Квасова Марина Ивановна. Разработка и исследование низкотемпературного износоустойчивого катализатора синтеза метанола низкого давления

Краткое описание

Квасова Марина Ивановна. Разработка и исследование низкотемпературного износоустойчивого катализатора синтеза метанола низкого давления : дис. ... канд. техн. наук : 05.17.01 Москва, 2007 99 с. РГБ ОД, 61:07-5/2017

Российский химико-технологический университет
имени Д.И. Менделеева
на правах рукописи
КВАСОВА МАРИНА ИВАНОВНА
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО
ИЗНОСОУСТОЙЧИВОГО
КАТАЛИЗАТОРА СИНТЕЗА
МЕТАНОЛА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
05.17.01 - Технология неорганических веществ
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: кандидат технических наук,
доцент Мещеряков Г.В.
Москва 2007
Оглавление
стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 6
1.1. Общая характеристика процесса синтеза метанола 6
1.2. Основные типы реакторов для синтеза метанола 9
1.3. Катализаторы синтеза метанола 18
1.4. Медьсодержащие катализаторы 21
1.5. Постановка задач исследования 27
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ 28
2.1. Объекты исследования 28
2.1.1. Исходное сырье для приготовления катализатора 28
2.1.2. Методика приготовления катализатора 29
2.2. Методы исследования катализаторов 34
2.2.1. Определение удельной поверхности катализатора 34
2.2.2. Определение удельного объема пор 35
2.2.3. Определение механической прочности 37
2.2.4. Определение истираемости катализатора 39
2.2.5. Исследование активности и селективности
катализаторов 40
3. РАЗРАБОТКА ИЗНОСОУСТОЙЧИВОГО НИЗКОТЕМПЕРА¬
ТУРНОГО КАТАЛИЗАТОРА СИНТЕЗА МЕТАНОЛА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ 44
3.1. Влияние добавок на физико - механические свойства
катализатора 44
3.1.1. Влияние нитрата кальция на пористую структуру
и механические свойства катализатора 49
3.1.2. Влияние хлорида хрома (III) на структуру и
прочность катализатора 51
з
3.1.3. Совместное влияние хлорида хрома (III) и нитрата
кальция на структуру и прочность катализатора 53
3.1.4. Совместное влияние хлорида хрома (III) и нитрата
лития на структуру и механическую прочность катализатора 55
3.1.5. Влияние нитрата хрома (III) на структуру и прочность
катализатора 57
3.1.6. Совместное влияние нитратов хрома (III) и кальция на
структуру и прочность катализатора 57
3.1.7. Совместное влияние нитратов хрома (III) и лития на
структуру и прочностные свойства катализатора 59
3.2. Влияние исследуемых добавок на производительность
износоустойчивого катализатора 59
3.3. Определение оптимального состава катализатора 62
3.4. Исследование свойств катализатора 67
4. ВВЕДЕНИЕ ОКСИДА БОРА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСО¬УСТОЙЧИВОСТИ КАТАЛИЗАТОРА СИНТЕЗА МЕТАНОЛА 68
4.1. Влияние оксида бора на физико-механические свойства
катализатора 68
4.2. Исследование истираемости износоустойчивых катализаторов 73
5. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ
КАТАЛИЗАТОРОВ СИНТЕЗА МЕТАНОЛА И РАЗРАБАТЫВА-ЕМОГО ИЗНОСОУСТОЙЧИВОГО НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО КАТАЛИЗАТОРА 75
ВЫВОДЫ 81
Литература 83
Приложения 98
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая диссертация посвящена разработке износоустойчивого и вы-сокоактивного медьсодержащего катализатора синтеза метанола для работы под давлением 5-8 МПа, испытанию его свойств и исследованию синтеза ме¬танола на полученном катализаторе.
В настоящее время по значению и масштабам производства метанол яв-ляется одним из важнейших органических продуктов, выпускаемых химиче¬ской промышленностью. Постоянное увеличение объема выпуска метанола вы¬звано увеличением спроса на этот продукт. Основными производителями мета¬нола за рубежом являются США, Япония, Германия, Англия, Франция, Италия. Мировое производство метанола в период с 1990 по 2000 год возросло в два раза. Лидирующей страной в производстве является США. Выпуск метанола за указанный период значительно превышал темпы роста производства многих продуктов химической промышленности. Бурный рост производства метанола обусловлен постоянно возрастающим многообразием сфер его применения. Метанол является сырьем для получения таких продуктов как формальдегид (около 50 % от всего выпускаемого метанола), синтетический каучук (~ 11 %), метиламин (~ 9 %), а также диметилтерефталат, метилметакрилат, пентаэрит¬рит, уротропин. Его используют в производстве фотопленки, аминов, поливи-нилхлоридных, карбамидных и ионообменных смол, красителей и полупродук-тов, в качестве растворителя в лакокрасочной промышленности. В большом ко-личестве метанол потребляют для получения различных химикатов, например хлорофоса, карбофоса, хлористого и бромистого метила и различных ацеталей [1].
Большое значение метанолу уделяется и в проблеме переработки бурых и каменных углей, в частности метанол производится в больших количествах из продуктов газификации углей в местах их добычи и транспортируется по тру-бопроводам к потребителям для энергетических и технологических целей.
Кроме того, на местах потребления из метанола путем диссоциации можно по-лучать синтез-газ (СО + 2Н2), а на его основе водород, аммиак и другие продук¬ты.
В настоящее время эксплуатируются экономичные агрегаты синтеза ме-танола с низким давлением синтеза (5-8 МПа) при 493 - 553 К с мощностью 100 - 750 тыс. т/год и с использованием оксидного медьцинкалюминиевого ка-тализатора. Недостатками этого катализатора являются низкая производитель-ность и стабильность.
Наиболее перспективным направлением протекания процесса синтеза ме-танола является проведение его в кипящем слое, обеспечивающим оптималь¬ный температурный режим и позволяющим снизить затраты по эксплуатации оборудования.
Реакторы кипящего слоя уже несколько десятков лет применяют в про-мышленности для крекинга нефтепродуктов, для галогенирования углеводоро¬дов и их производных, в производстве таких продуктов, как формальдегид, ок¬сид этилена и др. Для синтеза метанола такие реакторы не распространены из- за отсутствия стабильного и износоустойчивого катализатора способного рабо¬тать в условиях кипящего слоя. Поэтому, изучение и разработка достаточно ак¬тивных и износоустойчивых катализаторов в настоящее время является чрезвы¬чайно важной и актуальной проблемой.

Список литературы

ВЫВОДЫ
1. Разработаны схемы и способ приготовления двух низкотемпературных износо-устойчивых катализаторов синтеза метанола низкого давления.
2. Изучено влияние различных добавок на пористую структуру и прочностные свойства износоустойчивых катализаторов. Показано, что увеличение суммар-ного объема пор в катализаторе достигается при введениии в него хлорида хро¬ма (III) в количестве 6 % и нитрата хрома (III) в количестве 8 % (в пересчете на Сг20з). Лучшие показатели по прочности были достигнуты при добавлении в катализатор нитрата кальция в количестве от 2 до 8 %, хлоридов магния и алю-миния в количествах 5 - 30 % и 1 - 20 % соответственно. Однако эти добавки в соответствующих количествах снижают производительность износоустойчиво¬го катализатора.
3. Проведена оценка влияния каждого компонента катализатора на его актив¬ность. Активность износоустойчивого катализатора возрастает с уменьшением добавок оксидов бария и магния. Однако добавка оксида магния в количествах 0,025 - 0,1 моль стабилизирует его производительность.
4. Методом планирования эксперимента определены оптимальные составы изно-соустойчивых катализаторов синтеза метанола для работы под давлением 5-8 МПа.
5. Показано, что введение в катализатор оксида бора на стадии формования гра¬нул износоустойчивой основы позволяет получить катализатор, обладающий высокой механической прочностью как на раздавливание, так и на истирание при сохранении оптимальной пористой структуры и производительности.
6. Установлено, что истираемость полученных катализаторов увеличивается со временем и ее скорость стремится к постоянному значению; в интервале темпе-ратур от 0 до 300 °С истираемость практически не меняется, а с увеличением давления она уменьшается на относительно малую величину. Полученные ка-тализаторы соответствуют критерию износоустойчивости (< 3 %).
7. Сравнительный анализ полученных катализаторов с промышленным СНМ - 1 и ранее разработанным ДН - 8 - 2 показал экономическую целесообразность и преимущества использования первых в промышленности: повышенная износо-устойчивость и механическая прочность. Разработанный катализатор работает устойчиво, с высоким выходом продукта. Его активность близка к активности катализатора ДН -8 -2 и превосходит активность СНМ - 1.
Разработанные катализаторы могут быть использованы как в реакторах со стационарным слоем катализатора, так и в проектируемых реакторах кипящего слоя для синтеза метанола, а методику приготовления данных катализаторов можно применить для получения износоустойчивых катализаторов и в других процессах, например, в синтезе аммиака, конверсии монооксида углерода с во-дяным паром и др., а так же для очистки выходящих газов с любых производств от монооксида и диоксида углерода.