Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0054

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0054
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева Российской академии наук
Название доклада
Разработка основ энергоэффективной технологии каталитической окислительной конверсии этана в этилен в системе с раздельной подачей сырья и окислителя.
Докладчик
Герзелиев Ильяс Магомедович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования 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.
Перечень задач проекта включает аналитический обзор современной литературы; проведение патентных исследований; теоретические исследования и квантово-химические расчёты; синтез образцов катализаторов окислительной конверсии этана в этилен; их испытания в лабораторных условиях на специально созданной микрокаталитической установке; наработка наиболее активного и селективного катализатора; исследования по изучению закономерностей процесса и подбору оптимального режима реакции окислительной конверсии этана в этилен на специально созданной экспериментальной установке с раздельной подачей сырья и окислителя; наработка экспериментального образца продукта; проведение технико-экономической оценки процесса.
Актуальность и новизна исследования
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, повысить выход целевых продуктов и снизить образование нежелательных продуктов. Однако с точки зрения практического применения этот метод также не лишен недостатков, например, высокие температуры процесса, повышенное коксообразование. Упомянутые недостатки устраняются при использовании в процессе окислителя. Однако и данный путь вызывает ряд технологических проблем: высокая энергоемкость и капиталоемкость процесса, взрывоопасность смеси этан-кислород, необходимость выделения кислорода из воздуха, либо получение забалластированного азотом продукта. Нами предложена новая технология, процесс по которой проводится в двух отдельных аппаратах — реакторе и регенераторе, между которыми непрерывно циркулирует микросферический катализатор, содержащий активный решёточный кислород. Катализатор переносит кислород в своём составе от регенератора к реактору и способствует превращению этана в этилен. Непосредственный контакт сырья и газообразного окислителя отсутствует. Данные инженерные принципы позволят в условиях взрывобезопасного процесса повысить эффективность производства этилена из этана по сравнению с традиционными методами.
Описание исследования

Методами химической термодинамики проведен расчет равновесных концентраций компонентов продуктов реакции конверсии этана в этилен.

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 счёт реализации нового процесса с проведением реакции окисления этана и реокисления катализатора в двух отдельных аппаратах с раздельной подачей сырья и окислителя. Катализатор непрерывно циркулирует между аппаратами конверсии этана и окисления воздухом. Такой приём обеспечивает технологическое преимущество разработки за счёт непрерывности протекания соответствующих реакций в каждом отдельном аппарате, простоты управления и гибкости процесса, исключает попадание балластного азота в продукты реакции. (Аппаратурное оформление предложенного принципа с большим успехом осуществлено в крупном масштабе в нефтеперерабатывающей промышленности – каталитическом крекинге вакуумного газойля в движущемся слое микросферического цеолитсодержащего катализатора, в мире действует более 350 установок каталитического крекинга общей мощностью по сырью свыше 740 млн. тонн в год).

Разработаны схемы приготовления катализатора окислительной конверсии этана в этилен: на основе оксида ванадия (V) с содержанием активной фазы до 40%, нанесённой на микросферический γ-Al2O3; на основе оксида ванадия (V) с содержанием 10% и оксида молибдена в количестве до 10%, нанесённых на микросферический алюмосиликат; на основе смешанных оксидов Mo-V-Te-Nb; на основе смешанных оксидов Mo-V-Te-Nb в количестве до 14%, нанесённых на микросферический γ-Al2O3.

По разработанной принципиальной схеме и методике на лабораторной установке наработан ряд тестовых образцов катализатора окислительной конверсии этана в этилен. Синтезированные образцы исследованы методами сканирующей электронной микроскопии, атомно-абсорбционной спектроскопии, рентгенофлуоресцентного анализа, а также температурно-программируемого восстановления и рентгеновской дифрактометрии, а затем испытаны на лабораторной микрокаталитической установке в реакции окислительной конверсии этана.

Выбран наиболее активный и селективный образец на основе смешанного оксида Mo-Te-V-Nb-O, нанесённого на микросферический γ-Al2O3, разработан лабораторный регламент, создана установка для приготовления укрупнённых партий этого катализатора. Технология процесса получения катализатора включает следующие стадии: получение молибдотеллурата аммония; получение суспензии солей молибдена, теллура, ниобия и ванадия; гидротермальная обработка суспензии солей молибдотеллурата аммония, ванадил сульфата и аммонийного оксалата ниобия; обработка активной фазы катализатора; нанесение активной фазы смешанного оксидного катализатора Mo-V-Te-Nb-O на микросферический γ-Al2O3. Наработана опытная партия катализатора в количестве 2 л исследована методами сканирующей электронной микроскопии, рентгенофлуоресцентного анализа, атомно-абсорбционной, ИК - и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.

На специально созданной в рамках проекта экспериментальной установке с раздельной подачей сырья и окислителя проведены исследования по каталитической окислительной конверсии этана в этилен. Изучено влияние условий регенерации катализатора, скорости циркуляции катализатора, температуры, скорости подачи сырья, отношения «кислород/сырьё», а также влияния примесей на показатели процесса.

Результаты исследования

Проведён обзор и анализ научной литературы, выполнены патентные исследования, сделан вывод о перспективности разрабатываемой технологии и ее патентноспособности.

Проведенные теоретические исследования позволили сделать следующие выводы: реакция дегидрирования этана с окислителем имеет большее преимущество, чем без окислителя: протекает эффективно, с выделением большого количество тепла при относительно низких температурах, а водород связывается в виде Н2О; этан имеет высокую энергию активации дегидрирования, поэтому реакцию необходимо проводить в присутствии катализаторов, которые стабильны в окислительной среде и способны связывать водород с образованием устойчивых комплексов.

Разработана эскизная документация и изготовлены следующие установки: лабораторная установка синтеза тестовых образцов катализаторов окислительной конверсии этана в этилен; 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; установка синтеза укрупнённых партий катализаторов окислительной конверсии этана в этилен.

Наработаны тестовые образцы катализатора. Результаты их физико-химических исследований показали хорошую способность образцов к многократным окислительно-восстановительным переходам, соответствие содержания V, Mo, Nb и Te расчётным концентрациям нанесённых металлов, отсутствие признаков склонности к пылеобразованию и агломерации.

Разработаны лабораторные технологические регламенты получения катализатора и каталитической окислительной конверсии этана в этилен на экспериментальной установке с раздельной подачей сырья и окислителя, включающие полное описание разработанной технологии и получения катализатора окислительной конверсии этана в этилен.

Проведены исследования каталитической окислительной конверсии этана в этилен на экспериментальной установке с движущимся слоем микросферического катализатора с раздельной подачей сырья и окислителя. По результатам исследований разработана статистическая математическая модель, описывающая процесс окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя. В основу модели заложены исходные данные, полученные при проведении опытов на экспериментальной установке. В результате реализации модели получена зависимость конверсии этана и селективности по этилену от температуры и объёмной скорости. Выбраны оптимальные условия проведения процесса окислительной каталитической конверсии этана в этилен на экспериментальной установке с раздельной подачей сырья и окислителя. Проведены исследования по влиянию примесей в сырье на работу катализатора.

На экспериментальной установке с движущимся слоем микросферического катализатора с раздельной подачей сырья и окислителя проведены испытания процесса каталитической окислительной конверсии этана в этилен. Наработан экспериментальный образец продукта.  Продемонстрированы высокие значения селективности по этилену (90,7%) при конверсии этана 25,4% и температуре 600 °С. Технологический процесс выдержал испытания по всем пунктам Программ и методик.

Практическая значимость исследования
Результаты проекта могут быть использованы для проведения опытно конструкторских и опытно технологических работ, направленных на создание новой конкурентоспособной технологии получения крупнотоннажного полупродукта нефтехимического синтеза — этилена, имеющего большое практическое значение.
Технология получения этилена с раздельной подачей сырья и окислителя может быть рекомендована для внедрения на предприятиях нефтегазохимического комплекса России, имеющих производство полиэтилена, стирола, хлорвинила, ацетальдегида, оксида этилена.
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
Предварительная оценка показывает, что предлагаемая технология окислительной конверсии этана в этилен с раздельной подачей сырья и окислителя газа, может достичь экономических результатов, превосходящих результаты традиционных промышленных процессов. Низкая капиталоемкость, невысокое энергопотребление, высокая степень взрывобезопасности показывают перспективность данной разработки. Дополнительно образуется технический азот, что существенным образом снижает себестоимость целевой продукции.