Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка основ энергоэффективной технологии каталитической окислительной конверсии этана в этилен в системе с раздельной подачей сырья и окислителя.

Докладчик: Герзелиев Ильяс Магомедович

Должность: заведующий сектором, Ведущий научный сотрудник ИНХС РАН

Цель проекта:
Задачей ПНИ является разработка основ нового энергоэффективного каталитического процесса окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя, обладающего высокой производительностью и обеспечивающего безопасность его осуществления. Основное количество этилена в промышленности получают методом пиролиза в трубчатых печах углеводородного сырья. Необходимость расширения сырьевой базы, сокращения удельного расхода сырья, а также энергетических и материальных затрат заставляет вести поиск новых модификаций процесса. Применение катализатора позволяет снизить расход сырья и температуру процесса по сравнению с традиционным пиролизом, повысить выход целевых продуктов и снижает образование нежелательных продуктов. Однако с точки зрения практического применения этот метод конверсии также не лишен недостатков. Поскольку реакция обратима, выход продуктов конверсии ограничивается термодинамическим равновесием, и для получения этилена требуются довольно высокие температуры (до 600 °С). Превращение углеводородов при таких температурах сопровождается термическим крекингом, что снижает селективность процесса и приводит к необходимости проведения процесса при достаточно низкой конверсии этана (30-40%) для сохранении высокой селективности по этилену (90-95 %). Интенсивное коксообразование на поверхности катализаторов в процессе реакции приводит к падению активности и селективности катализаторов и вызывает необходимость проведения окислительной регенерации, причем время регенерации и восстановления катализатора часто превышает время полезной работы. Указанные недостатки устраняются при использовании в процессе окислителя. Применение окислителя при конверсии низших алканов в олефины имеет ряд потенциальных преимуществ: снятие термодинамического ограничения на выход продукта, оперирование при более низких температурах в связи с экзотермичностью реакции, увеличение времени полезной работы катализатора в связи с возможным выгоранием кокса в процессе реакции. Однако и данный путь вызывает ряд технологических проблем: -высокая энергоемкость и капиталоемкость процесса; -при реализации окислительной конверсии этана в этилен с использованием кислорода в качестве окислителя требуются дополнительные капитальные затраты на выделение кислорода из воздуха и организацию взрывобезопасного производства, а при использовании воздуха в качестве окислителя в состав продуктов реакции входит балластный азот, который требует дополнительных затрат для его выделения; - взрывоопасность смеси этан-кислород. Поэтому современные способы окислительной конверсии должны включать в себя новую технологию получения этилена, технико-экономические показатели которой превосходят существующие. Представляется наиболее целесообразным и перспективным разработка новой энергоэффективной технологии окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя, которая позволила бы повысить эффективность производства этилена с меньшими энергетическими затратами по сравнению с традиционными методами.

Основные планируемые результаты проекта:
В разрабатываемом процессе окислителем будет выступать оксиднометаллическая система, содержащаяся в составе катализатора. Катализатор будет взаимодействовать с сырьем в течение необходимого времени реакции, после чего реокисляться. Технологическое решение этой задачи будет достигнуто за счет реализации процесса с проведением реакции окислительной конверсии этана в этилен и регенерации катализатора в двух отдельных аппаратах с раздельной подачей сырья и окислителя.
Разрабатываемая технология окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя имеет ряд преимуществ:
- снижение капитальных и энергетических затрат;
- снижение расходных показателей на 5-10% по сравнению с традиционным пиролизом;
- изготовление основного реакционного оборудования из простых или малолегированных марок стали;
- высокая взрывобезопасность производства вследствие проведения реакции и регенерации параллельно в разных аппаратах (раздельная подача сырья и окислителя);
- использование кислорода воздуха для окисления катализатора при отсутствии балласта в виде азота в этилене;
- дополнительное получение технического азота.
В рамках настоящей работы будет осуществлен синтез катализаторов окислительной конверсии этана в
этилен с раздельной подачей сырья и окислителя, и их испытание в лабораторных условиях на специально созданной установке. Наиболее активный и селективный образец будет наработан в количестве, достаточном для проведения исследований на экспериментальной установке с раздельной подачей сырья и окислителя. На этой установке будут проведены исследования по изучению закономерностей процесса и подбору оптимального режима реакции окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя. Полученный комплекс данных станет основой для разработки технологической схемы и проведения технико-экономической оценки процесса окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя на оксиднометаллических катализаторах.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Сферами применения технологии производства этилена с раздельной подачей сырья и окислителя являются в том числе: производство полиэтилена, стирола, хлорвинила, ацетальдегида, оксида этилена.
Проведенные исследования позволят разработать основы принципиально новой энергоффективной технологии получения этилена из этана с раздельной подачей сырья и окислителя, пред-назначенной для внедрения на предприятиях нефтегазохимического комплекса России.
В результате реализации проекта в промышленности следует ожидать народнохозяйственный эффект, выражающийся в создании энергоэффективной технологии окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя, отличающейся минимальными капитальными и энергетическими затратами по сравнению с другими методами, повышении эффективности использования углеводородных ресурсов с получением продуктов с высокой добавленной стоимостью.


Текущие результаты проекта:
Выполнен литературный обзор по теме прикладных научных исследований за период с 2009 по 2014 г.г. Проведенный анализ данных научной литературы позволяет сделать вывод о перспективности разрабатываемых основ технологии каталитической окислительной конверсии этана в этилен с использованием оксиднометаллического катализатора в качестве окислителя.
Проведены патентные исследования по теме «Разработка основ энергоэффективной технологии каталитической окислительной конверсии этана в этилен в системе с раздельной подачей сырья и окислителя» с целью определения технического уровня и тенденций развития объекта исследования. Выявлены 107 технических решений, имеющих правовую защиту и относящихся к объекту исследования. Изучена динамика патентования в данной области техники и выявлено, что данная область техники на территории Российской Федерации и стран постсоветского пространства развивается с конца 90-х годов, а пик патентования по данным разных патентных ведомств приходиться на период 2000-2007 гг. Выявлены ведущие страны, в которых эта область техники популярна - США, Канады и России. Эта область техники представлена также на территориях стран Европейской Конвеции, Германии, Франции, Украины, Кореи и Австрии. Выявлены ведущие компании, фирмы и организации и проанализированы условия конкуренции на рынках различных стран. Установлено, что на российском рынке лидерами в данной области техники являются БАСФ АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE) и БП КЕМИКЭЛЗ ЛИМИТЕД (GB). Эти же компании входят в группу лидеров на международном рынке технологий получения этилена каталитической окислительной конверсии этана в системе с раздельной подачей сырья и окислителя. Выявлены основные тенденции развития области техники, развивающиеся наиболее динамично - повышение селективности и производительности по целевому продукту, увеличение стабильности катализатора и упрощение технологии процесса.
Методами химической термодинамики проведен расчет равновесных концентраций компонентов продуктов реакции конверсии этана в этилен, при условиях, приведенных ниже. Учитывая, что реакция превращения этана в этилен сопровождается многими параллельными и последовательными реакциями, которые могут существенно влиять на выход этилена, расчеты проводили с включением в реакционную среду компонентов, образование которых наиболее вероятно.
На первой стадии проведен расчет температурной зависимости равновесных концентраций (моль %) компонентов реакции термического разложения этана
C2H6 → {C, CH, CH2, CH3, CH4, C2H2, C2H3, C2H4, C2H5, H, H2},
исходная концентрация этана 1 моль, давление 0,1 МПа. Показано, что в этих условиях максимальный выход этилена находится в границах температур 450-500°С и составляет ≈30 моль %. В найденной области основным побочным компонентом в продуктах является метан, концентрация которого составляет ≈ 65 моль%.
Далее расчетным путем было исследовано влияние молекулярного кислорода в реакционной среде на выход этилена по следующей схеме:
C2H6 + 0.1O2 → {C, CH, CH2, CH3, CH4, C2H2, C2H3, C2H4, C2H5, C2H6, C2H6O, H2O, O2, H, H2}
Термодинамические расчеты проводили при исходных концентрациях этана и кислорода 1 и 0.1 моль % соответственно и давлении 0,1 МПа. Результаты расчета показали, что в этом случае вы-ход этилена возрастает на 5 моль %, а выход метана соответственно уменьшается.
Разработана принципиальная схема процесса окислительной конверсии этана в этилен. Схема процесса предполагает взаимодействие окисднометаллического катализатора с сырьём (этаном) в течение короткого времени с образованием целевого продукта (этилена) с последующим реокислением катализатора воздухом. Технологическое решение этой задачи достигается за счет реализации нового процесса с проведением реакции окисления этана и реокисления катализатора в двух отдельных аппаратах с раздельной подачей сырья и окислителя.
Разработана принципиальная схема приготовления катализатора окислительной конверсии этана в этилен, включающая, в частности, следующие стадии синтеза: пропитка носителя раствором солей металлов, сушка, прокаливание.
Разработана принципиальная схема процесса, предполагающая взаимодействие окисднометаллического катализатора с сырьём (этаном) в течение короткого времени с образованием целевого продукта (этилена) с последующим реокислением катализатора воздухом.
Разработана эскизная документация и изготовлены следующие установки:
-лабораторная установка синтеза тестовых образцов катализаторов окислительной конверсии этана в этилен производительностью 12,5 г катализатора в сутки;
-лабораторная микрокаталитическая установка окислительной конверсии этана в этилен для тестирования до 250 мг катализатора;
-экспериментальная установка каталитической окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя.
Разработана методика приготовления тестовых образцов катализатора окислительной конверсии этана в этилен.
Разработана методика исследований каталитической окислительной конверсии этана в этилен на лабораторной микрокаталитической установке.
Наработаны тестовые образцы катализатора окислительной конверсии этана на лабораторной установке, отличающиеся концентрацией оксида металла, проведены их физико-химические исследования методами сканирующей электронной микроскопии, атомно-абсорбционной спектроскопии, рентгенофлуоресцентного анализа.
Разработан лабораторный технологический регламент каталитической окислительной конверсии этана в этилен на экспериментальной установке с раздельной подачей сырья и окислителя.
Разработаны методики аналитического контроля состава сырья и продуктов.
Проведены исследования активности катализаторов в реакции окислительной конверсии этана в этилен на лабораторной микрокаталитической установке, выбран ряд перспективных образцов.
Полученные в ходе проведения прикладных научных исследований в отчётный период результаты соответствуют требованиям к проекту и имеют перспективу для дальнейших исследований в данной области.