает на внешнюю сторону мембраны.

Концентрации растворенных в воде органических примесей, идентифицированные методом хромато-масс-спектрометрии, представлены в таблице 1.

Образование синтез-газа происходит по реакциям 2 и 3.

Реакция углекислотно-паровой конверсии метана в синтез-газ:

Реакция углекислотно-паровой конверсии органических веществ, содержащихся в воде:

Таким образом, практически полная конверсия побочных продуктов процесса Фишера-Тропша достигается на мембранно-каталитической системе, изготовленной на основе Ni-Co; модификация этой мембраны небольшим количеством палладия позволяет осуществлять переработку продуктов процесса Фишера-Тропша при более высокой объемной скорости и добиться более высокой производительности по выходу синтез-газа. Использование предлагаемого способа позволяет достигнуть положительного эффекта по двум факторам: 1 - переработка отходящих газообразных продуктов в синтез-газ на 20-30% позволяет увеличить выход ценных углеводородов, что приведет к существенному повышению экономического эффекта процесса в целом; 2 - решается важная экологическая задача по очистке больших количеств выделяемой в процессе воды, которую после очистки можно использовать для технических целей.

Формула изобретения

1. Пористый керамический каталитический модуль для переработки отходящих продуктов процесса Фишера-Тропша, представляющий собой продукт вибропрессования высокодисперсной смеси, содержащий никель и кобальт, взятые в соотношении 1:1, термообработанный в муфельной печи до температуры самовоспламенения, выдержанный, а затем охлажденный.

2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность его каналов наносят буферный слой оксида титана, а затем каталитически активный компонент, включающий Pd в количестве 0,066 мас.% по отношению к массе модуля.

3. Способ переработки отходящих продуктов процесса Фишера-Тропша, характеризующийся тем, что он включает переработку газообразных продуктов - метана, углекислого газа и растворенных в воде примесей органических веществ путем углекислотно-паровой конверсии в присутствии каталитического модуля по п.1, и осуществляемой при температуре 680-780°C, давлении 1-1,5 атм и скорости подачи исходной парогазовой смеси совместно с парами воды, выделяемой в процессе, 16000-96000 ч^-1 с получением продуктов конверсии - синтез-газа и воды, очищенной от примесей органических веществ.

4. Способ переработки отходящих продуктов процесса Фишера-Тропша по п.3, отличающийся тем, что в качестве примесей органических веществ вода содержит метанол, этанол, метилэтилкетон, уксусную кислоту и ацетон.

Изобретение "ПОРИСТЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ И СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДЯЩИХ ПРОДУКТОВ ПРОЦЕССА ФИШЕРА-ТРОПША С ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ" (Цодиков М.В., Федотов А.С., Голубев К.Б., Крылова А.Ю., Лядов А.С., Уваров В.И., Хаджиев С.Н.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога