Введение к работе
Актуальность работы. Анализ литературных данных показывает, что синтез Фишера-Тропша (СФТ) - это перспективный процесс синтеза жидких топлив из СО и Н2, представляющий собой сложную совокупность химических превращений и процессов массопереноса в многофазной системе. Эффективность промышленных процессов синтеза Фишера-Тропша в значительной степени ограничена затруднениями массопереноса на границе фаз газ-жидкость и внутри зерна катализатора, которые не удается в достаточной мере ослабить в рамках традиционных схем организации каталитического слоя. Так, в суспензионных реакторах проблему решают путем значительного разбавления катализатора жидкими продуктами реакции, что приводит к чрезвычайно низкой производительности единицы объема реактора (менее 30 кгм"3-ч"').
Возможным решением проблемы интенсифицирования процессов массопереноса может стать новый подход к катализатору, как к элементу каталитического слоя реактора. Попытки наделить катализатор дополнительными функциями прослеживаются в схемах синтеза с монолитными катализаторами. Наделение катализатора такими дополнительными функциями, как проницаемость и теплопроводность, могут привести к увеличению производительности аппарата, а также, возможно, и облегчить его проектирование и упростить управление процессом. Одним из перспективных путей в этом направлении может оказаться использование каталитических проницаемых композитных монолитов (ПКМ), обладающих высокой концентрацией активного компонента (катализаторной массы) с малым размером зерна этого компонента, развитой структурой пор, высокой теплопроводностью и прочностью.
Цель диссертационной работы. Основной целью работы ставится систематическое исследование возможности приготовления проницаемых композитных катализаторов на основе кобальт-содержащего каталитически активного компонента, методов управления пористой структурой проницаемых катализаторов и их теплопроводностью, а также изучение потенциала и возможных преимуществ, которые может дать использование таких катализаторов в процессе синтеза Фишера-Тропша.
Направление исследований. Исследование направлено на создание научных основ приготовления проницаемых композитных катализаторов синтеза Фишера-Тропша, выявление методов управления параметрами пористой
структуры, физико-химическими и каталитическими свойствами ПКМ и демонстрацию эффективности использования ПКМ в синтезе Фишера-Тропша.
Методы исследований. Для исследования композитных катализаторов применены как стандартные методы определения газопроницаемости (ГОСТ 11573-65), пористости (ГОСТ 18898-89), электропроводности (ГОСТ 22261-94), теплопроводности (ГОСТ 25380-82) и прочности (ГОСТ 21560.2-82), так и оригинальные методики определения распределения пор по размеру, а также методы оптической и электронной сканирующей микроскопии (JEOL-JSM-6460 LV). Каталитические свойства исследованы как в традиционном изотермическом реакторе на мелкой фракции катализатора, так и в оригинальном реакторе с использованием ПКМ. Анализ состава парогазовой и конденсированных фаз проводили методом газовой хроматографии.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается систематичностью выбора ПКМ катализаторов и репрезентативностью выборки с широким варьированием параметров приготовления ПКМ и условий их каталитических испытаний, включением в состав выборки стандартных образцов, независимым определением экспериментальных величин различными методами, в том числе - стандартизованными методами исследования, привлечением к анализу результатов литературных экспериментальных данных, а также известных физических и физико-химических моделей.
Научная новизна. Впервые проведено систематическое исследование возможности приготовления проницаемых композитных катализаторов для процесса синтеза Фишера-Тропша. Разработаны методики измерения параметров пористой структуры проницаемых композитных катализаторов для трехфазных процессов. Выявлены основные закономерности влияния состава и условий приготовления ПКМ катализаторов на их пористую структуру и теплопроводность. Выявлены фундаментальные корреляции между параметрами пористой структуры ПКМ, условиями проведения процесса СФТ и каталитическими свойствами ПКМ в процессе СФТ. Предложен новый вариант организации трехфазного каталитического слоя и в лабораторном масштабе продемонстрирована его эффективность в процессе СФТ.
Практическое значение. Предложен новый вариант организации трехфазного каталитического слоя с использованием проницаемых композитных катализаторов, позволяющий интенсифицировать процессы межфазного мас-сопереноса, теплопереноса в слое, а также ослабить ограничения скорости каталитических превращений процессами диффузии внутри зерна каталитически активного компонента. Разработаны методы приготовления таких ка-
тализаторов, а также методы охарактеризованім их свойств, в том числе -определения параметров пористой структуры и каталитических свойств. Продемонстрирована эффективность проницаемых композитных катализаторов в процессе СФТ. Разработанный подход может быть использован и в других каталитических процессах, требующих высокой интенсивности процессов тепло- и массопереноса.
Основные положения, выносимые на защиту.
Разработка проницаемого композитного (ПКМ) катализатора процесса СФТ на основе кобальт-содержащего активного компонента со структурой слоистого гидроксоалюмината кобальта и способ приготовления таких катализаторов.
Выявление основных закономерностей влияния состава и условий приготовления проницаемых композитных (ПКМ) катализаторов на их пористую структуру и теплопроводность, а также на их каталитические свойства процессе СФТ.
Демонстрация в лабораторном масштабе эффективности использования проницаемых композитных катализаторов для процесса СФТ.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на 8 международных конференциях и семинарах: Catalysis for Sustainable Development (Новосибирск, 2002), KORUS-2002 (Новосибирск, 2002), CAMURE-4 (Lausanne, 2002), AUAC-2003 (Москва, 2003), Europacat-VI (Innsbruck, 2003), ACS National Meeting (Anaheim, 2004), 3-й российско-китайский семинар по катализу (Новосибирск, 2004), ICOSCAR-2 (Delft, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 статей, 2 патента РФ, патент ЕАПО и 8 тезисов докладов на международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 112 наименований и 3 приложений. Диссертация изложена на 140 страницах, содержит 18 таблиц и 50 рисунков.
