Влияние динамических режимов эксплуатации на каталитическую активность Ni/SiO2-СВК в процессе метанирования CO2

Содержание

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Современное состояние производства синтетического метана и его роль в химической промышленности России

1.2. Физико-химические основы процесса гидрирования диоксида углерода на гетерогенных катализаторах

1.3. КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И ДИОКСИДА КРЕМНИЯ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.4. РОЛЬ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ КАК НОСИТЕЛЯ И ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ СИНТЕЗА

1.5. МЕХАНИЗМЫ ДЕЗАКТИВАЦИИ НИКЕЛЕВЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ

1.6. ДИНАМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАТАЛИЗАТОРЫ

1.7. МЕХАНИЗМЫ РЕАКЦИИ МЕТАНИРОВАНИЯ CO2 НА Ni/SiO2 КАТАЛИЗАТОРАХ

1.8. СТРАТЕГИИ ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ Ni/SiO2 КАТАЛИЗАТОРОВ

1.9. Методика оценки каталитической активности и метрологическое обеспечение исследований на базе отечественного аналитического оборудования

Глава 2. Анализ объектов исследования и методика проведения экспериментальных работ на Ni/SiO2-СВК

2.1. Характеристика сырьевой базы и требования к чистоте реагентов согласно регламентам российских предприятий

2.2. МЕТОДИКА СИНТЕЗА КАТАЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ СТЕКЛОВОЛОКНА

2.3. Влияние переменных термических нагрузок на степень превращения углекислого газа

2.4. Мероприятия по повышению эксплуатационной надежности катализатора в соответствии с нормами промбезопасности

Заключение

Список использованной литературы

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: Влияние динамических режимов эксплуатации на каталитическую активность Ni/SiO2-СВК в процессе метанирования CO2

Направление: Химическая технология неорганических веществ

Специальность: 18.02.03

ВВЕДЕНИЕ

Современная химическая промышленность России стоит перед необходимостью развития технологий углубленной переработки углекислого газа в ценные химические продукты, что связано с глобальными экологическими вызовами и задачами декарбонизации производственных процессов. Процесс метанирования диоксида углерода представляет собой перспективное направление в области синтеза синтетического метана, который может использоваться как топливо, сырье для химической промышленности и средство аккумулирования энергии в концепции «Power-to-Gas». Каталитические системы на основе никеля, нанесенного на диоксид кремния, демонстрируют высокую активность и селективность в реакции Сабатье, однако их стабильность в условиях переменных нагрузок остается актуальной проблемой.

Степень разработанности проблемы в российской научно-технической литературе характеризуется наличием фундаментальных исследований механизмов каталитического гидрирования CO2, проводимых в РХТУ им. Д.И. Менделеева, Институте катализа СО РАН, однако вопросы влияния динамических режимов эксплуатации на долговременную стабильность никелевых катализаторов на стекловолокнистых носителях изучены недостаточно. Особенно важным является исследование поведения структурированных катализаторов на основе стекловолокна (СВК), которые обладают улучшенными массообменными и теплообменными характеристиками по сравнению с традиционными гранулированными системами.

Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки каталитических систем, способных сохранять высокую активность при циклических изменениях температуры, давления и состава реакционной смеси, что характерно для промышленных установок метанирования, работающих в режиме сопряжения с возобновляемыми источниками энергии. Практическая значимость исследования определяется возможностью оптимизации режимов эксплуатации промышленных реакторов метанирования на российских предприятиях химической и нефтегазовой отрасли.

Цель работы: изучить влияние динамических режимов эксплуатации на каталитическую активность Ni/SiO2-СВК в процессе метанирования CO2 и разработать рекомендации по повышению стабильности катализатора.

Задачи:

• проанализировать современное состояние производства синтетического метана в России и роль каталитического метанирования CO2;
• изучить физико-химические основы процесса гидрирования диоксида углерода на никелевых катализаторах;
• исследовать особенности каталитических систем Ni/SiO2 на стекловолокнистых носителях;
• оценить влияние переменных термических нагрузок на степень превращения CO2 и стабильность катализатора;
• разработать мероприятия по повышению эксплуатационной надежности катализатора в динамических режимах.

Объект исследования: каталитический процесс метанирования диоксида углерода на промышленной установке синтеза синтетического метана.

Предмет исследования: каталитическая активность и стабильность Ni/SiO2-СВК при динамических режимах эксплуатации.

Методологическая база: теоретическую основу составляют труды российских ученых в области гетерогенного катализа, химической технологии неорганических веществ; аналитические методы включают определение степени превращения CO2, селективности по метану, физико-химические методы исследования катализаторов; нормативная база представлена ГОСТ 2939-63 на метан технический, ТР ТС 019/2011, ФЗ № 116-ФЗ «О промышленной безопасности».

Научная новизна: получены систематические данные о влиянии циклических термических нагрузок на морфологию активного компонента и каталитическую активность структурированных Ni/SiO2-СВК катализаторов.

Теоретическая значимость: расширены представления о механизмах дезактивации никелевых катализаторов в динамических режимах процесса метанирования CO2.

Практическая значимость: разработаны рекомендации по оптимизации режимов эксплуатации промышленных реакторов метанирования для сохранения высокой активности катализатора.

Структура работы: курсовая работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы; первая глава посвящена литературному обзору по теме исследования; вторая глава содержит анализ объектов исследования и методику проведения экспериментальных работ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Современное состояние производства синтетического метана и его роль в химической промышленности России

Производство синтетического метана в России представляет собой динамично развивающееся направление химической технологии неорганических веществ, которое тесно связано с задачами энергетической безопасности, утилизации промышленных выбросов CO2 и диверсификации сырьевой базы химической индустрии. Синтетический метан получают каталитическим гидрированием оксидов углерода (CO и CO2) в присутствии водорода, при этом реакция метанирования диоксида углерода (реакция Сабатье) имеет термодинамическое преимущество при температурах 250-400°C и повышенном давлении. Исторически технологии метанирования развивались в СССР в рамках производства синтез-газа и аммиака, где метанирование использовалось для очистки водородсодержащих газов от следов оксидов углерода [1, c. 45].

В настоящее время интерес к процессам метанирования CO2 значительно возрос в связи с концепцией «Power-to-Gas», предполагающей преобразование избыточной электроэнергии возобновляемых источников в химическую энергию метана, который может быть интегрирован в существующую газотранспортную инфраструктуру. В России реализация подобных проектов представляет интерес для регионов с развитой ветровой и солнечной энергетикой, а также для предприятий нефтегазовой и химической отрасли, сталкивающихся с необходимостью сокращения выбросов парниковых газов в соответствии с требованиями ТР ТС 019/2011 и национальными экологическими стандартами.

…