CC BY
7
УДК 544.47
Вукайлович К., Чередниченко А.Г., Маркова Е.Б.
ВЛИЯНИЕ КУБИЧЕСКОЙ И ОРТОРОМБИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ КАТАЛИЗАТОРОВ ABOз НА СТЕПЕНЬ КОНВЕРСИИ ПРОПАНА В РЕАКЦИЯХ ДЕГИДРИРОВАНИЯ
Вукайлович Кристина - студент магистратуры кафедры физической и коллоидной химии Российского университета Дружбы народов, Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.
Чередниченко Александр Генрихович - доктор химических наук, заведующий кафедрой физической и коллоидной химии Российского университета дружбы народов.
Маркова Екатерина Борисовна - кандидат химических наук, доцент кафедры физической и коллоидной химии Российского университета дружбы народов, Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.
В работе показано, что процесс неконтролируемого образования парниковых газов в результате техногенной деятельности человека является глобальной проблемой, угрожающей существованию человеческой цивилизации. Для решения этой проблемы необходимо сократить выбросы парниковых газов в атмосферу техногенного происхождения за счет разработки новых технологий их переработки. Одним из перспективных направлений переработки нефтяного попутного газа является каталитический крекинг пропана с получением в качестве ценных химических продуктов «легких» олефинов. Для решения этой проблемы предложено использовать в качестве катализаторов ванадиты редкоземельных металлов. Показано, что для наиболее селективного получения в качестве целевого продукта пропилена необходимо использовать катализатор ванадит гадолиния. Применение для этих целей ванадита лантана приводит к получению смеси «легких» олефинов.
Ключевые слова: каталитический крекинг пропана, гетерогенный катализ, соединения ванадия, редкоземельные металлы.
THE INFLUENCE OF THE CUBIC AND ORTHORROMBIC STRUCTURE OF CATALYSTS ABO3 ON THE DEGREE OF CONVERSION OF PROPANE IN DEHYDROGENATION REACTIONS
Vukaylovich K., Cherednichenko A.G., Markova E.B.
Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University), 6 Miklukho-Maklaya Street, Moscow, 117198, Russia
The paper shows that the process of uncontrolled formation of greenhouse gases is a global problem that threatens the existence of human civilization. To solve this problem, it is necessary to reduce greenhouse gas emissions into the atmosphere of man-made origin through the development of new technologies for their processing. One of the promising directions of processing associated petroleum gas is the catalytic cracking of propane with the production of "light" olefins as valuable chemical products. To solve this problem, it is proposed to use vanadites of rare earth metals as catalysts. It is shown that for the most selective production of propylene as a target product, it is necessary to use a gadolinium vanadite catalyst. The use of lanthanum vanadite for these purposes leads to the production of a mixture of "light" olefins.
Keywords: catalytic cracking of propane, heterogeneous catalysis, vanadium compounds, rare earth metals.
Введение
Техногенная деятельность человека, сжигание ископаемого топлива для выработки тепла, электроэнергии и промышленное развитие, неоднократно ассоциировалась с резким повышением температуры на нашей планете. Действительно, солнечное излучение поглощается поверхностью нашей планеты, а полученное тепло затем повторно выбрасывается в атмосферу и удерживается там в виде парниковых газов. Без присутствия парниковых газов средняя температура на планете была бы очень низкой, что доказывает необходимость наличия парникового эффекта для поддержания жизни на Земле [1]. Однако выброс парниковых газов в атмосферу из-за деятельности человека приводит к удерживанию большего количества тепла, чем необходимо. В результате происходит изменение климата, последствия которого мы наблюдаем каждый день [2].
Среди невозобновляемых сырьевых ресурсов попутный нефтяной газ (ПНГ) занимает заметное
место и потенциально является важным ресурсом для энергетики и химической промышленности. Одним из перспективных вариантов переработки ПНГ непосредственно на удаленных месторождениях является прямой синтез изопарафиновых углеводородов или олефинов, которые могут транспортироваться для дальнейшего использования в другие регионы. Спрос на эту продукцию постоянно растет на мировом рынке и разработка эффективных технологий переработки ПНГ является актуальной задачей.
К сожалению, для реализации
термокаталитических процессов крекинга
насыщенных углеводородов приходится
использовать высокие температуры. Для получения этилена, например, она составляет около 750 °С. Существует несколько путей образования олефинов. В первом случае происходит расщепление (крекинг) исходной молекулы парафина:
С(т + п)Н2(т + п)+2 т Н2т + СпН2п + 2 ;
Во втором случае реализуется процесс
дегидрирования парафинового углеводорода:
СрН2р + 2 —>СрН2р + Н2 ;
Обе реакции являются эндотермическими и протекают с увеличением объема. Чтобы сместить равновесие в сторону расщепления сырья и образования олефинов, необходимо повысить температуру и снизить давление. Но если крекинг углеводородов происходит с заметной скоростью уже при температуре 700 °С, то вклад реакции дегидрирования в образование продуктов пиролиза становится заметным только при 800-850 °С. Решить проблему селективного получения определенных конечных продуктов можно при использовании специальных каталитических систем. Одним из возможных вариантов решения этой проблемы может быть использование ванадитов редкоземельных металлов в качестве катализаторов крекинга и дегидрирования предельных углеводородов. При этом в одном соединении будут объединены уникальные свойства редкоземельных металлов и в перовскитоподобной структуры циркониевого типа, что должно увеличить каталитическую активность и стабильность каталитической системы [4].
Обсуждение результатов
Согласно рентгенофазовому анализу для ванадитов редкоземельных металлов, основным компонентом является фаза со структурой первого гомолога серии Ролдесдена-Поппера ромбически искаженного перовскита. Все орторомбические перовскиты имеют пространственную группу Б162Ь-РЬ, и деформация обусловлена смещением атома тяжелого лантанида в направлении оси «Ь», в то время как атомы переходного металла зафиксированы в центрах симметрии.
В ходе каталитических экспериментов было обнаружено, что образование кубической и орторомбической структуры способствует увеличению степени конверсии пропана и сдвигу температур крекинга в более низкую область. Реакция дегидрирования может протекать в этом случае с селективностью по пропилену до 90% при температурах до 700 К. Так применение GdVOз приводит к сдвигу степени превращения в область каталитических температур 700 - 900 К с преобладанием реакции, при этом селективность дегидрирования составляет 80 % (рис. 1).
В случае применения в качестве катализатора ЬаУОз реакция крекинга протекает параллельно с дегидрированием при одних и тех же температурных условиях, что приводит к снижению показателей селективности по пропилену до 40 % с одновременным увеличением выхода этилена до 35 % (рис. 1). Еще более заметный эффект по смещению
реакции в низкотемпературную область наблюдается при использовании в качестве катализатора ванадита самария БшУОз.
1,0
0,8 0,6
=
10,4 Н
Е с
с
"0,2 А
<>-ЛчО-О
9 nuncuUil vlic
-•-noncatalytic . t conversion /д 0
-0-GdVO3 У !
i
■irSmVOS f f
j 1 '
■o-LaVCO ;' !
i a ! : a r-*-*
Л A' >
o:o r»'
eoo 800 1000
temperature, К клнвНигьК
Рис.1. Основные показатели процесса каталитического дегидрирования пропана
Заключение
В результате проведенных исследований было показано, что в случае применения ванадитов редкоземельных металлов в термокаталитической переработке пропана, который является одним из компонентов попутного нефтяного газа, изменение состава и строения катализатора приводит к снижению температуры процесса и изменению его технологических характеристик. Так для наиболее селективного получения в качестве целевого продукта пропилена необходимо использовать катализатор ванадит гадолиния. Применение для этих целей ванадита лантана приводит к получению смеси «легких» олефинов.
Публикация выполнена при поддержке Программы стратегического академического лидерства РУДН.
Список литературы
1. Loginov V.F., Brovka Yu.A. Extreme climatic phenomena: spatial and temporal patterns of their changes and prerequisites for forecasting. Minsk.: Belnitz Ecology. 2012. 130 p.
2. Karol I.L., Kiselev A.A., Frolkis V.A. Radiation indices of climate-forming factors and their estimates under anthropogenic climate changes // Meteorology and hydrology. 2012. № 5. P. 15-28.
3. Dolenko G.N. Concepts of modern natural science. Novosibirsk.: 2017. 264 p.
4. Markova E.B., Lyadov A.S., Kurilkin V.V. // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2016. V. 90, № 9, Р. 1754-1759.
