Разработка и исследование свойств смешанных катализаторов для парофазной гидратации ацетилена
Автор: Турабджанов С.М., Кедельбаев Б.Ш., Рахмонбердиев Г., Ибрагимова К.С., Кадиров Х.И.
Журнал: Международный журнал гуманитарных и естественных наук @intjournal
Рубрика: Химические науки
Статья в выпуске: 11-5 (74), 2022 года.
Бесплатный доступ
Целью разработки новых катализаторов для синтеза ацетальдегида парофазной гидратацией ацетилена, были разработаны новые моно- и бифункциональные катализаторы на основе соединения кадмия, цинка, хрома, железа на носителях исследованы их важнейшие текстурные характеристики. Показано, что оксид цинка и фторид кадмия являются бифункциональными катализаторами, при присутствии которых синтезирован ацетальдегид с выходом 69,0-70,0%. Установлено, что стабильность их работы до регенерации превышает более 100 часов, т.е. в 1,3 раза больше по сравнению с промышленным кадмий-кальций фосфатным катализатором. Было исследовано влияние температуры, соотношения ацетилен: вода, объемной скорости и высоты слоя катализатора на выход целевых продуктов и степень конверсии ацетилена. Установлено, что немаловажную роль в процессе гидратации ацетилена играет соотношение ацетилен: вода.
Ацетальдегид, ацетилен, гидратация, кадмий-кальций-фосфатный катализатор, конверсия, селективность, внутренняя диффузионная область
Короткий адрес: https://sciup.org/170196877
IDR: 170196877 | DOI: 10.24412/2500-1000-2022-11-5-130-133
Текст научной статьи Разработка и исследование свойств смешанных катализаторов для парофазной гидратации ацетилена
Роль химических превращений в современной промышленности очень велика и продолжает возрастать ускоренными темпами - катализ становится основным критерием существования химических превращений, управления их скоростью и направленностью. Изыскание катализаторов, как для новых процессов, так и для усовершенствования существующих является одним из ведущих факторов технического прогресса. Если были бы известны оптимальные составы катализаторов для осуществления всех потенциально возможных химических превращений, это привело бы к грандиозному подъему экономики. Поэтому создание научных основ предвидения каталитического действия должно рассматриваться как важнейшая задача химической науки.
Ацетальдегид является сырьем для получения уксусной кислоты, уксусного ан- гидрида, этилового спирта, пентаэритрита, альдоля, глиоксаля, молочной кислоты, акролеина, ацетатов целлюлозы и др. Ацетальдегид подобно формальдегиду конденсируется с фенолом, аминами, белковыми веществами, образуя аминопласты, перерабатываемые в пластические массы.
Производство ацетальдегида гидратацией ацетилена в присутствии кадмий-кальций-фосфатный (ККФ) катализаторов налажено в АО «Навоиазот» (мощность установки 20 тыс. тонн в год).
Из-за перебоя поступления ККФ катализатора производство ацетальдегида в последнее время стало работать не постоянно.
Целю данной работы является разработка новых катализаторов для синтеза ацетальдегида парофазной гидратацией ацетилена.
Ацетальдегид в основном получают гидратацией ацетилена при температурах 340-400 ° С в присутствии ККФ катализатора [1-3]. ККФ катализатору присуще ряд недостатков: ограниченный срок службы до регенерации (72 часов), средний выход ацетальдегида, чувствительность к местным перегревам, высокая себе стоимость (12 тыс. долларов США за тонну) и т.д.
Различные оксидные и солевые фосфаты и молибдаты, также нанесенные кислотные гетерогенные катализаторы исследовались в процессе гидратации ацетилена [4-6] при интервале температур 200400 ° С в десятикратном избытке воды. Наибольшую активность среди фосфатов проявили фосфаты меди (II), кадмия и цинка
Что интересно, относительно высокая селективность фосфата меди, так как хорошо известна способность оксидов меди к относительной поликонденсации ацетилена и его производных [7].
Несмотря на существующие многочисленные теории по подбору катализаторов [8-10] в настоящее время для сложных, параллельно-последовательных процессов катализаторы подбираются в основном эмпирически.
Исходя из этого, при подборе состава катализаторов учитывалась роль каждого компонента в реакции образования ацетальдегида и ацетона.
Экспериментальная часть. С целью поиска новых стабильных и высокоактивных катализаторов для гидратации ацетилена в паровой фазе нами приготовлены несколько образцов катализаторов, основные физико-химические и эксплуатационные характеристики некоторых приведены в таблице 1.
При приготовлении цинк-(кадмий)-алюминиевого катализатора пептизируется гидрат окиси алюминия с минеральными кислотами – плавиковой, соляной и азотной (в качестве пептизирующего агента можно использовать, также фтористый аммоний).
Таблица 1. Физико-химические и эксплуатационные характеристики разработанных ка- тализаторов
№ |
Состав, % масс. |
из те о я X & те св Я те те к*» |
Я О & я те 5 св я св X 5 |
Содержание в катализате |
6 я о & о о св те я я о & и |
со св |
|
те я те те св Я" < |
Я о Я" < |
||||||
1 |
CdF 2 - 15,0, Al 2 O 3 - 85,0 |
150 |
5,2 |
82,0 |
5,0 |
185 |
92,0 |
2 |
ZnO - 10,0,Al 2 O 3 - 80,0 |
19 |
6,1 |
3,0 |
90,0 |
170 |
90,0 |
3 |
CdF 2 - 10,0,ZnO - 10,0 Al 2 O 3 - 80,0 |
156 |
4,8 |
45,0 |
36,0 |
120 |
87,0 |
4 |
CdF 2 - 8,43,ZnO - 2,63 Al 2 O 3 - остальное |
- |
5,1 |
69,97 |
20,86 |
101 |
85,0 |
5 |
CdF 2 - 3,88,ZnO - 7,52 Al 2 O 3 - остальное |
- |
5,0 |
68,33 |
25,4 |
102 |
90,0 |
6 |
ZnO - 17,8,Al 2 O 3 - 82,8 |
- |
5,4 |
57,05 |
32,01 |
100 |
86,0 |
7 |
CdF 2 - 10,7,Al 2 O 3 - 89,3 |
- |
5,6 |
86,65 |
5,63 |
100 |
84,8 |
8 |
ZnO - 5,0 - 10,0,ZnF 2 - 3,0 - 5,0,CdF 2 -5,0 - 15,0 Fe 2 O 3 - 5,0 - 10,0,Al 2 O 3 - 66,0 - 75,0 |
110 |
6,3 |
3,0 |
90,2 |
110 |
94 |
ККФ ООО Щелковский катализаторный завод |
112 |
4,0 |
84,7 |
1,56 |
72 |
55,0 |
|
ККФ фирмы «Аvvigo» |
- |
- |
85,64 |
2,31 |
72 |
60,0 |
В результате протекания химических реакций на стадиях пептизации и смешения образуются гидроксифториды алюминия, цинка и кадмия. Кислотность (рН) гидроксида алюминия после второй стадии равна 4,0-4,8, что соответствует наличию гидроксигрупп в полигидрооксикомплексах алюминия.
Результаты и их обсуждение . Нами изучено влияние температуры прокаливания на удельную поверхность, производительность и конверсию кадмий-фтор-алюминиевого катализатора в интервале температур 450-650 ° С.
С повышением температуры прокаливания плавно снижается удельная поверхность и производительность катализатора, а также конверсия ацетилена. С повышением температуры прокаливания от 450 до 650°С начинается переход Y-AI2O3 в а-Al2O3 и увеличиваются размеры пор, что приводит к уменьшению удельной по- верхности.
Ацетальдегид получают следующим образом: ацетилен смешивают с водой при температурах 75-90 ° С и соотношении ацетилен вода = 1:5 ÷ 1:10 моль, пропускают через слой катализатора при температуре 360 ° С, с объемной скоростью 160-200 ч-1. Выходящая из реактора парогазовая смесь охлаждается в холодильнике. При этом образуется 10,0-18,0%-ные водные растворы смеси ацетальдегида и ацетона с примесями кротонового альдегида, паральдегида и др. Ацетальдегид из продуктов реакции выделяют ректификацией.
С целью поддерживания степени конверсии ацетилена на уровне в среднем 80%, через каждые 30 ч температуру реакции поднимают на 10 ° С. Через 150-180 ч. работы катализатора конверсия ацетилена снижается до 70%. В этом случае реакцию останавливают, систему продувают азотом и регенерируют катализатор. Регенерацию осуществляют при температурах 450-500 ° С в течение 8-12 ч.
Было исследовано влияние температуры, соотношения ацетилен: вода, объемной скорости и высоты слоя катализатора на выход целевых продуктов и степень конверсии ацетилена.
Установлено, что немаловажную роль в процессе гидратации ацетилена играет соотношение ацетилен: вода.
Заключение. Таким образом, были использованы новые моно – и бифункциональные каталитические системы для парофазной гидратации ацетилена. Разрабо- таны новые каталитические системы на основе соединения кадмия, цинка, хрома, железа на носителях исследованы их важнейшие текстурные характеристики. Показано, что оксид цинка и фторид кадмия являются бифункциональными катализаторами. На фториде кадмия (4,0-8,5%, №5), оксиде цинке (2,5-7,5%, №6) синтезирован ацетальдегид с выходом 69,0-70%. Установлено, что их стабильность работы до регенерации превышает более 100 часов, т.е. в 1,3 раза больше по сравнению с промышленным кадмий-кальций фосфатным катализатором.
Список литературы Разработка и исследование свойств смешанных катализаторов для парофазной гидратации ацетилена
- Темкин О.Н. Химия Ацетилена "Ацетиленовое дерево" в органической химии XXI века // Соросовский образовательный журнал. - 2001. - Т. 7, №6. - С. 32-41.
- Тангяриков Н.С., Турабжанов С.М., Икромов А., Мусулманов Н.Х. Математическое описание реактора синтеза ацетальдегида и ацетона // Химия и химическая технология. - 2015. - Т. 58, Вып. 9. - С. 68-69.
- Miller S.A. Acetylene, its properties, manufacture and uses. E. Benn. J, London. - 1966. - V. 2. - 365 p.
- Трофимов Б.А., Иванов А.В. Развитие идей академика Фаворского в работах М.Ф. Шостаковского // Вестник СПбГУ. Сер. 4. 2014. Вып. 4. Т. 1 (59). С. 558-566.
- Мыхаличко Б.М., Темкин О.Н., Мыскив М.Г. Полиядерные комплексы галогенидов меди (I): Координационная химия и каталитические превращения алкинов // Успехи химии. - 2000. - Т. 69, № 11. - С. 1042-1070.
- Coq B. Bimetallic palladium catalysts: influence of the co-metal on the catalysts performance. / B. Coq, F. Figueras // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. - 2001. - V. 173. - P. 117-134.
- Albert P. Poisoning and deactivation of palladium catalysts / P. Albert, J. Pietsch, S.F. Parker // Journal of Molecular of Catalysis A: Chemical. - 2001. - V. 173. - P. 275-286.
- Влияние структурных и электронных характеристик палладия на активность и селективность Pd/Al2O3-, Pd-Со/Al2O3-катализаторов гидрирования ацетиленовых углеводородов / И.Р. Ильясов, М.В. Назаров, А.И. Ласкин [и др.] // Катализ в промышленности. - 2010. - №6. - С. 71a-77.
- Юсупов Б.Д., Тангяриков Н.С., Икрамов А., Юсупов Д. Исследование кинетики процесса гидратации ацетилена // "Технологии переработки местного сырья и продуктов". Сборник трудов Респ. науч.-технической конф. ТКТИ, 2008. - С. 64-66.
- Юсупов Б.Д., Тангяриков Н.С., Икрамов А. Каталитическая парофазная гидратация ацетилена // Технологии переработки местного сырья и продуктов. Сборник трудов Респ. науч.технической конф. ТКТИ, 2008. - С. 94-96.