Pobierz opis

Ewelina Franczyk
[email protected]
Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej, Wydział Chemii
Nowe katalizatory niklowe na niskopowierzchniowych nośnikach glinowych
dla procesów konwersji gazu ziemnego z parą wodną
Parowy reforming gazu ziemnego należy do grupy najważniejszych procesów
technologicznych Wielkiej Syntezy Chemicznej. Jest dominującym sposobem otrzymywania
gazów syntezowych oraz wodoru. Proces prowadzony jest na katalizatorach niklowych typu
impregnowanego, najczęściej na bardzo stabilnych termicznie niskopowierzchniowych nośnikach
glinowych, uformowanych w kształtki o rozwiniętej powierzchni geometrycznej.
Parowy reforming gazu ziemnego oparty jest na dwóch prostych odwracalnych reakcjach:
CH4 + H2O
CO + 3H2
ΔH = 206 kJ mol-1 (reakcja silnie endotermiczna)
CO + H2O
CO2 + H2
ΔH = -41 kJ mol-1
i może być realizowany w różnych wariantach o różnych parametrach pracy (reforming rurowy
i dopalanie, półspalanie, ATR połączony z GHR).
Cechy reakcji oraz warunki prowadzenia procesu wskazują na najważniejsze właściwości
jakie powinny posiadać katalizatory parowego reformingu:
dobre, stabilne w czasie właściwości wytrzymałościowe i duża odporność na siły
dylatacyjne, szoki temperaturowe i działanie pary,
wysoka i stabilna aktywność jednostki powierzchni geometrycznej katalizatora,
kształt i wymiary ziarna zapewniające dużą powierzchnię geometryczną jednostki objętości
złoża i niskie opory,
duży współczynnik wnikania ciepła,
wysoka odporność na zawęglanie,
niski koszt wytwarzania.
Dla spełnienia powyższych wymagań producenci oferują różne katalizatory optymalne dla
różnych warunków procesu.
Z analizy inżynieryjnej procesu wynika, że zastosowanie katalizatorów o zwiększonej
porowatości złoża stwarza możliwości poprawy parametrów pracy parowego reformingu:
obniżenie oporów przepływu w instalacji reformingu o 30%,
lub zwiększenie obciążenia instalacji o 15% przy tych samych oporach,
co przyczyni się w sposób istotny do obniżenia kosztów wytwarzania gazów syntezowych
i obniżenia kosztów inwestycyjnych.
Podstawowym celem pracy doktorskiej jest opracowanie podstaw technologii nowych
promotorowanych katalizatorów niklowych dla różnych procesów parowego reformingu. Będą to
katalizatory typu impregnowanego na odpowiednio uformowanych nośnikach glinowych o dużej
porowatości złoża do procesów:
reformingu rurowego - w formie cylindrów 3-otworowych w kształcie „koniczyny” - co
umożliwi zwiększenie obciążenia katalizatora (przy zachowaniu tych samych oporów
przepływu i temperatur rur) lub obniżenie oporów,
dopalania i półspalania - w formie większych cylindrów 3-otworowych w kształcie
„koniczyny” lub 7-otworowych o pofalowanej powierzchni bocznej - co umożliwi obniżenie
oporów przepływu lub zwiększenie obciążenia katalizatora przy zachowaniu małej
odległości od stanu równowagi na wylocie z reaktora,
GHR - w formie małych, odpowiednich do dużo mniejszych średnic rur, cienkościennych
pierścieni Raschiga - co umożliwi stosowanie wysokich obciążeń katalizatorów, przy niskich
oporach i niskiej temperaturze wlotu gazu.
Potrzebne właściwości teksturalno-wytrzymałościowe katalizatorów zapewni nowa receptura
i dobór odpowiednich parametrów obróbki cieplnej nośników. Drogą do zwiększenia aktywności
masy katalitycznej jest optymalizacja zawartości niklu i promotorów (metale ziem rzadkich),
a drogą do podwyższenia odporności na zawęglanie jest dodatek alkaliów.
W ramach pracy wykonane będą również badania o charakterze podstawowym mające
na celu:
zbadanie wpływu składu i właściwości teksturalno-powierzchniowych nośników
na aktywność właściwą powierzchni niklu w reakcji konwersji metanu z parą wodną,
zbadanie kinetyki dezaktywacji termicznej różnego typu katalizatorów parowego
reformingu.
Praca doktorska jest realizowana w Instytucie Nawozów Sztucznych (INS).
INS jest autorem lub współautorem technologii wszystkich katalizatorów aktualnie
produkowanych w kraju. Od ponad trzydziestu lat prowadzi prace badawcze i produkuje
katalizatory parowego reformingu gazu ziemnego. Są one stosowane we wszystkich krajowych
instalacjach produkcji gazów syntezowych, a także eksportowane do szeregu krajów.
Katalizatory są zamiennikami katalizatorów oferowanych przez firmy światowe.
Praktycznym efektem pracy doktorskiej będzie opracowanie, a następnie wprowadzenie do
praktyki przemysłowej nowych katalizatorów dla nowoczesnych procesów parowego reformingu.
Zastosowanie nowych katalizatorów opracowywanych w ramach pracy doktorskiej,
w pracujących jednostkach, pozwoli obniżyć opory przepływu w instalacji reformingu o 30%,
albo zwiększyć wydajność wytwarzania gazów syntezowych o 15% przy tych samych oporach
w instalacji. Obniżenie kosztów eksploatacyjnych, w wyniku zmniejszenia zużycia energii
sprężania, dwukrotnie przekracza cenę zakupu katalizatora. Koszty inwestycyjne instalacji
reformingu, w nowych wytwórniach gazów syntezowych, mogą się zmniejszyć nawet o 20÷40%.
Zwiększy się asortyment i konkurencyjność katalizatorów parowego reformingu oferowanych
przez INS.
Krajowe zakłady, szczególnie przemysłu azotowego i petrochemicznego, są zainteresowane
zastosowaniem ulepszonych katalizatorów stwarzających nowe możliwości modernizacji.
Zwiększy się także możliwość eksportu, ponieważ przewiduje się, że nowe katalizatory,
opracowywane w ramach pracy doktorskiej, będą miały lepsze parametry niż aktualnie
oferowane katalizatory czołowych firm światowych.
Dodatkowym efektem będzie poszerzenie wiedzy naukowej w dziedzinie katalizy stosowanej
- wyniki pracy doktorskiej zostaną wykorzystane w realizowanym przez INS we współpracy
z UMCS projekcie rozwojowym Nr N R05 0053 06/2009 pt. „Nowe katalizatory do
nowoczesnych procesów reformingu parowego”, w ramach którego planuje się patenty,
publikacje rezultatów prac o aspekcie poznawczym, referaty na konferencje krajowe
i zagraniczne.
Problematyka pracy doktorskiej spełnia cechy nowoczesnej technologii o dużym
perspektywicznym znaczeniu gospodarczym dla kraju w tym dla Lubelszczyzny i jest
innowacyjna. INS, w którym praca doktorska jest realizowana, jest jedynym producentem tych
katalizatorów w Polsce.