Разработка и оптимизация каталитического реактора на основе стекловолокнистого катализатора для процессов конверсии газообразных углеводородов

Объектами исследования, в ходе выполнения научно-исследовательского проекта, являлись структурированный микроволокнистый катализатор и каталитический реактор на его основе, их разработка и многоуровневая оптимизация. Цель научного исследования заключается в разработке каталитической технологии на основе стекловолокнистого катализатора (Далее – СВК) для переработки газообразного углеводородного сырья по методу Фишера-Тропша (Далее – Ф-Т) с целью преодоления главной проблемы этого процесса – его высокой капитальной стоимости, определяемой большими габаритами, металлоемкостью и высокой сложностью конструкций существующих реакторов. Методы исследования. В ходе выполнения научно-исследовательского проекта для детального представления о формировании частиц активного компонента СВК на поверхности носителя был задействован комплекс физико-химических методов исследования: (XRD, BET, ASAP, ASAP (Chemi), SEM, TGA). Основным методом синтеза разрабатываемых СВК является процесс поверхностного термосинтеза с предварительным нанесение вторичного носителя SiO2 и прекурсора активного компонента. Каталитические эксперименты по определению перспективных образцов СВК в процессах переработки газообразных углеводородов проводили на экспериментальных стендах (установка Ф-Т, установка метанирования). Исследование проницаемости и гидравлического сопротивления, теплопроводности, перепада давления, наблюдаемой активности и интенсивности массообмена новых конструкций каталитических картриджей на основе СВК проводили с помощью специализированного программного обеспечения ANSYS Fluent и экспериментального стенда. Результаты работы и их новизна. В ходе выполнения научно-исследовательского проекта был сформирован научный коллектив, который обладает компетенциями в сфере создания новых типов катализаторов и каталитических процессов на их основе в широком междисциплинарном спектре от фундаментальных основ до практического внедрения, наработана партия перспективных образцов СВК для лабораторных испытаний в процессах конверсии газообразных углеводородов (процесс Ф-Т, процесс метанирования) с целью выбора оптимальной каталитической системы, определения кинетических параметров протекающих реакций на выбранной системе. Проведены исследования каталитической активности синтезированных СВК различного состава и подтверждена перспективность использования СВК в процессе Ф-Т с получением оптимального соотношения алканов и олефины среднего состава С6-С15, и в процессе метанирования с получением синтетического метана. На основе ранее построенной расчетной модели структурированного картриджа на основе СВК были проведены гидродинамические расчеты с применением ПО Ansys Fluent. Расчеты включали варьирование форм-факторов картриджей: структуры ткани СВК (сатин/ажурный), наличие/отсутствие гофрированной структурирующей сетки в канале картриджа. Было показано, что ажурная ткань может более интенсивно создавать локальные вихри потока, в то время как гофрированная структурирующая сетка может обеспечивать лучшую турбулизацию сердцевины потока, оба фактора приводят к улучшению массопереноса от сердцевины потока к поверхности СВК. Расчетное улучшение достигает ~30% для ажурной сетки по сравнению с сатином и ~10% для структурирования сетки, что согласуется с экспериментальными данными. Моделирование также воспроизвело необычное экспериментально наблюдаемое течение реакционной потока с обратной стороны в зазоре между тканью СВК и плоской опорной сеткой. Разработанная модель может быть признана адекватной и экспериментально проверенной и может быть использована для оптимизации существующей конструкции и разработки новых конструкций картриджей СВК. Область применения результатов. Высокоперспективной сферой применения СВК является конверсия газообразных углеводородов. Стекловолокнистый катализатор демонстрирует перспективность использования в процессе Ф-Т и процессе метанирования. Также перспективными являются процессы дожига (глубокого окисления) углеводородов в безвредные продукты, эти процессы могут найти применение при решении экологических задач в сфере защиты атмосферного воздуха.