Получение водорода и нановолокнистого углерода селективным каталитическим пиролизом легких углеводородов

• Автор: Соловьев, Евгений Алексеевич
• Шифр специальности: 05.17.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 133 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИИ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Области применения водорода

1.2. Водородные топливные элементы

1.2.1. Направления применения топливных элементов

1.2.2. Типы топливных элементов

1.3. Проблемы водородной энергетики

1.4. Традиционные способы получения водорода

1.4.1. Паровая конверсия метана

1.4.2. Неполное окисление метана

1.4.3. Газификация угля
1.4.4. Электролиз воды
1.5. Альтернативные способы получения водорода
1.5.1. Высокотемпературный пиролиз углеводородов
1.5.2. Каталитический пиролиз углеводородов
1.6. Анализ предлагаемых в литературе механизмов пиролиза
углеводородов
1.7. Физикохимические свойства и возможности применения НВУ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Экспериментальная установка для проведения процесса
каталитического пиролиза углеводородов
2.2. Конструкция лабораторного реактора
2.3. Контроль режимных параметров
2.4. Методика проведения экспериментов
2.5. Катализаторы
2.6. Методы исследования полученных образцов НВУ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И НВУ
КАТАЛИТИЧЕСКИМ ПИРОЛИЗОМ ЛЕГКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
3.1. Термодинамический анализ предельных показателей процесса
пиролиза различных углеводородов
3.1.1. Методика расчета
3.1.2. Результаты расчета
3.2. Особенности некаталитического пиролиза углеводородов
3.2.1. Пиролиз пропана
3.2.2. Пиролиз нбутана
3.3. Влияние температуры и состава катализатора на процесс получения
водорода каталитическим пиролизом углеводородов
3.3.1. Пиролиз пропана на катализаторе М
3.3.2. Влияние модифицирующих добавок Си на реакционные свойства Мсодержащего катализатора в процессе пиролиза пропана на водород и НВУ
3.4. Влияние расхода исходного углеводорода
3.5. Влияние состава исходного углеводорода
3.5.1. Каталитический пиролиз нбутана
3.5.2. Каталитический пиролиз этилена
3.5.3. Каталитический пиролиз смеси пропана и бутана
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К Г ЛАВЕ 3
4. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО
ПИРОЛИЗА УГЛЕВОДОРОДОВ
4.1. Постановка задачи
4.2. Разработка физикохимической модели процесса селективного
пиролиза углеводородов С2С4 на ЬПсодержащих катализаторах
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 4
5. ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВ НВУ, ПОЛУЧАЕМОГО В ПРОЦЕССЕ СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ПИРОЛИЗА ПРОПАНА
5.1. Влияние температуры и состава катализатора на структуру и морфологию НВУ
5.2. Влияние температуры и состава катализатора на удельный выход и текстурные свойства НВУ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 5
6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ ПРОЦЕССА СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ПИРОЛИЗА УГЛЕВОДОРОДОВ
6.1. Технологическая схема реализации процесса переработки углеводородов с получением водорода и НВУ
6.2. Расчет материального и теплового балансов процесса
6.3. Оценка себестоимости водорода, получаемого селективным
каталитическим пиролизом углеводородов ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ГЛАВЕ 6
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА


Обосновывается необходимость развития представлений о механизмах разложения углеводородов на металлических катализаторах, выявления причин изменения концентраций водорода и метана в продуктах реакции в зависимости от свойств катализатора и степени его дезактивации. НВУ в виде гранул. Описаны использованные в работе катализаторы и методики их приготовления. Приведена методика проведения экспериментов, описаны физико-химические методы исследования полученных в ходе экспериментов образцов НВУ. В третьей главе представлены результаты термодинамического анализа состава продуктов пиролиза углеводородов в зависимости от температуры, а также результаты экспериментального исследования влияния режимных параметров процесса (состав катализатора, температура, состав и расход исходного углеводородного газа) на состав продуктов реакции и изменение отношения Н2:СН4- В четвертой главе рассмотрен возможный механизм процесса разложения углеводородов на Мьсодержащих катализаторах, на основе рассмотрения двух типов активных каталитических центров, определяющих механизмы образования в данном процессе водорода и метана. В пятой главе представлены данные по исследованию физико-химических свойств НВУ, получаемого наряду с водородом в рассматриваемом процессе. В шестой главе обсуждаются возможности практического использования полученных результатов. Предложена схема реализации процесса получения водорода для топливных элементов и НВУ с использованием в качестве сырья сжиженных углеводородов. Проведена оценка некоторых технико-экономических показателей процесса. Разработаны рекомендации по созданию безотходной технологии переработки легких углеводородов в водород и НВУ, которые могут использоваться для создания автономных энергоустановок с ТПТЭ. На основе результатов технико-экономического анализа даны рекомендации по созданию автономных источников водорода производительностью до 2. СН* в продуктах реакции селективного каталитического пиролиза углеводородов С2-С4 и определить оптимальные условия, обеспечивающие наилучшее сочетание рассматриваемых показателей процесса получения водорода и НВУ. С использованием полученных закономерностей разработана физико-химическая модель процесса разложения углеводородов на активных каталитических центрах двух типов, которая может быть положена в основу кинетической модели процесса. На основе предлагаемого процесса предложена технологическая схема получения водорода и даны рекомендации по созданию автономных источников водорода производительностью до 2. ГЛАВА 1. Применение водорода основывается на использовании его химических свойств. Как химический элемент, водород является одним из лучших восстановителей, образует гидриды металлов, входит в состав многих продуктов. Области применения водорода ежегодно расширяются, и он приобретает все большее значение как сырье для целого ряда производств (рис. В химической промышленности водород используется для производства хлороводорода, аммиака, метанола и других органических соединений; при гидрогенизации масел, угля, нефти. В металлургии с помощью водорода восстанавливают некоторые цветные металлы из их оксидов. В пищевой промышленности водород используется для получения твердых пищевых жиров, для синтеза многих органических продуктов. Изотопы водорода находят применение в атомной энергетике. Водородно-кислородное пламя применяется для резки и сварки металлов. В транспорте и энергетике водород может использоваться в качестве экологически чистого энергоносителя [1]. Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического прогресса в середине -х годов прошлого столетия. По мере того, как расширялась область исследований, связанных с получением, хранением, транспортом и использованием водорода, становились все более очевидными экологические преимущества водородных технологий в различных областях народного хозяйства. Выполненные техникоэкономические исследования показали: несмотря на то, что водород является вторичным энергоносителем, то есть стоит дороже, чем ископаемые топлива, его применение в ряде случаев экономически целесообразно уже сейчас. Поэтому работы по водородной энергетике во многих промышленно развитых странах относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники.