Введение к работе
Актуальность проблемы. Углеродистые отложения, образуемые на катализаторах в процессе переработки углеводородов, приводят к снижению активности и срока работы катализатора. В связи с указанным проблема закоксования катализаторов решалась в направлении поиска путей подавления этих вредных вторичных реакций. В последние годы внимание специалистов по углеродным материалам (УГМ) обращено к процессу каталитического крекинга углеводородов, где наиболее эффективными катализаторами коксообразования являются Fe, Ni, Со и их оксиды. В результате каталитической реакции наблюдается образование углеродных отложений на дисперсных металлических частицах. Эти отложения имеют специфические формы и свойства, которые позволяют рассматривать их как перспективные ультрадисперсные системы, используемые в различных областях химии. За последние годы накоплен определенный экспериментальный материал, который указывает на развитие направлений успешного применения металл-углеродных композиций в качестве адсорбентов и носителей катализаторов, и катализаторов ряда химических реакций. Недавно появились пионерские работы школы Р.А. Буянова по разработке эффективных металл-углеродных катализаторов для каталитических реакций гидрирования непредельных углеводородов, паровой конверсии метана и др. Поиск новых каталитических систем, изучение их свойств и способов приготовления является одной из важнейших задач катализа. При систематическом изучении таких систем возникают предпосылки для создания целой серии катализаторов, которые можно использовать при каталитическом крекинге С3-С4 углеводородов и для облагораживания бензина.
В литературе отсутствуют данные по физико-химическим
характеристикам металл-углеродных (Co,Ni) катализаторов, нанесенных на
природные глины, нет данных и по разработке углеродсодержащих
никелевых, кобальтовых катализаторов для облагораживания бензина и для
процессов превращения C3-Cj углеводородов в олефины и ароматические
соединения. В связи с интенсивным развитием наукоемких и безотходных
технологай, непрерывно расширяющимися потребностями в эффективных
катализаторах последнего поколения разработка новых металл-углеродных
(никелевых и кобальтовых) катализаторов приобретает особую
актуальность.
Работа выполнялась в рамках Государственной программы поисково-прикладных исследований «Разработка новых экологически чистых химических технологий и материалов с регулируемыми свойствами», раздел: «Синтез углеродсодержащих носителей-глин для палладиевых катализаторов крекинга бензиновых фракций», № гос. регистрации 0127 РК
00161, 11.03.97 г, по программе фундаментальных исследований «Изучение
углеродистых отложении на оксидах металлов», № гос. регистрации 0197 РК
00162, 11.03.97 г, по теме: «Синтез углеродсодержащих никелевых
катализаторов для крекинга бензиновых фракции», № гос. регистрации 0198 РК 00277, 19.06.98 г включенной в научно-техническое направление КазГУ им .аль-Фараби.
Цель работы. Разработка эффективных углеродсодержащих никелевых, кобальтовых катализаторов, установление закономерностей превращения С3-С4 углеводородов на металл-углеродных катализаторах в ценные химические продукты- олефины и ароматические соединения. В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:
разработка способа получения углеродсодержащих никелевых, палладиевых и кобальтовых катализаторов на минеральном сырье республики с изучением общих закономерностей зауглероживания Нарынкольской глины и глины, пропитанной солями никеля, кобальта и палладия (вторичного сырья после регенерации), изучение структуры углеродминеральных катализаторов, установление их физико-химических характеристик;
апробация новых углеродсодержащих катализаторов в процессе облагораживания бензина и в реакциях превращения Сз-Q углеводородов;
разработка технологического регламента получения углеродсодержащих катализаторов.
Научная новизна.
путем термической обработки каталитическим углеродом, образующимся на поверхности Нарынкольской глины при пиролизе пропан-бутановой смеси, показана возможность создания новых углеродсодержащих катализаторов;
с помощью комплекса физико-химических методов анализа (РФА, РСА, электронной микроскопии, метода реплик и микродифракции, ЭПР-снектроскопия, термогравиметрического анализа и др.) установлена структура карбоминерального катализатора. Рассчитаны термодинамические характеристики разложения углеродсодержащих катализаторов и образования углерода, кобальта, никеля;
при изучении процесса превращения С}-С* углеводородов на синтезированных металл-углеродных катализаторах установлена эффективность использования их для получения ценных химических продуктов- олефинов и ароматических соединений;
впервые определены удельные активности никелевых, кобальтовых катализаторов для получения ароматических соединений;
квантово-химическими методами AMI и ST03G проведены расчеты перегруппировки ацетилена- структурной группы ведущей цепь, в винилиденкарбен- в синглетных и триплетных состояниях.
Практическая ценность. В результате проведенных исследований разработаны:
технология получения карбоминерального катализатора на основе природного сырья и сопутствующих добыче нефти газов, что позволяет уменьшить материальные и энергетические затраты;
новые модифицированные катализаторы из природных компонентов, позволяющие увеличить выход олефинов до 53,5 мас.%, ароматических соединений до 97,9 мас.% и селективность по ароматическим соединениям до 98,8 мас.%;
полученные результаты существенным образом расширяют класс новых, дешевых катализаторов на основе минерального сырья с использованием бытового газа, сопутствующего добыче нефти.
Предложенный способ получения углеродминерального катализатора
может быть использован при переработке легких фракций нефти и
сопутствующего газа на предприятиях нефтедобывающей и
нефтеперерабатывающей промышленности Казахстана.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на XI
Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Санкт-Петербург,
1998 г), II Международном семинаре «Влияние нефтяных производств и
магистральных нефтепроводов на окружающую среду», (Алматы, 1998 г),
Втором Беремжановском съезде по химии и химической технологии
(Алматы, 1999) и Международной конференция «Проблемы катализа 21
века» памяти академика Д.В. Сокольского (Алматы, 2000),
Республиканской научно-практической конференция «Теория и практика интенсификации, ресурсоэнергосбережения в химической технологии и металлургии» (Шымкенг, 2000).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 научных трудов (5 статей, тезисы 2 докладов). Подана заявка на патент РК № госрегистрации 0142.1. от 10.02.2000 г. Структура н объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы по теме диссертации, методики эксперимента, экспериментальной части, заключения, списка использованных источников, имеющего 128 ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов, приложения, изложена на страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 30 таблиц.