Превращения метана и диоксида углерода на пористых каталитических мембранах

• Автор: Федотов, Алексей Станиславович
• Шифр специальности: 02.00.13, 05.17.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Каталитические мембранные реакторы КМР

1.2. Классификация неорганических мембран

1.3. Структурный дизайн неорганических мембран, формирование каталитического покрытия

1.4. Закономерности переноса газов в пористых средах

1.5. Теоретические основы протекания реакций в каналах пористых мембраннокаталитических систем

1.6. Способы получения синтезгаза

1.7. Катализаторы углекислотной конверсии метана

1.8. Синтез ФишераТропша и способ повышения его эффективности за счт совмещения с процессом УРМ
1.9. Заключение
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Формирование пористых керамических мембранных носителей
для получения на их основе мембраннокаталитических систем
2.2 Методика формирования высокодисперсных каталитических
систем на внутренней поверхности каналов мембраны
2.2.1 Методика модификации керамических мембран
2.2.2 Формирование каталитического покрытия на основе оксида магния и оксидов редкоземельных элементов
2.2.3 Формирование каталитического еУ покрытия.
2.2.4 Формирование моно и биметаллических Рс1 и Мпсодержащих каталитических покрытий
2.2.5 Формирование АиЬПуАГОз покрытия
2.3. Мембраннокаталитический стенд
2.3.1 Мембраннокаталитическая установка
2.3.2 Мембраннокаталитический реактор
2.4. Методика проведения каталитических экспериментов и анализов продуктов реакции
2.4.1 Методика проведения каталитических зкспергментов
2.4.2 Методика анализа продуктов реакции
2.5 Методика проведения эксперимента по изучению динамики
протекания процесса УРМ
2.7 Методика проведения эксперимента по изучению проницаемости каталитических мембран
2.8 Методы структурного анализа
2.8.1 Гелиевая пикнометрия
2.8.2 Ртутная порометрия
2.8.3 Газовая адсорбция метод ВЕТ
2.8.4 Растровая электронная микроскопия с рентгеновским энергодисперсионным микроанализом ЬЕМЕОХ
2.8.5 Просвечивающая электронная микроскопия ТЕМ
2.8.6. Рентгеновская дифракгометрия Х1Ф
2.8.7 Термопрограммируемое восстановление водородом
2.8.8 Рентгеновская абсорбционная спектроскопия ХЛЕБ
2.9 Методика расчетов
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
3.1 Изучение каталитической активности и
селективности мембраннокаталитических систем
3.1.1 Углекислотный риформинг метана на пористых мембраннокаталитических системах
3.1.2 Изучение динамики процесса УРМ
3.1.3 Углекислотная конверсия отходящих газов синтеза ФишераТропша СФТ
3.1.4 Углекислотиая конверсия легких углеводородов
3.2 Изучение газотранспортных свойств и структуры мембраннокаталитических систем
3.2.1 Исследование параметров газопроницаемости мембраннокаталитических систем
водюмометрическим методом
3.2.2 Растровая электронная микроскопия с рентгеновским энергодиснерсионным микроанализом БЕМЕОХ
3.2.3 Трансмиссионная электронная микроскопия ТЕМ
3.2.4 Рентгеновская абсорбционная спектроскопия ХАРБ
3.2.5 Исследование оксидных фаз мембраннокаталитических систем методом термовосстановлсния ТРИ.
3.2.6 Изучение фазового состава материала мембраннокаталитических систем методом рентгеновской дифракции
3.2.7 Измерение плотности мембраннокаталитических систем
методом гелиевой пикнометрии
3.2.8 Измерение удельной поверхности пористой структуры мембраннокаталитических систем методом низкотемпературной адсорбции азота ВЕТ
3.2.9 Характеристика пористой структуры мембраннокаталитических систем методом ртутной поромстрии
3.3 Заключение
ВЫВОДЫ8,
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Найдено, что усредненный размер кластеров активных компонентов Ьа, Сс, Р6, Мп, Сосодсржащих составляет нм. Практическая значимость работы. Разработаны термоустойчивые высокоактивные МКС на основе пористых керамических носителей, полученных методом СВС и модифицированных наноразмерными металлоксидными компонентами, равномерно распределенными во внутреннем объеме пор мембраны, а также способы высокоскоростного углекислотного риформинга метана и легких углеводородов С2С4 в синтезгаз. На МКС состава 0ii и РбМпТЮ2А1, в УРМ достигнута производительность по синтезгазу 0 и лчдм мембр. Н2СО 0, 1, соответственно, при конверсии исходной газовой смеси СН4С1 . Разработан способ использования мембраннокаталитических систем как генератора синтезгаза в интегральной малогабаритной схеме с твердооксидными топливными элементами, позволяющими перерабатывать метан и легкие углеводороды С2С4, содержащиеся в газах неполного сгорания углеводородного топлива при скорости подачи газовой смеси более 0 ч1. Апробация работы. Прага, Чехия, , I9 Лион, Франция, . Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 статьи в квалификационных журналах, тезисы Ии докладов, представленных на российских и международных научных конференциях, получен 1 патент РФ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов и списка литературных источников. Материал диссертации изложен на 5 страницах, содержит таблиц, рисунков, 5 схем. Список литературных источников содержит 3 наименований. Согласно классификации ШРАС, мембранный реактор это устройство, объединяющее химическую реакцию и мембранную сепарацию в одном модуле 1. Сам термин появился в г. Этот способ защищен авторским свидетельством СССР и патентами разных стран . Реализация мембранных реакторов возможна различными способами. Наиболее широко используется прием, основанный на селективном удалении продуктов из зоны реакции. Как правило, он применяется для повышения выхода равновесных реакций после достижения соответствующего равновесного значения, то есть для подавления дальнейшего протекания нежелательных побочных превращении образующихся продуктов. При другом подходе лишь какието отдельные реагенты селективно проникают сквозь мембрану в реакционную зону, то есть вдоль реактора устанавливается некий оптимальный профиль концентраций. Третий подход предполагает использование в реакторе такой мембраны, которая создает четко обозначенную реакционную зону или область между двумя потоками реагентов. Селективный по проницаемости массоперенос в первую очередь наблюдается в непористых мембранах, тогда как неселективный обычно встречается в пористых мембранах. Пористым мембранам свойственны оба варианта массопереноса в зависимости от массы проникающих молекул с учтом размера пор мембраны, а также в зависимости от природы проникающих сквозь мембрану молекул и природы того материала, из которого изготовлена мембрана, здесь возможен как селективный например, по Кнудсену, так и неселективный но проницаемости массоперенос. Существует множество классификаций мембранных реакторов 9 проточного типа, например экстракторы, дистрибьюторы или контакторы, подразделяющие мембраны на органические и неорганические, пористые и нспористые, использующиеся для окисления, гидрогенации, изомеризации, этсрификации и т. Эти различные концепции могут быть объединены в две группы табл. Первая группа это мембранные реактора типа экстрактор, в которых мембрана служит для удаления продуктов из зоны реакции. Такие реактора работают около или в области термодинамического равновесия реакции, конверсия реагентов в системах подобного типа достаточно высока. Для преодоления равновесного барьера скорость реакции должна быть значительно выше массопереноса вещества через мембрану кинетическая совместимость. Особенностью реактора данного типа является то, что сепарация продукта возможна прямо в реакционном узле и таким образом нет необходимости прибегать к последующей очистке продукта. Также активность может быть повышена за счет селективного извлечения ингибиторов реакции.