Исследование процесса термокаталитического синтеза пропилена из пропана с использованием железосодержащих композиционных углеродных материалов

Разработка современных термокаталитических технологий переработки нефтегазового сырья является одним из перспективных направлений развития производства химической продукции. Существенную роль в решении этих вопросов играет применение новых высокоэффективных каталитических систем, обладающих необходимыми техническими показателями и большим ресурсом работы. Исследовано селективное дегидрирование пропана в целях получения пропилена. В процессе экспериментов синтезированы композиционные железосодержащие катализаторы, в которых активным компонентом является оксид железа в сочетании с инертной углеродной матрицей. В качестве последней используются активированный уголь марки ФАС (фурфурол-активный кокс) и углеродные нанотрубки. В результате синтеза на поверхности катализатора удалось получить каталитические центры, которые осуществляют перенос электронов за счет изменения степени окисления железа при трансформации исходных веществ в целевые продукты реакции. Показано, что полученные железосодержащие катализаторы существенно увеличивают эффективность процесса по сравнению с эффективностью термического крекинга пропана. Так, катализатор Fe³⁺/ФАС показал степень конверсии исходного реагента 68 % и селективность по пропилену около 42 %. Дальнейший переход к каталитическим системам на основе одно- и двуслойных углеродных нанотрубок, модифицированных оксидом железа (Fe³⁺/УНТ_I и Fe³⁺/УНТ_II), позволил получить степень конверсии пропана до 37...40 % при снижении селективности по пропилену до 29...30 %. Исследования ресурса работы синтезированных каталитических систем и возможности их регенерации показали, что с учетом регенерации активность катализаторов и основные технологические показатели процесса крекинга пропана в пропилен остаются без изменений в течение 10 рабочих циклов

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект № 075-03-2020-223 (FSS-2020-0017))

Литература

[1] Khadzhiev S.N. Nanoheterogeneous catalysis: definition, state, and research prospects (review). Petrol. Chem., 2016, vol. 56, no. 6, pp. 465--479. DOI: https://doi.org/10.1134/S0965544116060050

[2] Fakhroleslam M., Sadrameli S.M. Thermal/catalytic cracking of hydrocarbons for the production of olefins; a state-of-the-art review III: process modeling and simulation. Fuel, 2019, vol. 252, pp. 553--566. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.04.127

[3] Uskov S.I., Potemkin D.I., Shigarov A.B., et al. Low-temperature steam conversion of flare gases for various applications. Chem. Eng. J., 2019, vol. 368, pp. 533--540. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.02.189

[4] Sheshko T.F., Markova E.B., Sharaeva A.A., et al. Carbon monoxide hydrogenation over Gd(Fe/Mn)O^--3 perovskite-type catalysts. Petrol. Chem., 2019, vol. 59, no. 12, pp. 1307--1313. DOI: https://doi.org/10.1134/S0965544119120107

[5] Sun Y., Wu Y., Tao L., et al. Effect of pre-reduction on the performance of Fe₂O₃/Al₂O₃ catalysts in dehydrogenation of propane. J. Mol. Catal. A Chem., 2015, vol. 397, pp. 120--126. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molcata.2014.11.011

[6] Kim K.M., Kwak B.S., Park N.-K., et al. Effective hydrogen production from propane steam reforming over bimetallic co-doped NiFe/Al₂O₃ catalyst. J. Ind. Eng. Chem., 2017, vol. 46, pp. 324--336. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jiec.2016.10.046

[7] Тарасов В.А., Степанищев Н.А., Романенков В.А. и др. Повышение качества и технологичности полиэфирной матрицы композитных конструкций на базе ультразвукового наномодифицирования. Инженерный журнал: наука и инновации, 2012, № 9, с. 166--174. DOI: https://doi.org/10.18698/2308-6033-2012-9-381

[8] Popov V.V. Formation regularities of dispersed hydrated oxide systems. Russ. J. Inorg. Chem., 2015, vol. 60, no. 4, pp. 420--427. DOI: https://doi.org/10.1134/S0036023615040191

[9] Дубинин М.М. Адсорбция и пористость. М., ВАХЗ, 1972.

[10] Андерсон Р. Экспериментальные методы исследования катализа. М., Мир, 1972.

[11] Markova E.B., Lyadov A.S., Kurilkin V.V. Features of propane conversion in the presence of SmVO₃ and SmVO₄. Russ. J. Phys. Chem., 2016, vol. 90, no. 9, pp. 1754--1759. DOI: https://doi.org/10.1134/S0036024416090193

[12] Маркова Е.Б., Красильникова О.К., Серов Ю.М. Каталитическая конверсия пропана в этилен на активированном нановолокнистом аэрогеле оксида алюминия. Нефтепереработка и нефтехимия, 2013, № 3, с. 8--12.

[13] Markova E.B., Krasil’nikova O.K., Serov Yu.M., et al. Alumina nanofibrous structural self-organization in hollow nanotubes caused by hydrogen treatment. Nanotechnol. Russia, 2014, vol. 9, no. 7-8, pp. 441--447. DOI: https://doi.org/10.1134/S1995078014040119

[14] Jowkary H., Farsi M., Rahimpour M.R. Supporting the propane dehydrogenation reactors by hydrogen permselective membrane modules to produce ultra-pure hydrogen and increasing propane conversion: process modeling and optimization. Int. J. Hydrog. Energy, 2020, vol. 45, no. 12, pp. 7364--7373. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.04.286

[15] Gao R., Liu Y., Liu B., et al. Novel utilization of pyrolysis products produced from waste printed circuit boards: catalytic cracking and synthesis of graphite carbon. J. Clean. Prod., 2019, vol. 236, art. 117662. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.117662