Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и получение катализаторов способных работать в реакторах с кипящим слоем

Сведения об участнике
ФИО
Овечкина Татьяна Александровна
Вуз
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Металлургия и металловедение
Тема
Разработка и получение катализаторов способных работать в реакторах с кипящим слоем
Резюме
Данная работа направлена на получение катализатора для синтеза анилина в реакторе с кипящем слоем. Методом электроосаждения были получены икосаэдрические малые частицы (ИМЧ) меди разной морфологии и описаны особенности их поверхности и строения. Проведены исследования порошков, состоящих из совершенных икосаэдрических частиц меди с размером порядка 15-20 мкм. Проведено сравнение поведения данных ИМЧ меди и сферических микрокристаллов меди тех же размеров под воздействием температурных полей. Исследовался полученный катализатор из ИМЧ меди на каталитическую активность синтеза анилина с помощью реакции восстановления нитробензола в жидкой фазе.
Ключевые слова
Катализаторы для реакторов с кипящим слоем, икосаэдрические малые частицы меди
Цели и задачи
Цель: получение медного порошка из икосаэдрических малых частиц микронных размеров, отвечающих всем требованиям, предъявляемым к катализаторам, способных работать в реакторах с кипящим слоем.
Задачами данной работы было получение и исследование малых икосаэдрических частиц меди, а также их сравнение с сферическими микрочастицами тех же размеров, полученных аналогичным способом.
Введение

Реакторы кипящего слоя оказались более технологичными и экономичными, чем фильтрующие (неподвижные) реакторы, во многих окислительных процессах, в частности, при синтезе анилина и аммиака, окислении этилена до окиси и др.

Для таких реакторов удобными в применении и наиболее эффективными являются порошковые катализаторы с размером частиц 20-200мкм. Однако многие из них имеют сложную внешнюю морфологию и форму далекую от сферической и поэтому сильно подвергаются истиранию в процессе синтеза. 

Нами предлагается в качестве катализатора использовать порошок из икосаэдрических малых частиц микронных размеров. Данные частицы имеют форму максимально приближенную к сферической и, предположительно, обладают повышенными прочностными свойствами.

Методы и материалы

Исследуемым материалом является порошок из совершенных икосаэдрических малых частиц меди с размером частиц 15-20 мкм, полученных методом электроосаждения. Проводится сравнение результатов исследований с порошоком, состоящим из сферических микрокристаллов меди тех же размеров, полученных аналогичных образом при других технологических условиях.

Для определения удельной поверхности использовался газо-адсорбционный порозиметр (Thermo Scientific Surfer). Для определения интервалов температур в которых возможны структурно-фазовые изменения в ИМЧ, использовали сканирующий дифференциальный калориметр (ДСК) EXSTAR DSC 7000. Затем для проведения непосредственно термообработки в кислородосодержащей среде использовали муфельную печь ПМ-700п. Для проведения рентгеноспектрального анализа применяли специальную приставку к сканирующему электронному микроскопу Carl Zeiss Sigma. 

Испытания на каталитическую активность проводили в лабораторных условиях на установке состоящей из двухгорлой колбы объемом 100 мл, снабжённой механической мешалкой и обратным холодильником, помещенным в термостат. Качественное установление продуктов реакции проводилось методом ГХ-МС на приборе Shimadzu GCMS-QP2010Ultra, источник ионов ЭИ, капиллярной колонке Rtx-5MS 30м. 

Описание и обсуждение результатов

В результате данной работы методом электроосаждения были получены различные медные частицы микронных размеров особой формы с кристаллической симметрией 5-ого порядка, такие как совершенный икосаэдр, усеченный икосаэдр, звездчатый многогранник и множество их промежуточных морфологических форм. Также был получен и исследован порошок из икосаэдрических малых частиц меди, состоящий преимущественно из совершенных икосаэдров.

Проводилось сравнение икосаэдрических малых частиц порядка 15-20 мкм с сферическими микрокристаллами меди аналогичных размеров. Оба порошка имеют одинаковую удельную поверхность, которая в пределах погрешности и составила (4,3±0,1) м2/г. Исследования прочностных свойств частиц показали высокую прочность к истиранию для ИМЧ частиц по сравнению со сферическими микрокристаллами, которые имеют более «рыхлую» структуру. Это может быть связано с тем, что в ИМЧ четко выражена структура и анизотропия свойств, они содержат дисклинации и двойниковые границы, что, предположительно, способствует повышению физико-механических свойств.

Также проводились лабораторные испытания на каталитическую активность ИМЧ для получения анилина путем восстановления нитробензола, преимущественно для которого и предлагается использовать данный катализатор в реакторе псевдоожиженного слоя. Результаты показали высокую активность, как по степени конверсии нитробензола, так и высокую селективность образования анилина.

Данная реакция может быть осуществлена, как в жидкой, так и газовой фазе, которые имеют различные температуры синтеза. Соответственно наибольшая температура в реакторе наблюдается при синтезе анилина в газовой фазе, который используется при промышленном производстве. Поэтому особое значение уделялось исследованию ИМЧ меди при различных температурах. Из проведенных исследований следует, что ИМЧ меди следует использовать при температурах порядка 200 °С так, как частицы при данной температуре сохраняют свою форму и медленно окисляются, что также соответствует условиям работы медных катализаторов в реакторе с псевдоожиженном слоем для синтеза анилина.

Таким образом, порошок из икосаэдрических малых медных частиц отвечает требованиям, предъявляемым к катализаторам, работающих в реакторах с кипящим слоем для синтеза анилина: высокая каталитическая активность материала, достаточно однородный порошок с микронным размером частиц, форма частиц близкая к сферической, хорошая теплопроводность, высокие физико-механические свойства.

Используемые источники
1. Перспективные материалы: Наноматериалы технического и медицинского назначения : учебное пособие / под ред. Д. Л. Мерсона. – Тольятти : Изд-во ТГУ МИСиС, 2009. – Том 3. – 496 с.
2. Викарчук А. А. Нанообъекты, наноматериалы и микроизделия из них, полученные методом электроосаждения металла // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. – 2009. - № 1. – С. 7 – 17.
3. Перспективные материалы : учебное пособие / В. Н. Лясников [и др.] ; под ред. Д. Л. Мерсона. – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2013. – Том 5. – 422 с
4. M.V. Dorogov, A.N. Priezzheva, S. Vlassov [et al] Phase and structural transformations in annealed copper coatings inrelation to oxide whisker growth // Applied Surface Science. – 2015. – Vol. 346. – P. 423–427.
Information about the project
Surname Name
Tatiana Ovechkina
Project title
Development catalysts capable of operating in reactors with a fluidized bed
Summary of the project
This work is aimed at obtaining catalyst for the synthesis of aniline in the reactor with a fluidized bed. Method of electrodeposition were obtained icosahedral small particles (ISP) of copper of different morphology and describes the characteristics of their surface and structure. Conducted research powders, consisting of perfect icosahedral copper particles with size of about 15-20 microns. Comparison of the behaviour of data ISP copper and spherical microcrystals of copper of the same size under the influence of the temperature fields. Studied the catalyst obtained from the ISP of copper on the catalytic activity for the synthesis of aniline by reaction of the recovery of nitrobenzene in the liquid phase.
Keywords
Catalysts for reactors with a fluidized bed, icosahedral small particles of copper