АР08052090 «Создание каталитических систем с регулируемыми свойствами для синтеза ценных товарных продуктов»

Руководитель проекта: Байжуманова Толкын Сапарбековна, в.н.с., к.х.н., ассоц. проф., baizhuma@mail.ru.

Актуальность: В настоящее время в Казахстане отсутствует полный технологический цикл по глубокой переработке углеводородного сырья с получением ценных товарных нефтепродуктов и нефтехимической продукции с высокой добавленной стоимостью. Казахстан обладает значительными запасами природного и попутного нефтяного газа, который, к сожалению, в настоящее время в основном сжигается в «факелах» и применяется в виде топлива. Необходимо отметить, что большое количество СН4 выбрасывается в воздух при разработке и эксплуатации угольных месторождений Караганды (30-40% СН4). Мировой объем сжигаемого углеводородного сырья достигает 150 млрд м3/год. Сокращение выбросов метана – основного составляющего природного газа, способно привести к значительным положительным экономическим и экологическим результатам, т.к. метан является одним из основных газов, который при попадании в атмосферу способствует развитию парникового эффекта. Известно, что легкие алканы могут явиться дешевым сырьем для получения ценных соединений: синтез-газа, олефинов, водорода, спиртов, производство которых отсутствует в Казахстане. Стоимость таких веществ в десятки и сотни раз выше исходных газов. Особенно в условиях кризиса и ограниченности запасов нефти как природный, так и попутный нефтяной газ можно рассматривать как альтернативный источник получения ценных товарных продуктов нефтехимии и органического синтеза.

Цель: Создание новых высокоэффективных нанесенных каталитических систем с регулируемыми свойствами без добавления благородных металлов, нанесенных на синтетические и природные носители, путем усовершенствования технологии переработки водородсодержащей топливной смеси с целью получения товарных химических продуктов: олефинов, углеводородов и оксигенатов.

Ожидаемые и достигнутые результаты:

– Изучение влияния технологических параметров на процесс окисления синтез-газа в углеводороды, олефины и оксигенаты. Влияние температуры реакции на выход продуктов

– Влияние объемной скорости на производительность процесса

– достигнутые результаты за 2021 год:

– Изучено влияние технологических параметров на процесс окисления синтез-газа в углеводороды, олефины и оксигенаты. Проведено исследование влияния температуры реакции на выход продуктов на разработанных Ni, Co и Ni-Co катализаторах. При сравнении активности монометаллического 10%Ni/θ-Al2O3 катализатора приготовленного методом пропитки и СВС при соотношении CH4:CO2:Ar=1:1:1 и объемной скорости газов 6000ч-1 было обнаружено, что 10%Ni/θ-Al2O3 катализатор приготовленный методом пропитки более активен, чем монометаллический Ni (никель:мочевина=0,67; 26 мл воды) приготовленный методом СВС. При сравнении активности монометаллического 10%Co/θ-Al2O3 катализатора, приготовленного также двумя методами было обнаружено, что конверсия метана и диоксида углерода на 10%Co/θ-Al2O3 катализаторе, приготовленного методом пропитки при 600°C и 700°C близки к 0%. Но при этих температурах конверсии метана и СО2 на 100%Co катализаторе, приготовленного методом СВС (кобальт: мочевина = 1:1; 39 мл воды) выше и составляют 24% и 38,4%, 51,7% и 66,4%. В пределах испытанной температуры 600°C-900°C активность биметаллического 5%Ni-5%Co/θ-Al2O3 катализатора, приготовленного методом пропитки выше, чем у катализатора, приготовленного методом СВС.

– Исследовано влияние объемной скорости на производительность процесса. Установлено, что в процессе окисления синтез-газа на биметаллическом 5%Ni-5%Co/θ-Al2O3 катализаторе с соотношением Н2:СО:Ar=2:1:1 при процентном соотношении 25%СО:50%Н2:25%Ar, давлении 6 атм, Т=4000С и варьировании объемной скорости в реакционной смеси образуется 10-13% метанола, 2-3% этанола, 10-14% ацетальдегида и 1-4% пропанола-2. Полученные кинетические данные согласуются с данными полученными методами РФА, ПЭМ, БЭТ и элементного анализа. Методом РФА определено, что самые маленькие частицы Co3-xNixO4 были обнаружены на 5%Ni-5%Co/θ- Al2O3 катализаторе, который показал такое же количество θ- Al2O3, что и 10%Co/θ- Al2O3. Для 10%Ni/θ- Al2O3 катализатора с большим количеством θ- Al2O3 был обнаружен примерно такой же размер частиц оксида металла, как и для 10%Co/θ- Al2O3, что указывает на то, что количество θ- Al2O3 не оказывает какого-либо существенного влияния на размер частиц оксида металла. Отработанные катализаторы с содержанием никеля 5-10% дополнительно содержали кристаллический графит размером 4-6 нм. Размеры кристаллов θ- Al2O3 были одинаковыми для разных катализаторов, немного уменьшаясь для отработанных катализаторов. Из сравнения литературных данных с полученными нами результатами БЭТ анализа, можно сделать вывод, что синтезированные нами образцы имеют относительно небольшую площадь пор, большой объем и диаметр пор, т.е. катализаторы имеют относительно большие поры. Из анализа распределения частиц по размерам, определенного из изображений ПЭМ установлено, что в большинстве случаев частицы оксида металла были меньше в отработанных катализаторах. Эти результаты хорошо коррелируют с полученными результатами РФА. Результаты элементного анализа показали, что монометаллический Ni, нанесенный на γ- Al2O3, аккумулировал в 10 раз больше углерода по сравнению с соответствующим монометаллическим Co катализатором. Наибольшее содержание углерода наблюдалось для 5%Ni-5%Co/θ- Al2O3, который показал высокую активность среди синтезированных катализаторов.

Члены исследовательской группы:

  1. Байжуманова Т.С. – Researcher ID in Publons AAQ-8035-2020, Scopus ID 36052521200, ORCID 0000-0001-9851-2642
  2. Жумабек М. – Researcher ID in AAS-1603-2020, Scopus ID 56941879300, ORCID 0000-0002-2026-0577
  3. Кауменова Г.Н. – Researcher ID in Publons AAR-4093-2020, Scopus ID 57195993717, ORCID 0000-0002-6448-6607
  4. Сарсенова Р.О. – Researcher ID in Publons ABE-9513-2021, Scopus ID57188551247, ORCID 0000-0001-5669-8178
  5. Касымхан К. – Researcher ID in Publons ABE-9515-2021, Scopus ID 56941923900, ORCID 0000-0002-4831-1241
  6. Манабаева А. – ORCID 0000-0002-4831-1241
  7. Шораева К. – Researcher ID Q-3038-2017, Scopus Author ID 56941923900, ORCID 0000-0001-8777-8453

Список публикаций и патентов:

1) M. Zhumabek, G. Kaumenova, D. Augaliev, Y. Alaidar, D. Murzin, S. Tungatarova, G. Xanthopoulou, S. Kotov, T. Baizhumanova Selective catalytic reforming of methane into synthesis gas // Chemical Engineering & Technology, IF 1,588. Q2 SJR 2017 0,49, SiteScore 2,46, Percentile 81. DOI: 10.1002/ceat.202100247

2) Zhang X., Vajglová Z., Mäki-Arvela P., Peurla M., Palonen H., Murzin D., Tungatarova S., Baizhumanova T., Aubakirov Y. Mono- and bimetallic Ni Co catalysts in dry reforming of methane // ChemistrySelect. – 2021. – Vol. 6, – P.3424-3434. IF 2.109. Q2. Percentile 58%

3) Байжуманова Т.С., Чжан С., Тунгатарова С.А., Мурзин Д.Ю., Жумабек М. Способ приготовления катализатора для получения синтез газа // Патент на полезную модель №5701. Опубл. в Бюл. № 52 от 25.12.20 г.

4) Augaliev D.B., Erkibaeva M.K., Aidarova A.O., Tungatarova S.A., Baizhumanova T.S. Oxidative dimerization of methane to C2 hydrocarbons // Известия НАН РК. Серия химии и технологии. News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan. Series Chemistry and Technology. – 2021. – Vol.3(447). – P. 18-24. https://doi.org/10.32014/2021.2518-1491.44 IF КазБЦ 0,251.

5) X. Zhang, M. Zhumabek, G. Kaumenova, T. Baizhumanova, D. Murzin, S. Tungatarova Selective catalytic oxidation and steam oxygen conversion of methane into synthesis gas // 24th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2021. March 15-18, 2021. Prague, Czech Republic. 0552. P1.18

6) G.N. Kaumenova, K. Kassymkan, Z.T. Zheksenbaeva, T.S. Baizhumanova, S.A. Tungatarova Oxidative conversion of propane-butane mixture on Mo-containing oxide catalyst // XXIX International Materials Research Congress. Cancún, Mexico. August 15-19, 2021. simA8-abs012.

7) Zhang X., Komashko L.V., Murzin D.Y., Tungatarova S.А., Baizhumanova T.S. Stability of platinum-ruthenium catalysts in the selective synthesis of H2 and CO // XXIV International Conference on Chemical Reactors CHEMREACTOR-24. 12-17 September, 2021. Milan, Italy. PP-125.

8) T. Baizhumanova, G. Kaumenova, K. Kassymkan, Z. Zheksenbaeva, S. Tungatarova Dry reforming of propane into important petrochemical products // 24th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2021. March 15-18, 2021. Prague, Czech Republic. 0424. P1.4

9) X. Zhang, T.S. Baizhumanova, S.A. Tungatarova, D.Y. Murzin, P. Maki-Arvela Production of syngas over Ni-Co catalyst prepared by solution combustion synthesis method // VII Международная Российско-Казахстанская научно-практическая конференция Химические технологии функциональных материалов. Новосибирск. 28-30 апреля 2021. C. 72-74