учёные из РФ нашли способ повысить продуктивность химических реакций с помощью синтез-газа

27 мая, 2022 13:20

Источник: Russia Today

Российские исследователи разработали новый способ проведения химических реакций с использованием синтез-газа — смеси водорода и угарного газа. Как выяснилось, синтез-газ обеспечивает гораздо большую производительность, чем только водород, и позволяет получить чистый желаемый продукт, снизив объёмы побочных соединений. По мнению авторов работы, внедрение такого метода позволит упростить выпуск многих фармацевтических препаратов, сложных удобрений и других промышленно важных веществ.

Поделиться

Автоклавы, в которых были проведены реакции.

Источник: Олег Афанасьев

Принцип работы синтез-газа и водорода в качестве восстановителя. Источник: Олег Афанасьев

«Родиевое зеркало», до которого разрушается родиевый катализатор в присутствии водорода. В таком состоянии катализатор неактивен. Источник: Олег Афанасьев

Учёные из группы эффективного катализа Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН (Москва) разработали новый способ проведения реакций восстановления в органической химии. Речь идёт о применении вместо чистого водорода синтез-газа — смеси водорода с угарным газом. Новый метод позволит упростить производство многих фармацевтических препаратов, сложных удобрений и других промышленно важных соединений. Об этом RT сообщили в пресс-службе Российского научного фонда (РНФ). Соответствующее исследование опубликовано в журнале ACS Catalysis.

Водород активно применяется в химической промышленности. Он обладает восстановительными свойствами, поскольку легко отдаёт свои отрицательно заряженные электроны другим атомам. В результате синтезируются молекулы новых веществ. Например, с помощью таких реакций создаются многие фармпрепараты.

Однако водород как восстановитель имеет существенные минусы, отмечают авторы исследования. Например, он разрушает некоторые нужные для проведения реакции катализаторы, а также имеет низкую избирательность: во время синтеза сложно спрогнозировать, к каким именно атомам перейдут свободные электроны атомов водорода.

Учёные установили, что решить эти проблемы можно, смешав водород с другим восстановителем — угарным газом. Это вещество обладает большей избирательностью, но не столь активно в реакциях, как водород. Смесь газов обладает нужными качествами обоих веществ — избирательностью и активностью, отмечают авторы работы. Благодаря этому синтез-газ может многократно увеличить эффективность некоторых активно применяемых в химической промышленности реакций.

Кроме того, внедрение такой методики может удешевить производство, поскольку в этом случае отпадает необходимость получать чистый водород. Напомним, синтез-газ — продукт первой стадии превращения природного газа и угля в химические продукты, который сам является сырьём для получения водорода.

Практические исследования показали, что использование синтез-газа позволяет получать чистый желаемый продукт в реакции аминирования (присоединение азотсодержащего фрагмента (аминогруппы) к различным молекулам) органических соединений. Когда в данной реакции участвует чистый водород, только 8% получаемого вещества приходится на полезный продукт, а 92% — на побочные соединения. Такая низкая эффективность объясняется тем, что в чистом виде водород разрушает катализатор, который обеспечивает правильное протекание реакции.

Учёные также проверили эффективность синтез-газа ещё в одной реакции, где применили другой катализатор. В итоге выход полезного вещества составил 64%, тогда как в результате аналогичной реакции с участием водорода этот показатель не превышал 6%.

«Наше исследование показало, что синтез-газ в разы более эффективный восстановитель, чем водород. Этот дешёвый промышленный полупродукт позволит упростить синтез многих фармацевтических препаратов, сложных удобрений и других промышленно важных соединений. В дальнейшем мы планируем определить оптимальные условия, при которых синтез-газ выполняет свои функции наилучшим образом», — пояснил кандидат химических наук научный сотрудник группы эффективного катализа ИНЭОС РАН Олег Афанасьев.

Теги

Президентская программа, Химия и материалы, Спецпроект, Инфраструктурные проекты

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИНТЕЗА МЕТАНОЛА ИЗ ЗАБАЛЛАСТИРОВАННОГО АЗОТОМ СИНТЕЗ-ГАЗА

Том 332 № 7 (2021)

DOI https://doi.

org/10.18799/24131830/2021/7/3272

Актуальность исследования обусловлена недостаточной изученностью процесса синтеза метанола из обогащенного азотом синтез-газа, а также отсутствием экспериментальных данных о влиянии состава синтез-газа на выход метанола-сырца, его качество и состав отходящих газов. Проблема особенно важна для малотоннажных установок по производству метанола в промысловых условиях с использованием технологии получения синтез-газа путем парциального окисления природного газа воздухом.

Цель: экспериментально подтвердить возможность синтеза метанола из обогащенного азотом синтез-газа и получить объективные оценки производительности процесса, оценить влияние температуры синтеза, состава и параметров забалластированного азотом синтез-газа на выход и качество метанола-сырца, состав отходящих газов. Объекты: забалластированный азотом синтез-газ и его реакционная способность к синтезу метанола в зависимости от температуры синтеза, состава и параметров – мольных отношений компонентов и факториала (модуля) – синтез-газа. Методы: экспериментальные лабораторные исследования синтеза метанола с катализатором С-79-7GL компании «ZüdChemie»в проточном реакторе изотермического типа.

Результаты. Экспериментально подтверждена возможность синтеза метанола из обогащенного азотом синтез-газа, получаемого парциальным окислением природного газа воздухом. При давлении 4,0–4,2 МПа и объемной скорости 1100 ч^–1 для различных средних температур 210, 220 и 230 °С синтеза и двух отличающихся составом сырьевых смесей определены выходы метанола-сырца, содержание воды и примесей в метаноле-сырце, составы и параметры отходящих из реактора газов, конверсии углерода. Уточнены оптимальная температура синтеза и допустимые вариации температуры в слое катализатора. Сформулированы рекомендации к параметрам процесса в установках с трехреакторными проточными каскадами синтеза метанола и приведена оценка их удельной производительности при использовании обогащенного азотом синтез-газа.

Ключевые слова:

Метанол, обогащенный азотом синтез-газ, газогенератор, парциальное окисление природного газа воздухом, конверсия углерода, факториал синтез-газа

Авторы:

Юрий Владимирович Загашвили

Алексей Михайлович Кузьмин

Владимир Владиславович Имшенецкий

Иосиф Израилевич Лищинер

Ольга Васильевна Малова

Скачать PDF

Синтез-газ | Линде США Инжиниринг

Синтез-газ («синтез-газ»), газообразная смесь, состоящая в основном из H ₂ и CO, производится паровым риформингом или частичным окислением углеводородного сырья или комбинацией обоих процессов (тандемный риформинг).

Синтез-газ используется в производстве ряда химических и энергетических продуктов, включая, помимо прочего, метанол, аммиак, синтетическое топливо (продукты Фишера-Тропша), электричество, производство стали, синтетический природный газ (СПГ) и водород. Н ₂ Соотношение /CO, необходимое для производства продукта ниже по потоку, регулируется с помощью операционных модификаций и дополнительных процессов конверсии газа.

Как правило, газообразные и легкие нефтяные углеводороды превращаются в синтетический газ с использованием каталитического парового риформинга или парциального окисления. Более тяжелая нефть и твердое сырье, такое как побочные продукты нефтепереработки (остаточная нефть, асфальтены и нефтяной кокс) и уголь, превращаются в синтез-газ посредством реакций газификации в восстановительной среде. Как правило, синтетический газ на основе нефти/твердых веществ содержит нежелательные соединения, такие как сероводород, цианиды и аммиак. Последующие процессы используются для удаления нежелательных соединений и корректировки H

2 /CO до желаемого количества. Эти реакции конверсии водяного газа, технологии удаления кислых газов, такие как RECTISOL ^®   , или конструкции на основе аминов, адсорбция при переменном давлении и мембранное разделение могут использоваться по мере необходимости.

Паровой риформинг

Паровой риформинг является наиболее широко используемым процессом получения синтез-газа с высоким содержанием водорода из исходных материалов, богатых углеводородами, таких как природный газ и нафта. Сырье преобразуется в синтетический газ с использованием пара, образующегося при технологическом тепле, или при сжигании дымовых газов в каталитических трубчатых реакторах. Компания Linde является ведущим поставщиком установок парового риформинга с более чем 200 построенными установками, производящими синтез-газ мощностью от 1000 до более 120 000 Нм³/ч.

Частичное окисление

Компания Linde является одним из ведущих поставщиков установок частичного окисления (POx) во всем мире, и ее технологическая концепция охватывает все типы углеводородного сырья и получаемых продуктов. Выдающийся опыт Linde подкрепляется более чем 30-летним опытом и тем, что она является единственной компанией в мире, которая проектирует, устанавливает и эксплуатирует установки POx. Одна из четырех установок POx, эксплуатируемых Linde, является крупнейшей в мире установкой, работающей на природном газе (200 000 нм³/ч H ₂ +СО).

Тандемное реформирование

Тандемный риформинг представляет собой интеграцию парового риформинга и парциального окисления для производства синтез-газа для достижения желаемого соотношения водорода и монооксида углерода. Углеводородно-паровая смесь сначала риформируется в трубчатых реакторах, а затем частично окисляется кислородом. Выходящий синтез-газ нагревает трубчатые реакторы. Таким образом, технологическое тепло частичного окисления используется для процесса парового риформинга.

Преобразование смены CO

Преобразование конверсии CO

Синтез-газ обычно содержит водород, монооксид углерода, диоксид углерода, метан и воду, а также дополнительные компоненты, присутствие которых зависит от сырья, используемого для производства синтез-газа. Чтобы отрегулировать соотношение водорода и моноксида углерода в синтез-газе для удовлетворения требований последующего процесса, можно использовать каталитическую реакцию конверсии водяного газа (конверсия конверсии CO). В этой реакции монооксид углерода в синтез-газе превращается в диоксид углерода, а из воды, присутствующей в синтез-газе, образуется дополнительный водород.

Существует три различных типа конверсии СО конверсии:

• Высокотемпературная конверсия: реакция, происходящая при температуре от 570 до 840°F, восстанавливающая монооксид углерода в синтез-газе примерно до 2,5 молярных %
• Среднетемпературный сдвиг: реакция, протекающая при температуре от 430 до 520°F, снижает содержание окиси углерода в сингазе примерно до 0,5 молярного %
• Низкотемпературный сдвиг: реакция, протекающая при температуре от 350 до 480°F и снижающая содержание монооксида углерода примерно до 0,2 молярного %, обычно устанавливается после высокотемпературного сдвига для максимального производства водорода.

РЕКТИСОЛ®

RECTISOL ^®  – это процесс физического удаления кислых газов с использованием органического растворителя на основе метанола при отрицательных температурах. RECTISOL ^®  может очищать синтез-газ до уровня общей серы до 0,1 части на миллион (включая H ₂ S и COS) и CO ₂ в диапазоне частей на миллион. Промышленные весы RECTISOL ^® Промывочные установки используются во всем мире для очистки водорода, аммиака, метанола, синтез-газа и для производства монооксида углерода высокой чистоты.

Основными преимуществами этого процесса являются низкое потребление энергии, использование недорогого и легкодоступного растворителя и гибкость конфигурации процесса. Особенностью процесса является змеевиковый теплообменник, который поддерживает энергоэффективность и экономичность предприятия.

РЕКТИСОЛ ^®  был независимо разработан Linde и Lurgi. Патенты и торговая марка используются совместно.

Мембранные установки

Комбинация технологий мембранной и короткоцикловой адсорбции (PSA) обеспечивает новый уровень гибкости и эффективности. Наши запатентованные технологии адсорбции поддерживают почти все этапы предварительной и последующей обработки как исходного газа, так и потоков продуктов.

Наши газоразделительные установки, основанные на высокоэффективных полимерных мембранах, идеально подходят для следующих областей применения:

• Очистка гелия
• Очистка водорода из синтез-газа
• Очистка природного газа
• Очистка биогаза

Синтез-газ | Синтез-газ | Генераторный газ

Синтез-газ, также известный как синтез-газ, синтез-газ или генераторный газ, может быть получен из различных материалов, содержащих углерод. Они могут включать биомассу (древесный газ), пластмассы, уголь, бытовые отходы или аналогичные материалы. Исторически городской газ использовался для газоснабжения многих домов в Европе и других промышленно развитых странах в 20 веке. Газовые двигатели, использующие синтетический газ в качестве топлива, могут быть сконфигурированы для комбинированной тепловой и энергетической конфигурации, чтобы максимизировать эффективность системы.

Синтез-газ получают газификацией или пиролизом углеродистых материалов. Газификация включает в себя воздействие на эти материалы высоких температур в контролируемом присутствии кислорода с ограниченным сгоранием, чтобы обеспечить тепловую энергию для поддержания реакции. Газификация может происходить в искусственных резервуарах или, в качестве альтернативы, может проводиться на месте , как при подземной газификации угля (UCG). Если топливо для газификатора имеет недавнее биологическое происхождение, такое как древесина или органические отходы, газ, произведенный газификатором, считается возобновляемым топливом, а энергия, произведенная при его сжигании, является возобновляемой. Когда топливо для газификатора представляет собой поток отходов, его преобразование в энергию таким образом имеет совокупную выгоду от преобразования этих отходов в полезные продукты.

Преимущества использования синтетического газа в газовых двигателях

• Производство возобновляемой энергии
• Преобразование проблемных отходов в полезное топливо
• Экономичное производство электроэнергии на месте и снижение потерь при передаче
• Сокращение выбросов углерода

Проблемы состава синтез-газа

Состав синтез-газа в значительной степени зависит от входных данных газогенератора. Ряд компонентов синтез-газа вызывает проблемы, которые необходимо решать с самого начала, включая смолы, уровень водорода и влажность. Газообразный водород сгорает намного быстрее, чем метан, который является обычным источником энергии для газовых двигателей. В нормальных условиях более быстрое сгорание в цилиндрах двигателя может привести к преждевременному зажиганию, детонации и обратному срабатыванию двигателя. Чтобы решить эту проблему, в двигатель был внесен ряд технических модификаций, а мощность двигателя снижена до 50-70% от его типичной мощности на природном газе. (То есть двигатель мощностью 1063 кВт, работающий на природном газе, сравним с двигателем максимальной мощностью 730 кВт, работающим на синтетическом газе).

Состав сингаза

В следующей таблице представлен типичный диапазон состава сингаза. Это будет зависеть от конкретного химического состава сырья для газификатора

Вещество	Состав (%)
Н 2	20-40
СО	35-40
СО 2	25-35
СН 4	0-15
Н 2	2-5

 

Требования к качеству синтез-газа и топливного газа

В газовых двигателях может использоваться широкий спектр водородных газов. Однако, как и для всех моторных топлив, существуют определенные ограничения для различных компонентов входного топливного газа. Газовые примеси в синтетическом газе, в первую очередь смола и влажность, являются ключевой технической проблемой при использовании синтетических газов. Для получения дополнительной информации запросите специальную техническую инструкцию по качеству топливного газа.

Концепция двигателя ТЭЦ на синтез-газе

Различные составы, а также теплотворная способность и характер сгорания газов, образующихся в процессах синтеза газов, предъявляют более высокие требования к конструкции двигателя. Clarke Energy предлагает специально модифицированные газовые двигатели Jenbacher, которые эффективно используют эти газы для комбинированного производства тепла и электроэнергии. К особенностям этих двигателей могут относиться пламегасители для предотвращения обратного воспламенения, специальные газосмесители для улучшения смешения газов и большей устойчивости к загрязнениям. В целом стабильный состав древесного газа делает его выгодным в качестве моторного топлива. Однако высокое содержание водорода в некоторых синтетических газах означает, что процесс сгорания происходит очень быстро, что увеличивает опасность преждевременного зажигания, детонации или обратного зажигания двигателя. Чтобы избежать этого риска, Jenbacher создала систему управления двигателем, которая способна заправлять двигатель Jenbacher очень бедной смесью и в то же время очень быстро реагировать на изменения нагрузки двигателя. Некоторые синтетические газы имеют высокое содержание окиси углерода, которая имеет низкую скорость сгорания и очень вредна. Компания Jenbacher разработала специальную систему сгорания газового двигателя, которая обеспечивает эффективное и надежное сжигание газа. Кроме того, Clarke Energy & Jenbacher предлагает пакет технологий безопасности, который позволяет безопасно работать с вредными газами, такими как окись углерода. Синтез-газ можно использовать для производства горячей воды, пара и электричества. Горячая вода и выхлопные газы двигателей подаются в котлы. Полученный пар можно использовать в других локальных промышленных процессах. Электроэнергия, вырабатываемая газовыми двигателями Jenbacher, может либо использоваться на месте, либо продаваться в общую сеть. Электрический КПД синтез-газа 37% и выше может быть достигнут с помощью газовых двигателей Jenbacher

Преимущества Заправка газовых двигателей синтетическим газом

• Автономный источник питания
• Снижение затрат на электроэнергию, повышение предсказуемости и стабильности
• Эффективное и экономичное комбинированное тепло- и электроснабжение
• Высокий электрический КПД по сравнению с другими технологиями производства электроэнергии (например, паровыми или газовыми турбинами)
• Лучше всего подходит для электрической мощности в диапазоне от нескольких сотен кВт до 20-30 МВт
• Требуется низкое давление газа
• Альтернативная утилизация проблемного газа с одновременным использованием его в качестве источника энергии
• Заменитель обычного топлива
• Экологические выгоды за счет сокращения выбросов парниковых газов

Компетентность в области синтетического газа

Компания Clarke Energy обладает обширным опытом работы с технологиями газовых двигателей и обширными знаниями в области обращения со сложными газами, такими как синтетический газ.