Влияние состава окислителя на матричную конверсию пропан-бутановой смеси и деградацию фехралевой матрицы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Показана стабильность матричной конверсии пропан-бутановой смеси в синтез-газе при использовании в качестве окислителя атмосферного воздуха. Исследовано влияние количества кислорода в окислителе на деградацию материала фехралевой матрицы (проволока состава Fe — 23%, Cr — 4%, Al). Выявлено, что устойчивость фехралевой проволоки в условиях матричной конверсии пропан-бутановой смеси снижается при увеличении степени обогащения воздуха техническим кислородом. С использованием растровой и просвечивающей электронной микроскопии (с возможностью микрорентгеноспектрального анализа) проведено сравнительное изучение микроструктуры, элементного и фазового состава исследуемого сплава в различных условиях воздействия газовой среды при высокотемпературной конверсии углеводородных газов. С использованием методологии CALPHAD установлен фазовый состав формирующейся оксидной пленки на поверхности фехраля в интервале температур 1000–1500°С.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Алексей Валериевич Озерский

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6765-1401

к.х.н.

Россия, 142432, г. о. Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1; 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4, корп. 1

Вадим Викторович Отнельченко

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0009-0000-3045-8846
Россия, 142432, г. о. Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1; 141701, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9

Алексей Витальевич Никитин

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8236-3854

к.х.н.

Россия, 142432, г. о. Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1; 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4, корп. 1

Илья Геннадьевич Фокин

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3652-2575

к.т.н.

Россия, 142432, г. о. Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1

Владимир Сергеевич Арутюнов

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0339-0297

д.х.н., проф.

Россия, 142432, г. о. Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1; 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4, корп. 1

Сергей Сергеевич Манохин

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Тольяттинский государственный университет

Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1683-5614

к.т.н.

Россия, 142432, г. о. Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1; 445020, г. Тольятти, ул. Белорусская, д. 14

Иван Викторович Неласов

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Тольяттинский государственный университет

Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6305-8985

к.ф.-м.н.

Россия, 142432, г. о. Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1; 445020, г. Тольятти, ул. Белорусская, д. 14

Юрий Романович Колобов

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Тольяттинский государственный университет

Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9645-9999

д.ф.-м.н., проф.

Россия, 142432, г. о. Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1; 445020, г. Тольятти, ул. Белорусская, д. 14

Игорь Владимирович Седов

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН; Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Email: alex.ozersky.1992@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-9648-4895

к.х.н.

Россия, 142432, г. о. Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1; 109028, г. Москва, Покровский б-р, д. 11

Список литературы

  1. Якубсон К. И. Перспективы производства и использования водорода как одно из направлений развития низкоуглеродной экономики в Российской Федерации (обзор) // ЖПХ. 2020. Т. 93. № 12. С. 1675–1695. https://doi.org/10.31857/S0044461820120014 [Yakubson K. I. Prospects for production and use of hydrogen as one of directions of the development of low-carbon economy in the Russian Federation // Russ. J. Appl. Chem. 2020. V. 93. N 12. P. 1775–1795].
  2. Kolos G., Gritsch A., Morillo A., Tuttlies U., Bernnat J., Op ferkuch F., Eigenberger G. Heat-integrated reactor concepts for catalytic reforming and automotive exhaust purification // Appl. Catal. B. 2007. V. 70. N 1–4. P. 16–30. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2006.01.030
  3. Миронова Д. Ю., Баранов И. В., Капустин Д. С., Кожухов Ю. В., Свинкин И. А. Применение концепции промышленного симбиоза к нефтегазовому сектору на примере переработки попутного нефтяного газа // Нефтегаз. дело. 2023. Т. 21. № 3. С. 220–231. https://doi.org/10.17122/ngdelo–2023–3–220–231
  4. Кириллов В. А., Амосов Ю. И., Шигаров А. Б., Кузин Н. А., Киреенков В. В., Пармон В. Н., Аристович Ю. В., Грицай М. А., Светов А. А. Экспериментальное и теоретическое исследование процесса переработки попутного нефтяного газа в нормализованный газ посредством мягкого парового риформинга // Теорет. основы хим. технологии. 2017. Т. 51. № 1. С. 15–30. https://doi.org/10.7868/S0040357117010110 [Kirillov V. A., Amosov Y. I., Shigarov A. B., Kireenkov V. V., Parmon V. N., Kuzin N. A., Aristovich Y. V., Gritsay M. A., Svetov A. A. Experimental and theoretical study of associated petroleum gas processing into normalized gas by soft steam reforming // Theor. Found. Chem. Eng. 2017. V. 51. N 1. P. 12–26. https://doi.org/10.1134/S0040579517010110].
  5. Захаров И. В. Технология утилизации попутного нефтяного газа с использованием отводящих факельных газов // Газ. пром-сть. 2018. № 3 (765). C. 60–66.
  6. Hognon C., Simon Yv., Marquaire P.-M., Courson C., Kiennemann A. Hydrogen production by catalytic partial oxidation of propane over CeO2 // Chem. Eng. Sci. 2018. V. 181. P. 46–57. https://doi.org/10.1016/j.ces.2018.01.038
  7. Pagani D., Livio D., Donazzi A., Beretta A., Groppi G., Maestri M., Tronconi E. A kinetic analysis of the partial oxidation of C3H8 over a 2% Rh/Al2O3 catalyst in annular microreactor // Catal. Today. 2012. V. 197. N 1. P. 265–280. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2012.09.004
  8. Dorofeenko S. O., Polianczyk E. V. Enhancing efficiency of hydrocarbons to synthesis gas conversion in a counterflow moving bed filtration combustion reactor // Int. J. Hydrog. Energy. 2019. V. 44. N 57. P. 30039–30052. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.09.208
  9. Schoeg I., Newcomb S. R., Ellzey J. L. Ultra-rich combustion in parallel channels to produce hydrogen-rich syngas from propane // Int. J. Hydrog. Energy. 2009. V. 34. N 12. P. 5152–5163. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.03.036
  10. Арутюнов В. С., Савченко В. И., Седов И. В., Шмелев В. М., Никитин А. В., Фокин И. Г., Эксанов С. А., Шаповалова О. В., Тимофеев К. А. Экспериментальные исследования конверторов природного газа в синтез-газ на основе проницаемых объемных матриц // ЖПХ. 2016. Т. 89. № 11. С. 1450–1458 [Arutyunov V. S., Savchenko V. I., Sedov I. V., Nikitin A. V., Fokin I. G., Eksanov S. A., Shmelev V. M., Shapovalova O. V., Timofeev K. A. Experimental studies of natural gas to synthesis gas converters based on permeable cavity matrices // Russ. J. Appl. Chem. 2016. V. 89. N 11. P. 1816–1824. https://doi.org/10.1134/S1070427216110124].
  11. Никитин А. В., Савченко В. И., Седов И. В., Тимофеев К. А., Шмелев В. М., Арутюнов В. С. Матричная конверсия метана в синтез-газ с низким содержанием азота // Горение и взрыв. 2017. Т. 10. № 1. С 28–33. https://www.elibrary.ru/xvginx
  12. Nikitin A., Ozersky A., Savchenko V., Sedov I., Shmelev V., Arutyunov V. Matrix conversion of natural gas to syngas: The main parameters of the process and possible applications // Chem. Eng. J. 2019. V. 377. ID 120883. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.01.162
  13. Шмелев В. М. Горение природного газа на поверхности матриц из высокопористой металлической пены // Хим. физика. 2010. Т.29. № 7. С. 27–36. https://www.elibrary.ru/msqtef
  14. Озерский А. В., Никитин А. В., Зимин Я. С., Савченко В. И., Седов И. В., Арутюнов В. С. Получение водорода из пропан-бутановой смеси в совмещенном процессе матричной и паровой конверсии // ЖПХ. 2021. Т. 94. № 7. С. 874–881. https://doi.org/10.31857/S0044461821070082 [Ozerskii A. V., Nikitin A. V., Zimin Y. S., Savchenko V. I., Sedov I. V., Arutyunov V. S. Production of hydrogen from propane–butane mixture in a combined process of matrix and steam conversion // Russ. J. Appl. Chem. 2021. V. 94. N 7. P. 927–933. https://doi.org/10.1134/S1070427221070090].
  15. Шаповалова О. В., Арутюнов В. С., Синев М. Ю. Окислительная конверсия пропан-бутановой смеси в синтез-газ и водород в объемной матричной горелке // Горение и взрыв. 2011. № 4. С. 34–37. https://www.elibrary.ru/slbuez
  16. Andersson J. O., Helander T., Höglund L., Shi P., Sundman Bo. Thermo-Calc & DICTRA, computational tools for materials science //Calphad. 2002. V. 26. N 2. С. 273312. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00037-8
  17. Никитин А. В., Озерский А. В., Тимофеев К. А., Комаров И. К., Зимин Я. С., Седов И. В., Шмелев В. М., Арутюнов В. С. Влияние добавок водяного пара на процесс матричной конверсии метана в синтез-газ // Горение и взрыв. 2018. Т. 11. № 2. С. 18–23. https://doi.org/10.30826/CE18110203 https://www.elibrary.ru/xpupsh

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема установки матричной конверсии пропан-бутановой смеси. 1 — матричный конвертер, 2 — сажесборник, 3 — водяной холодильник, 4 — рампа газовая, 5 — компресссор воздушный, 6 — редуктор газовый, 7 — ресивер газовый, 8 — регулятор расхода газа, 9 — смеситель газов, 10 — манометр, 11 — термопара, 12 — аналого-цифровой преобразователь, 13 — хроматограф газовый марки Кристалл-500, 14 — вентиль тонкой регулировки, 15 — кран шаровой отсечной, 16 — система поджига, 17 — газгольдер с пропан-бутановой смесью.

Скачать (244KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Фотография рабочей поверхности матрицы (а) и схема матричного конвертера с указанием расположения термопар и направления движения газовых потоков (б). 1 — камера смешения; 2 — фиксирующее кольцо; 3 — матрица; 4 — апертура; 5 — корпус; Т-1, Т-2, Т-3, Т-4 — термопары, расположенные в камере смешения, вблизи нерабочей/входной стороны матрицы, рабочей стороны матрицы, между экранами соответственно.

Скачать (4MB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость температуры входной стороны матрицы от времени проведения экспериментов. 1 — расход воздуха 12.0 нм3·ч–1, α = 0.58; 1 — расход воздуха 12.0 нм3·ч–1, α = 0.59; 3 — расход воздуха 11.5 нм3·ч–1, α = 0.63; 4 — расход воздуха 12.0 нм3·ч–1, α = 0.59–0.63; 5 — расход воздуха 12.0 нм3·ч–1, α = 0.60–0.64; 6 — расход воздуха 12.0 нм3·ч–1, α = 0.60; 7 — расход воздуха 12.0 нм3·ч–1, α = 0.62; 8 — расход воздуха 11.3 нм3·ч–1, α = 0.61.

Скачать (2MB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменение температуры с течением времени: а — рабочей стороны матрицы (Т3), интервал 0–400 мин; б — рабочей стороны матрицы (Т3), интервал 0–60 мин; в — входной стороны матрицы (Т2), интервал 0–400 мин; г — входной стороны матрицы (Т2), интервал 0–60 мин. 1 — расход пропан-бутановой смеси 2.00 нм3·ч–1, расход O2 0.20–1.10 нм3·ч–1, расход воздуха 4.00–7.00 нм3·ч–1; 2 — расход пропан-бутановой смеси 2.00–3.75 нм3·ч–1, расход O2 0.20–2.50 нм3·ч–1, расход воздуха 3.50–11.50 нм3·ч–1; 3 — расход пропан-бутановой смеси 3.60–5.00 нм3·ч–1, расход O2 1.75–2.40 нм3·ч–1, расход воздуха 3.95–7.00 нм3·ч–1; 4 — расход пропан-бутановой смеси 2.75–3.54 нм3·ч–1, расход O2 1.00–1.95 нм3·ч–1, расход воздуха 6.75–11.10 нм3·ч–1; 5 — расход пропан-бутановой смеси 2.20–3.45 нм3·ч–1, расход O2 0.25–1.43 нм3·ч–1, расход воздуха 10.65–12.00 нм3·ч–1. Указанные расходы были заданы на регуляторах расхода газов.

Скачать (2MB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость концентрации компонентов синтез-газа от концентрации кислорода в окислителе. СН4 — 1, СО2 — 2, Н2 — 3, СО — 4. Концентрации компонентов синтез-газа определены на основе показаний газоанализатора.

Скачать (1MB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изображения оксидного слоя на поверхности проволоки сплава системы Fe–Cr–Al после эксплуатации матрицы конвертора в обогащенной кислородом среде при 1000°С в течение 4 (а), 14 ч (б), полученные методом растровой электронной микроскопии.

Скачать (2MB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изображение образца сплава системы Fe–Cr–Al после 14 ч эксплуатации в обогащенной кислородом среде, полученное методом растровой электронной микроскопии. 1 — съемка с частицы оксидов железа и хрома, 2 — с частицы оксида алюминия.

Скачать (3MB)
Метаданные
9. Рис. 8. Общий вид образца сплава системы Fe–Cr–Al после 2 ч эксплуатации в обогащенной кислородом среде, стрелкой показана область изготовления тонкой фольги (а); общий вид тонкой фольги в просвечивающем электронном микроскопе (б).

Скачать (3MB)
Метаданные
10. Рис. 9. Карты распределения алюминия, углерода, железа, хрома и кислорода. Изображения получены методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии в просвечивающем электронном микроскопе.

Скачать (5MB)
Метаданные
11. Рис. 10. Изменение молярной доли фаз в частицах, обогащенных хромом (а), алюминием (б), в интервале температур 1000–1500 K.

Скачать (98KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024