1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Мембраны и мембранные технологии
  4. T. 13, № 6, 2023

Мембраны и мембранные технологии, 2023, T. 13, № 6, стр. 505-520

Кинетический анализ углекислотной конверсии метана на традиционном и мембранном катализаторах

Н. Н. Гаврилова a, С. А. Губин a, М. А. Мячина a, В. Н. Сапунов a, В. В. Скудин a, *

a Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
125047 Москва, Миусская площадь, 9, Россия

* E-mail: skudin.v.v@muctr.ru

Поступила в редакцию 18.05.2023
После доработки 20.07.2023
Принята к публикации 07.08.2023

Аннотация

В статье представлен анализ результатов кинетического исследования углекислотной конверсии метана (УКМ) в реакторах с традиционным (TК) и мембранным катализаторами (MК). Кинетический эксперимент в реакторах с мембранным и традиционным катализаторами выполнен в интервале температур 820–900°С и соотношении CH4 : CO2 = 1 : 1. В эксперименте установлена интенсификация процесса реакции крекинга метана, константа скорости которого, возрастает на порядок. Такая разница в результатах УКМ на исследуемых катализаторах обусловлена интенсификацией массопереноса на МК, в основе которой лежит явление теплового скольжения. Предложено математическое описание, соответствующее кинетической схеме процесса, и найдены константы скоростей прямых и обратных реакции в обоих реакторах. В процессе УКМ на TК образуется водяной газ, а на MК – синтез-газ. На TК процесс УКМ сопровождается накоплением углеродных отложений (УО), а на MК это накопление отсутствует. Процесс УКМ на традиционном катализаторе характеризуется тремя основными реакциями (крекингом метана, газификацией УО диоксидом углерода и/или водяным паром, обратной реакцией сдвига водяного газа), которые предполагались обратимыми в условиях эксперимента. Оказалось, что на ТК газификация УО происходит в обратной реакции крекинга метана, а на MК – в реакциях газификации УО водяным паром (в основном) и углекислым газом. Процесс на МК характеризуется необратимыми реакциями крекинга метана, газификации УО водяным паром и диоксидом углерода. Обратная реакция сдвига водяного газа на МК остается обратимой, а значения констант прямой и обратной реакций оказались на порядок ниже аналогичных констант на ТК.

Ключевые слова: интенсификация, углекислотная конверсия метана, тепловое скольжение, активированный массоперенос, кинетический эксперимент, константы скорости

Список литературы

  1. Miachon S., Dalmon J.-A. // Topics in Catalysis. 2004. V. 29. № 1–2. P. 59–65.

  2. Algieri C., Coppola G., Mukherjee D., Shammas M.I., Calabro V., Curcio S., Chakraborty S. // Catalytic Membrane Reactors: The Industrial Applications Perspective. Catalysts. 2021. № 11. P. 691.

  3. Membrane Reactors: Distributing Reactants to Improve Selectivity and Yield. Edited by Andreas Seidel-Morgenstern Copyright © 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN: 978-3-527-32039-4.

  4. Дытнерский Ю.И., Брыков В.П., Каграманов Г.Г. // Мембранное разделение газов M.: Химия, 1991. С. 334.

  5. Sirkar K.K., Shanbhag P.V., Kovvali A.S. // Membrane in a Reactor: A Functional Perspective. Ind. Eng. Chem. Res. 1999. V. 38. P. 3715.

  6. Li K. Ceramic Membranes for Separation and Reaction // John Wiley & Sons Ltd.: Hoboken, NJ, USA. 2007. P. 290.

  7. Haag S., Burgard M., Ernst B. // Catal. 2007. V. 252. P. 190–204.

  8. Westermann T., Melin T. // Chem. Eng. Proc. 2009. V. 48. P. 17–28.

  9. Pina M.P., Menhdez M., Santamaria J. // Appl. Catal. B Environ. 1996. V. 2. P. 19–27.

  10. Цодикова М.В., Тепляков В.В., Федотов А.С., Козицына Н.Ю., Бычков В.Ю., Корчак В.Н., Моисеева И.И. // Известия Академии наук. Серия химическая. 2011. № 1. С. 54–61.

  11. Bucharkina T.V., Gavrilova N.N., Kryzhanovskiy A.S., Skudin V.V., Shulmin D.A. // Petr. Chem. 2015. V. 55. № 10. P. 932–939.

  12. Gavrilova N.N., Sapunov V.N., Skudin V.V. // Chem. Eng. 2019. V. 374. P. 983–991.

  13. Gavrilova N.N., Gubin S.A., Myachina M.A., Skudin V.V. // Membranes. 2021. V. 11. P. 497.

  14. Gavrilova N., Gubin S., Myachina M., Sapunov V., Skudin V. // Membranes. 2022. V. 12. P. 136.

  15. Karniadakis G., Beskok A., Aluru N. Microflows and Nanoflows: Fundamentals and Simulation; Springer Science & Business Media: Berlin, Germany, 2005. P. 817.

  16. Levenspiel Chemical Reaction Engineering, 3rd Ed. // John Wiley & Sons, 1999. P. 392.

  17. Vargo S.E., Muntz E.P., Shiflett G.R., Tang W.C. // Vac. Sci. Technol. A. 1999. V. 17. № 4. P. 2308–2313.

  18. Gupta N.K., Gianchandani Y.B. // Micromech. Microeng. 2011. V. 21. P. 095029.

  19. Gupta N.K., Gianchandani Y.B. // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93. P. 193511.

  20. Song-Bai T., Fa-Li Q., Shao-Jie L. // Nat. Gas Reform. 1997. № 6. P. 51–59.

  21. Lavoie J.-M. // Frontiers in Chem. 2014. № 2. P. 1–17.

  22. Pina P., Mallada R. // Int. J. Eng. 2004. V. 20. № 6. P. 1074–1084.

  23. Скудин В.В., Шамкина Н.А., Шульмин Д.А. // Хим. пром. сегодня. 2011. № 9. C. 6–17.

  24. Gavrilova N., Dyakonov V., Myachina M., Nazarov V., Skudin V. // Nanomaterials. 2020. № 10. P. 2053.

  25. Mark M.F., Mark F., Maier W.F. // Chem. Eng. Technol. 1997. № 20. P. 361–370.

  26. Abreu C.A.M., Santos D.A., Pacıfico J.A., Lima N. // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. P. 4617–4622.

  27. Barroso Quiroga M.M., Castro Luna A.E. // Ind. Eng. Chem. Res. 2007. № 46. P. 5265–5270.

  28. Khoshtinat Nikoo M., Amin N.A.S. // Fuel Proc. Technol. 2011. № 92. P. 678–691.

  29. Fan M.S., Abdullah A.Z., Bhatia S. // Chem. Cat. Chem. 2009. № 1. P. 192–208.

  30. Satterfield C.N. Mass transfer in heterogeneous catalysis // M.I.T. Press. 1970. P. 267.

  31. Zhu B., Li H., Yang W. // Cat. Tod. 2003. № 82. P. 91–98.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Мембраны и мембранные технологии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал