Пилотные исследования и математическое моделирование каталитических процессов получения нановолокнистого углерода из метана

• Автор: Заварухин, Сергей Григорьевич
• Шифр специальности: 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 131 с. : ил

1.1. Особенности каталитического синтеза нановолокнистых углеродных материалов.

1.2. Реакторы и процессы получения нановолокнистого углерода НВУ

из углеродсодержащих газов

1.3. Кинетические закономерности образования НВУ из метановодородной смеси на никельсодержащих катализаторах.

1.3.1. Максимальная скорость образования углерода

1.3.2. Кинетические модели с учетом дезактивации катализатора

1.4. Математическое моделирование процессов получения НВУ

1.5. Выводы

Глава 2. Реализация процесса получения НВУ в пилотном реакторе

периодического действия

2.1. Конструкция и результаты испытаний реактора 1.

2.2. Конструкция и результаты испытаний реактора 2.
2.3. Результаты испытаний на смесях газов и непассивированном катализаторе.
2.4. Рекомендации по проведению процесса.
2.5. Выводы
Глава 3. Кинетическая модель образования НВУ из смеси СН4Н2 на
высокопроцентном никельсодержащем катализаторе с учетом дезактивации катализатора
3.1. Максимальная скорость образования углерода
3.2. Кинетическая модель с учетом дезактивации катализатора
3.3. Выводы
Глава 4. Моделирование периодических процессов получения НВУ
в изотермических реакторах.
4.1. Образование НВУ в условиях постоянства состава реакционной среды
4.2. Получение НВУ в реакторе идеального перемешивания в условиях постоянства расхода метана
4.3. Получение НВУ в реакторе с кипящим слоем частиц.
4.4. Получение НВУ в реакторе со стационарным слоем катализатора.
4.4.1. Решение в виде бегущей волны дезактивации катализатора
4.4.2. Расчет процесса для реактора с конечной загрузкой катализатора
4.5. Сравнение периодических процессов.
4.6. Получение НВУ в реакторе с кипящим слоем частиц при наличии рециркуляции газового потока.
4.7. Рекомендации
4.8. Выводы
Глава 5. Моделирование непрерывных процессов получения НВУ
в изотермических реакторах.
5.1. Процесс в реакторе идеального перемешивания с избирательным отводом зауглероженных частиц катализатора
5.2. Процесс в реакторе идеального перемешивания с неизбирательным
отводом зауглероженных частиц катализатора.
5.3. Процесс в реакторе с движущимся слоем катализатора при противоточном движении фаз без перемешивания
5.4. Процесс в реакторе с движущимся слоем катализатора при прямоточном движении фаз без перемешивания
5.5. Сравнение непрерывных процессов и рекомендации.
5.6. Выводы.
Заключение
Библиографический список использованной литературы
Список основных обозначений.
Приложение 1. Программа расчета процесса получения НВУ в реакторе
идеального перемешивания.
Приложение 2. Программа расчета процесса получения НВУ в реакторе с идеальным вытеснением по газу и идеальным
перемешиванием по частицам катализатора.
Приложение 3. Программа расчета процесса получения НВУ в реакторе
со стационарным слоем катализатора
Приложение 4. Программа расчета процесса получения НВУ в реакторе с движущимся слоем катализатора при противоточном движении фаз без перемешивания
Приложение 5. Программа расчета процесса получения НВУ в реакторе
с движущимся слоем катализатора при прямоточном движении фаз без перемешивания
Введение


Перенос углерода в частице металла происходит путем диффузии за счет разности концентраций углерода вблизи лобовой и тыльной участков поверхности. Такой процесс приводит к образованию углеродной нити, на конце которой находится частица металла и диаметр которой близок к размеру частицы. Частица металла может быть при этом как фасетированной, так и нефасегированной. В зависимости от типа катализатора базальные плоскости углерода могут располагаться параллельно, перпендикулярно или под углом к оси волокна. На рис. НВУ, полученного с использованием никельсодержащего катализатора. Существенное влияние оказывают на процесс, наряду с типом катализатора, температура и состав газовой смеси. Рис. В процессе образования углерода на катализаторе происходит дезактивация катализатора, причиной которой может быть зачехление углеродом активной поверхности катализатора, блокировка пор катализатора образовавшимся углеродом, диспергирование частицы металла на частицы меньшего размера или включение металла внутрь нити. Дезактивация катализатора накладывает ограничения на количество углерода, получаемого с единицы массы катализатора удельный выход углерода и, соответственно, на чистоту получаемого углерода. В связи с этим одним из направлений разработки новых катализаторов является увеличение максимального удельного выхода углерода на катализаторе. Для использования НВУ в прикладных целях наиболее привлекательно получение углерода в фанулированном виде. Основные особенности получения нановолокнистого углерода в фанулированном виде рассмотрены в . При исследовании явления образования углеродных волокон технологические вопросы получения НВУ стояли на втором плане, т. С появлением интереса к НВУ как к новому углеродному материалу с перспективными применениями, а также в связи с разработкой катализаторов, позволяющих получать ИВУ с выходом более 0 г на 1 г катализатора, в том числе в гранулированном виде 4,,, возникла необходимость в получении килофаммовых и более партий углерода и, соответственно, вопросы технологии получения НВУ стали выдвигаться на первый план. Для получения НВУ достаточно поместить катализатор в среду углеродсодержащего газа и поддерживать требуемую температуру и состав реакционной среды. Для получения НВУ из метана на никельсодержащем катализаторе температура составляет С. Наиболее простой реактор, который использовался для этой цели в лабораторных условиях это реактор в виде вертикально или горизонтально расположенной трубки, как правило, кварцевой, с обогревом снаружи и протоком углеродсодержащего газа через не. Катализатор помещался непосредственно в трубке или с помощью специальных приспособлений, размещаемых в трубке, корзинки или подложки. Диаметр грубки составлял от нескольких мм до нескольких см, масса катализатора от нескольких мкг до десятых долей г. Оснащение реактора системой взвешивания корзинки с катализатором позволяло исследовать динамику процесса зауглероживания катализатора во времени. Такие установки использовались в работах 2,,. В ряде работ образцы НВУ получены в реакторах со стационарным слоем катализатора. Диаметр реактора составлял 4 мм ,, катализатор размещался на решетке или на подложке из стекловаты ,,. Для обеспечения изотермичности слоя катализатора и предотвращения агломерации частиц катализатора в 4,,,, использовались реакторы с перемешиванием частиц катализатора. В ,, реактор представлял собой горизонтально расположенную трубу с механическим перемешиванием материала путем вращения трубы вокруг своей оси. В 4,8,,,,, перемешивание осуществлялось путем виброожижения. Схема реактора с виброожиженным слоем показана на рис. Диаметр реактора составлял мм, объем см3, загрузка катализатора 02 г. В 4, нановолокнистый углерод получен в пилотном реакторе с виброожиженным слоем диаметром мм, высотой мм и объемом реакционной зоны 1. Перспективным способом перемешивания материала для данного процесса является псевдоожижение 8,,,. Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора использовались для получения НВУ в диаметр .