Наукові основи хімічних перетворень органічних сполук в технології аерозольного нанокаталізу

Abstract

Дисертація присвячена розробленню наукових основ хімічних перетворень органічних сполук аерозольним нанокаталізом з віброзрідженим шаром (AnCVB). При дослідженні окиснення кисень-, хлор вмісних органічних сполук, вуглеводнів; каталітичного крекінгу вуглеводнів та їх суміші; отримання вуглеводнів з синтез-газу за методом Фішера-Тропша було визначено:  оптимальні умови, які призводить систему до седіментаційно-дифузійної рівноваги та збільшенню швидкості реакції (Т=873 - 973 К, Скат=1 – 10 г/м3, А=10 – 20 мм, f=6 – 10 Гц, Vдм=50-60%).  для процесів окиснення органічних сполук при сталості коефіцієнту коагуляції компенсаційний ефект дифузійного коефіцієнту аерозолю і коефіцієнта седиментаційної стійкості, який впливає на швидкість реакції.  для процесу каталітичного крекінгу вуглеводнів та їх сумішей при сталості коефіцієнта коагуляції компенсаційний ефект часу обробки частинок каталізатора і коефіцієнта седиментаційної стійкості, який впливає на зріст швидкості реакції.  для синтезу вуглеводнів з синтез-газу на трьохкомпонентному каталізаторі аерозольним нанокаталізом компенсаційний ефект коефіцієнту коагуляції й коефіцієнту седиментаційної стійкості, який дозволив оцінити вплив активної поверхні каталізатора. Запропоновані реактор аерозольного нанокаталізу з псевдозрідженим шаром для знешкодження промислових відходів будь-якого вихідного агрегатного стану; реактор з віброобертаючим шаром чи обертаючим реактором, як перспективний розвиток технології AnC. Диссертация посвящена разработке научных основ химических превращений органических соединений по технологии аэрозольного нанокатализа, использующий виброожиженный слой диспергирующего материала (AnCVB – aerosol nanocatalysis with vibrating bed). В работе получены математические закономерности для процессов окисления кислород-, хлорсодержащих органических соединений и углеводородов; процесса каталитического крекинга углеводородов и их смесей; получение углеводородов из синтез-газа методом Фишера-Тропша. В результате исследований для технологии АnС было выяснено, что:  оптимальный режим приводит систему к седиментационно-диффузионному равновесию и увеличению скорости (Т=873 - 973 К, Скат=1 – 10 г/м3, А=10 – 20 мм, f=6 – 10 Гц, Vдм=50-60%).  для процессов окисления органических соединений при постоянстве коэффициента коагуляции обнаружен компенсационный эффект диффузионого коэффициента аэрозоля и коэффициента седиментационной устойчивости, который влияет на скорость реакции. При этом отмечено, что соотношение коэффициента седиментационной устойчивости к коэффициенту диффузионного аэрозоля составляет 104, на такую же величину увеличивается скорость реакции под воздействием концентрации катализатора и частоты колебаний.  для процесса каталитического крекинга углеводородов и их смесей при постоянстве коагуляции обнаружен компенсационный эффект времени обработки частиц катализатора и коэффициента седиментационной устойчивости, который влияет на скорость реакции процесса. При этом отмечено, что соотношение коэффициента седиментационной устойчивости ко времени обработки частиц катализатора составляет 102-104, а на величину 103-105 увеличивается скорость реакции под воздействием концентрации катализатора и частоты колебаний.  для синтеза углеводородов из синтез-газа на трехкомпонентном катализаторе по технологии аэрозольного нанокатализа обнаружен компенсационный эффект коэффициента коагуляции и коэффициента седиментационной устойчивости, который особым образом повлиял на скорость реакции. с ростом частоты колебаний и соотношении исходных реагентов. Выявлено, что соотношение коэффициента седиментационной устойчивости к коэффициенту коагуляции составляет порядка 1023, при этом скорость реакции снизилась на такую же величину. Однако отмечен тот факт, что при соотношении СО:Н2=1:1 и СО:Н2=1:2 соотношение коэффициента седиментационной устойчивости к коэффициенту коагуляции с ростом частоты колебаний скорость реакции практически стабилизируется со стремлением к снижению, а для соотношения СО:Н2=1:3 – увеличивается.  в зоне химической реакции в условиях аэрозольного нанокатализа создается полидисперсная система частиц катализатора с концентрацией до 10 г/м3р.об., которая успешно поддреживает оптимальным режим механохимактивации для эффективного протекания химических превращений.  скорость реакции находится в прямой зависимости с коэффициентом седиментационной устойчивости, который при постоянстве механохимактивации in situ поддерживает в реакционном объеме частицы катализатора с активной поверхностью и ускоряет доступ к ним молекулам органических соединений.  предложенные новые варианты реакторов для химического превращения исходных реагентов в любом агрегатном состоянии, которые совмещают виброколебания для активации поверхности частиц катализатора с вращающими движениями для равномерного распределения по всему объему реактора, можно считать перспективным в развитии нового направления – технология аэрозольного нанокатализа.  в реакторе аэрозольного нанокатализа с виброожиженным слоем химическое превращение органических соединений успешно протекает при уменьшении концентрации катализатора в 105 раз, в сравнении с катализом на носителе. На такую же величину увеличивается и скорость реакции. Однако химическое превращение органических соединений протекает даже при увеличении концентрации катализатора в реакционном объеме в 102-104 раз, но скорость реакции при этом естественно снижается в 104 раз и одновременно увеличивается диффузионный коэффициент аэрозоля.  целесообразным является подача жидкого исходного реагента в предварительно испаренном состояниия и в практически в 4 раза быстрее протекание химической реакции.  режимом механохимактивации in situ можно управлять при помощи частоты и амплитуды колебаний, концентрации катализатора непосредственно в процессе химического превращения.  применение виброколебаний может привести к улучшеным технико-экономических характеристикам и снизить объем реактора в 2 раза и более. Для технологии аэрозольного нанокатализа реактор с псевдоожиженным слоем показал успешное применение при обезвреживании промышленных отходов в любом агрегатном состоянии. Экспериментальными исследованиями показано, что реактор с виброожиженным слоем в 10 – 100 раз эффективнее реактора с псевдоожиженным слоем. The thesis is devoted to development of scientific bases of chemical transformations of organic compounds by aerosol nanocatalysis with vibrating bed (AnCVB). It investigates the processes of oxidation the oxygen-, clorine-consist organic compounds, hydrocarbons; catalytic cracking of hydrocarbons and mixtures thereof; obtaining hydrocarbons from synthesis gas by the Fischer-Tropsch method are as follows: • optimal conditions, which causes the system to sedimentation and diffusion balance and increase the rate of reaction (T = 873-973 K Ccat = 1-10 g/m3, A = 10 - 20 mm, f = 6 - 10 Hz = 50 Vdm -60%).;  • for the oxidation of organic compounds at a constant coagulation factor a compensation effect of the diffusion coefficient of aerosol and sedimentation stability factor that affects the growth rate of reaction;  • for the process of catalytic cracking of hydrocarbons and their mixtures at a constant coagulation factor a compensation effect of the processing time of catalyst and sedimentation stability factor that affects the growth rate of reaction;  • for the synthesis of hydrocarbons from synthesis gas on three-component catalyst by aerosol nanocatalysis a compensation effect of coagulation factor and factor sedimentation stability, which allowed us to estimate the impact of the active catalyst surface. The proposed a reactor for aerosol nanocatalysis with fluidized bed for disposal of industrial waste in any initial aggregate state; a reactor with vibration and rotating bed or rotating reactor as a promising technology development AnC.