CC BY
35UO'K: 66.01(075) - 10.5281/zenodo. 10804727
METАNNI KАRBОNАTLI KОNVERSIYАLАNISHI
Qo'yboqarov Oybek Ergashovich
Texnika fanlari falsafa doktori, Qarshi muhandislik iqtisodiyot instituti, Qarshi, O'zbekiston E-mail: oybek.kuyboqarov@mail.ru
Annotatsiya. Geterogen katalizatorning bir shakli sifatida membrana katalizatori tabiatining kontseptsiyasiga asoslanib, geterogen katalitik jarayonning kuchayishi reaksiya massasining membranaga bo 'linishi ta 'siri bo 'lmagan taqdirda mumkin ekanligi aniqlandi. Membranali katalizatorning ta'siri katalizatorning g'ovak sathidan foydalanish darajasining oshishi bilan bog 'liqligi aniqlandi. Reaksiyaning kinetik modeli shakli shuni ko'rsatdiki, metanning karbonat angidrid konversiyasining tezligi va selektivligi katalizatorning barcha o 'rganilayotgan turlari uchun membranani reaktorkontaktorida va an 'anaviy ravishda differentsial tenglamalarning umumiy tizimi bilan tavsiflanadi. Katalizator qatlami o 'rnatilgan katalitik reaktor va modelparametrlarining o 'zgarishi g 'ovaklarning ichki yuzasining kirish darajasining o 'zgarishiga mos keladi. Metanning karbonat angidrid konversiyasining kinetik xususiyatlari va membrana katalizatorining g'ovakli tuzilishidagi farqi, uni tayyorlash uslubidan qat'i nazar, membrana ta 'sirining namoyon bo 'lishiga to 'sqinlik qilmaydi.
Kalit so'zlar: metan, karbonat angidrid, katalizator, reaksiya unumi, konversiya, sintez-gaz. Fisher-Tropsh.
КОНВЕРСИЯ МЕТАНА В КАРБОНАТ
Куйбокаров Ойбек Эргашович
doKmop фuлoсoфuu технических nayK, KapmuncKMÜ инженернo-экoнoмический институт,
Kapmu Узбекuсmoн
Аннотация. Ha omoee пpедсmaвлеnuй o пр^oóe мембpannoгo кamaлuзamopa тк paзnoвuдnoсmu гemepoгennoгo кamaлuзamopa усmanoвлeno, чmo интенсифитция гemepoгenno-кamaлumuчeскoгo npo^cca вoзмoжna npu omсуmсmвuu влияния paспpeдeлenuя peaкцuoннoй Maccu нa мeмбpaнe. Усmaнoвлeнo, чmo действие мeмбpaннoгo кamaлuзamopa связaнo с швышением уpoвня uспoлъзoвaнuя nopu^oü пoвepхнoсmu кamaлuзamopa. Вид кинетичес^й мoдeлu peaкцuu пoкaзaл, чmo ^opo^b и сeлeкmuвнoсmъ пpeвpaщeнuя мemaнa в углекислый гaз для всех изученных тишв кamaлuзamopa в мeмбpaннoм peaкmope-кoнmaкmope услoвнo oпuсывaюmся oбщeй систeMoü дuффepeнцuaлъных уpaвнeнuй. Kamaлumuчeскuй peaкmop т слoeM кamaлuзamopa и изменение пapaмempoв мoдeлu мaскupуюmся из-
менением степени проникновения внутренней поверхности пор. Разница в кинетических свойствах превращения метана в диоксид углерода и пористой структуре мембранного катализатора не препятствует проявлению мембранного эффекта независимо от способа его приготовления.
Keywords: метан, диоксид углерода, катализатор, выход реакции, конверсия, синтез-газ. Фишер-Тропш.
CONVERSION OF METHANE TO CARBONATE
Kuybokarov Oybek Ergashovich
Doctor of Philosophy of Technical Sciences, Karshi Engineering-Economics Institute, Karshi Uzbekistan
Abstract. Based on ideas about the nature of a membrane catalyst as a type of heterogeneous catalyst, it has been established that intensification of the heterogeneous catalytic process is possible in the absence of the influence of the distribution of the reaction mass on the membrane. It has been established that the effect of the membrane catalyst is associated with an increase in the level of utilization of the porous surface of the catalyst. The type of kinetic model of the reaction showed that the rate and selectivity of the conversion of methane into carbon dioxide for all studied types of catalyst in a membrane contactor reactor are conventionally described by a general system of differential equations. The catalytic reactor with a catalyst bed and the change in model parameters are masked by a change in the degree ofpenetration of the internal surface of the pores. The difference in the kinetic properties of the conversion of methane to carbon dioxide and the porous structure of the membrane catalyst does not prevent the manifestation of the membrane effect, regardless of the method of its preparation. Keywords: methane, carbon dioxide, catalyst, reaction yield, conversion, synthesis gas. Fischer-Tropsch.
Kirish. Metanni karbonat angidridli konversiyalab, "sintez-gaz" olish jarayoni uzoq vaqt ishlovchi barqaror katalizator yaratilmaganligi sababli hanuzgacha sanoat-da joriy etilgan emas, ammo CO2 ni yo'qo-tish nuqtai nazardan muhimdir. Metanning karbonatli konversiyasi «parnik effekt»ini chaqiruvchi ikki xil ikkita gaz (metan va karbonat angidrid) ning birdaniga foydali maqsadlarda ishlatilishi bilan ham istiqbolli usul bo'lib, muhim ekologik va iqtisodiy ahamiyatga ega. Bu usulning yana bir qulayligi shundan iboratki, metanni karbonatli konversiyalash jarayoni odatdagi atmosfera bosimida (0,1MPa), 650-8000С da
o'tkaziladi [1]. Shuning uchun tabiiy gazdan import o'rnini bosadigan, eksportga yo'nal-tirilgan mahsulotlar ishlab chiqarishning yangi, tejamkor, chiqindisiz usullari va ekologik jihatdan xavfsiz texnologiyalarini ishlab chiqish hamda mamlakatimizning kimyoviy mahsulotlarga va yangi texno-logiyalarga nisbatan eksport potensialini oshirish hamda atrof-muhitni muhofaza qi-lish dolzarbdir.
Adabiyotlar tahlili va mеtodlar. Metan karbonatli konversiyalab sintez gaz va u asosida metanol olish reaksiyasi seolit saqlovchi katalizator ishtirokida boradi.
Yuqorida qayd etilganlardan kelib
chiqqan holda mazkur ishning maqsadi "parnik effekti"ni keltirib chiqaruvchi ikkita gaz metan va karbonat angidridni to'g'ridan-to'g'ri katalitik konversiyalab, ekologik toza suyuq yoqilg'ilar sintez qilishdan iborat.
Ayni vaqtda tabiiy gazni qayta ish-lashning yagona va oqilona yo'li bu uni katalitik konversiyalab sintez gaz va u asosida metanol olish reaksiyasidir. Metanni katalitik karbonatlash reaksiyasi ochilganiga 30 yildan oshdi, ammo hanuzgacha yuqori faollik va unumdorlikka ega bo'lgan bar-qaror katalizator yaratilmaganligi sababli bu reaksiya sanoatga joriy etilgan emas. Metanni katalitik karbonatlash reaksiyasi quyidagi afzalliklarga ega [2-3]:
— Metanni karbonatlash jarayoni bitta texnologik bosqichda boradi. Fisher-Tropsh reaksiyasi bo'yicha metanni suv bug'lari bilan konversiyalab sintez-gaz olish ko'p bosqichli jarayondir [4].
— Sintez gaz neft kimyosi sin-tezining asosiy mahsuloti bo'lib, undan juda ko'p moddalar sintez qilish mumkin [5].
— Metanni katalitik karbonatlash reaksiyasi Fisher-Tropsh sintezidan farq qilib odatdagi atmosfera bosimida boradi. Fisher-Tropsh sintezi yuqori bosim ostida boradi. Bu esa o'z navbatida katta harajat talab etadi [6].
Adabiyotlar tahlili [7] shuni ko'rsata-diki, metanni katalitik karbonatlash jara-yonining o'ziga xos xususiyatlari ma'lum bo'lgan barcha katalizatorlarda haroratning yuqoriligi va nisbatan selektivlikning past-ligidir.
Metandan bir bosqichda sintez gaz va u asosida metanolni olish bo'yicha qator ishlar bajarilgan, ular o'zining iqtisodiy sama-radorligi bilan ajralib turadi [8]. Shunga qaramasdan, bu boradagi ishlar hali yetarli emas. Metanni katalitik karbonatlash jara-
yonining mexanizmini o'rganish, uning ma-tematik modelini yaratish, modellar adek-vatligini baholagan holda jarayonni maq-bullashtirish, kinetik jarayonlarning avto-matlashtirilgan boshqarish tizimini yaratish muhimdir. Shuning uchun ham metandan qimmatli xomashyolar bo'lgan sintez gaz va u asosida metanolni bir bosqichda olish uchun karbonatlash jarayonining termo -dinamik qonuniyatlarini o'rganish, spetsifik ta'sir etuvchi va samarali katalizatorlar tanlash, ular ishtirokida boradigan jarayonni modellashtirish va maqbullashtirishni diffe-rensial reaktor sharoitida o'rganish maq-sadga muvofiq. Bular esa metanni karbonatlash jarayonining kinetik qonuniyatlarga asoslangan sintez usulini ishlab chiqish, uni takomillashtirish va jarayonning avtomat-lashgan tizimini yaratish nuqtai nazaridan dolzarbdir.
Metanni katalitik karbonatlash reaksi-yasi uchun yuqori unumdorlik va selek-tivlikka ega bo'lgan, haroratga nisbatan barqarorligi yuqori, turg'un, mustahkam, puxta hamda barqarorligi nihoyatda yuqori bo'lgan arzon va faol katalizatorlar tanlash va ular asosida olingan kinetik natijalarni baholash, jarayonning mexanizmini to'liq o'rganish va uni termodinamik jihatdan asoslash hamda energiya va resurstejamkor texnologiyalar yaratish mutaxassislar oldida turgan muhim va dolzarb masalalardan biridir.
Ushbu ishda membrana katalizatorlari reaktivlarni teshik tuzilishi orqali majburiy tashish imkoniyati bilan ajralib turadigan geterogen katalizator turlaridan biri sifatida qaraldi. Ushbu yondashuv geterogen katalizatorlar texnologiyasida ma'lum bo'lgan tayyorlash usullaridan foydalanishga, shu-ningdek, geterogen katalizda an'anaviy tasnifdan foydalanishga imkon beradi (ular-
ni massiv va qo'llab-quwatlanadiganlarga bo'lish). Shuni ta'kidlash kerakki, massiv membrana katalizatori deb katalizator tushu-niladi, unda faol komponent u yoki bu tarzda to'g'ridan-to'g'ri substratga (mikrofiltrat-siya korund membranasi) ustiga yotqizilib, unda mustaqil qatlam shaklida joylashgan. Membrana katalizatorida reaktiv komponent maxsus katalizator tayanch qatlamida taq-simlanadi, bu substrat yuzasini ko'paytirish va teshik o'lchamlari torayishi uchun yot-qizilgan y-Al203 qatlami.
Natijalar. Tadqiqolar yuzasidan natija-larni laboratoriya sharoitida konversiya yuli bilan metanni karbonatli konversiyalash yuli bilan olib borildi.
Gaz aralashmalarining miqdoriy tarki-bini aniqlash tashqi standart usuli bilan
amalga oshirildi (gaz aralashmasining har bir komponenti uchun xromatograf oldindan sozlangandi) [9]:
Ci = ki* St
Bu yerda Si - gaz aralashmasidagi-chi komponentning konsentratsiyasi (vol.%), ki-chi komponent uchun kalibrlash koeffiitsienti (vol.%:(mV-min)), Si - xromatogrammadagi ichi komponentning tepalik maydoni (mV-min).
Jarayonlar oqimli reaktorda atmosfera bosimida suv bug'i yo'qligida (metanning karbonatli konversiyasi) va ishtirokida (metan bug' karbonatli konversiyasi) SN4:S02 ning 1:1 ga teng o'zaro nisbatida, xomashyo berilishining 1000 soat-1 (V0) hajmiy tezligida va jarayon haroratini 300 dan 1050°C gacha o'zgartirish orqali
1-rasm Konversiya yuli bilan metanni karbonatli konversiyalash sxemasi.
1-reaktor konversiya, 2 - obratniy klapan, 3 - rasxodomer, 4 - vadorodyig'gich, 5 -xolodilnik, 6 - sikhn, 7 - separator, 8, 9 - ventil.
o'tkazildi. Reaksiyaning boshlang'ich va yakuniy mahsulotlari tahlili "on-line" rejimda gazli xromatografiya yordamida o'tkazildi. Katalizatorning hajmi 6 ml ni tashkil etdi, jarayoning davomiyligi 10-12 soat.
Kontakt vaqti Тюникт (soniyada) quyidagi formula bo'yicha hisoblanadi: _ Vkuz * 273
Tkont F*(Tp + 273) * 60
Bu yerda V^t - katalizator namuna-sining hajmi (ml), F - reaksiya aralash-masining hajmiy (molyar) oqimtezligi, Tp-reaktsiyaharorati (°C).
VKaT katalizatorning hajmi quyidagi formula bo'yichaaniqlandi.
Vqat
n*(D2- d2) 4
* h,
buerda D - katalizatorning tashqi diametri (sm), d - katalizatorning ichki diametri (sm), h - katalizatorning uzunligi (sm).
Metanni karbonat angidridga aylan-tirish jarayonining asosiy ko'rsatkichlari quyidagi formulalar bilan aniqlandi:
X(CH4) =
F(CH4)0 - F(CH4)
F(CH4)O *100%, X(C02) F(CO2)0 - FCO2)
пт л * 100%, PC02)o
Bu yerda X (CH^o va Х(СО2) - metan va karbonat angidridning konversiya stav-kalari (%), F (CH4)o va F (CH4) - bu reaktorga kirishda metanning volumetrik (molyar) sarfi va undan chiqishda, navbati bilan (ml : min), P (СО2)о va F (CO2) -reaktorga kirishda va undan chiqishda karbonat angidridning volumetrik (molyar) oqim tezligi (ml) : min), F (CO) - bu reaktor chiqadigan joyda karbonat angidridning oqimtezligi (ml : min), F (H2) - chiqishda volumetrik (molyar) vodorod sarfi.
Muhokama. Katalizatorlar namunalari oksidlanish darajasi 5 dan 6 o'zgarib tura-digan, stexiometrik bo'lmagan molibden birikmalaridan iborat zarrachalarning yuqori dispersli aralashmasi - "molibden ko'ki" deb ataladigan qatlamlarni qo'llash orqali zol-gel usuli bilan olindi. Molibden yuzlarining o'zi ammoniy
2-rasm. Molibden ko'kini 800°C da inert atmosferada kuydirish natijasida olingan
rentgen kukunlari difraksiyasi sxemasi.
geptamolibdatning kislotali muhitda qaytarilishi bilan sintez qilingan; qaytaruvchi vosita sifatida glyukoza eritmasi ishlatilgan. Ushbu kolloid tizimlarning af-zalligi shundaki, katalitik faol faza -molibden karbid, ularni inert atmosferada kalsinlanishidan so'ng darhol hosil bo'ladi. Buni o'ta toza azot muhitida 800°C da kalsinlangan "molibden ko'k" kukunini tahlil qilish paytida olingan XRD ma'lu-motlari tasdiqlaydi (2-rasm). Taqdim etilgan
MPCA ma'lumotlari bilan bilvosita tasdiq-langan (2a-rasm). Ko'rinib turibdiki, membrana katalizatorining kesimida molibden (1) va uglerod (2) uchun chuqurlikdan signallarning intensivligi simobli ravishda joylashtirilgan. 106-rasm sizga molibden va alyuminiydan kelgan signal kuzatilayotgan chuqurlikni baholashga imkon beradi. Namunaning tashqi yuzasida alyuminiydan signal minimal qiymatga, molibden esa maksimal darajaga ega. Shundan kelib
3-rasm. Aktiv membrana molibden-karbid katalizatori (а-Мо(1) va C(2); b-Mo (1) va A1 namunalari kesimi bo'yicha elementlarning tarqalishining rentgen diffraktswn
sxemasi (3).
rentgen diffraktsiya sxemasidan ko'rinib turibdiki, olti burchakli kristal panjarali molibden karbid Mo2C dan iborat namunada erkin amorf uglerod ham mavjud. Membrana katalizatorlari namunalarining rentgen diffraktsiyasi sxemasida karbid fazasi, yotqizilgan qatlamlarning juda kichik qalinligi (bir necha o'nlab mikron) tufayli tanib bo'lmaydigan holga kelib qoladi.
Yirik molibden-karbid katalizaWri. Namuna asl korund substratiga "molibden ko'k" qo'llash orqali olingan, undan keyin u 800°C haroratda azot oqimida kalsinlangan. Ushbu membranalarning katalitik qatlami asosan molibden karbididan iborat ekanligi
chiqib, substratga yotqizilgan molibden birikmalari (korund mikrofiltratsiya mem-branasi) uning tashqi yuzasida qisman joy-lashgan degan xulosaga kelish mumkin. Undan masofa kattalashganda alyuminiydan signal kuchayadi, molibden esa kamayadi. Ya'ni, molibden miqdori kamayadi. Uning kontsentratsiyasi tahminan 15 mikron chu-qurlikda fon qiymatlariga etadi. Bunday tor taqsimotni qatlam deb hisoblash mumkin.
Faol komponentning tarkibi (dastlabki substratning og'irligiga ishora qiladi) 0,85 foizni tashkil etdi.
Faollashtirishning umumiy o'ziga xos sirt maydonini membrana katalizatori yuzasi
bilan taqqoslash shuni ko'rsatadiki, faol komponent tayanchga qo'llanganda bu qiymat sezilarli darajada o'zgaradi.
Membrana reaktorida sinashdan oldin membrana katalizatorining umumiy o'ziga xos yuzasi substratnikidan deyarli besh baravar yuqori. Uning uchun bu qiymat korund zarralarining faolsiz ichki yuzasi tomonidan aniqlanadi.
Metanning karbonat angidrid konver-siyasi sharoitida membrana katalizatorini sinovdan o'tkazgandan so'ng uning o'ziga xos yuzasi kattaligi bo'yicha 10,5 m2: g gacha kamayadi; tashqi - 7,1 m2 : g gacha, ichki - 2,3 m2: g gacha. Membrana kata-lizatori yuzasida bunday o'zgarish, masalan, faol komponent materialini markazlashtirish yoki undan erkin amorf uglerodni chiqarib tashlash natijasida yuzaga kelishi mumkin.
Membranali katalizatorning teshiklari-ning hajmi shunga o'xshash o'zgarishlarga uchraydi. Aktiv komponentning o'ziga xos sirt maydonining olingan qiymatlari CVD usuli bilan olingan membrana katalizatori uchun mos keladigan qiymatlarga yaqin bo'lib chiqdi.
Xulosa. Shunday qilib, membranali katalizatorlar geterogen katalizator turlari-dan biri bo'lganligi sababli, bu ularga kataliz nazariyasi va amaliyoti qoidalarining aksa-riyat qoidalarini hamda ularning turli xil
kimyoviy reaktsiyalardagi harti-ha^atlan-ni olish va o^ganish usullaгini qo'llashga imkon beгadi.
1. Geterogen katalizatoming biг shakli sifatida membrana katalizatori tabiatining kontseptsiyasiga asoslanib, geterogen kata-litik jarayonning kuchayishi reaksiya massa-sining membгanaga bo'linishi ta'siri bo'l-magan taqdiгda mumkin ekanligi aniqlandi.
2.Membгanali katalizatoming ta'siгi katalizatoming g'ovak sathidan foydalanish daгajasining oshishi bilan bog'liqligi aniqlandi.
3.Reaktsiyaning kinetik modeli shakli shuni ko'reatdiki, metanning kaгbonat an-gidгid konverayasining tezligi va selek-tivligi katalizatoming barcha o^ganila-yotgan tuгlaгi uchun membranani гeaktoг-kontaktoгida va an'anaviy ravishda differen-sial tenglamalaming umumiy tizimi bilan tavsiflanadi. Katalizatoг qatlami o'matilgan katalitik гeaktoг va model parametriarining o'zgaгishi g'ovaklaming ichki yuzasining kiгish daгajasining o'zgaгishiga mos keladi.
4.Metanning kaгbonat angidгid konve^ siyasining kinetik xususiyatlari va membrana katalizatoгining getгogin tuzilishidagi faгqi, uni tayyoriash uslubidan qat'iy naza^ membrana ta'sirining namoyon bo'lishiga to'sqinlik qilmaydi.
FOYDALANILGAN ADABIYOTLAR RO'YXATI
1. Kuyboqarov O., Anvarova I., Abdullayev B. RESEARCH OF THE CATALYTIC PROPERTIES OF A CATALYST SELECTED FOR THE PRODUCTION OF HIGH-MOLECULAR WEIGHT LIQUID SYNTHETIC HYDROCARBONS FROM SYNTHESIS GAS //Universum: технические науки. - 2023. - №. 10-7
(115). - С. 28-32.
2. Kuyboqarov O., Egamnazarova F., Jumaboyev B. STUDYING THE ACTIVITY OF THE CATALYST DURING THE PRODUCTION PROCESS OF SYNTHETIC LIQUID HYDROCARBONS //Universum: технические науки. - 2023. - №. 11-7
(116). - С. 41-45.
3. Муртазаев, Ф. И., Неъматов, Х. И., Бойтемиров, О. Э., Куйбакаров, О. Э., & Каршиев, М. Т. (2019). ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ СЕРЫ И НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНОГО ПОЛИЭТИЛЕНА ДЛЯ ДОРОЖНЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ. Международный академический вестник, (10), 102-105.
4. Муртазаев, Ф. И., Неъматов, Х. И., Бойтемиров, О. Э., Куйбакаров, О. Э., & Каршиев, М. Т. (2019). ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИНТЕЗИРОВАННЫХ ОЛИГОМЕРОВ ДЛЯ ОБЕССЕРИВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА ОТ СЕРОВОДОРОДА. Международный академический вестник, (10), 105-107.
5. Boytemirov, O., Shukurov, A., Ne'matov, X., & Qo'yboqarov, O. (2020). Styrene-based organic substances, chemistry of polymers and their technology. Результаты научных исследований в условиях пандемии (COVID-19), 1(06), 157-160.
6. Куйбокаров, О., Бозоров, О., Файзуллаев, Н., Хайитов, Ж., & Худойбердиев, И. А. (2022, June). Кобальтовые катализаторы синтеза Фишера-Тропша, нанесенные на A12O3 различных полиморфных модификаций. In E Conference Zone (pp. 349-351).
7. Куйбокаров, О. Э., Бозоров, О. Н., Файзуллаев, Н. И., & Нуруллаев, А. Ф.У.(2022). КАТАЛИТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ СИНТЕЗ-ГАЗА В ПОЛИФУНКЦИОНАЛЬНОМ КАТАЛИЗАТОРЕ. Universum: технические науки, (1-2 (94)), 93-103.
8. Куйбокаров, О. Э., Бозоров, О. Н., Файзуллаев, Н. И., & Хайдаров, О. У. У.
(2021). СИНТЕЗ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ УГЛЕРОДОВ ИЗ СИНТЕТИЧЕСКОГО ГАЗА ПРИ УЧАСТИИ CO-FE-NI-ZRO2/ВКЦ (ВЕРХНИЙ КРЫМСКИЙ ЦЕОЛИТ). Universum: технические науки, (12-4 (93)), 72-79.
9. Куйбокаров, О. Э., Шобердиев, О. А., Рахматуллаев, К. С., & Муродуллаева, Ш.
(2022). ПОЛИОКСИДНЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАНА В СИНТЕЗ ГАЗ. Central Asian Research Journal for Interdisciplinary Studies (CARJIS), 2(5), 679-685.
10. Rustamovich,O.N., Ergashovich,K.O., Khujanazarovna,K.Y., Ruzimurodovich, K. D., & Ibodullaevich, F. N. (2021). Physical-Chemical and Texture Characteristics of Coate-Fe-Ni-ZrO2/YuKS+ Fe3O4+ d-FeOON. Turkish Online Journal of Qualitative Inquiry, 12(3).
