166254 (Получение диметилового эфира дегидратацией метанола на АlPO4 +SiO2 катализаторах), страница 6

Температура колонки 85°С;

Температура испарителя 125°С;

Расход газа-носителя 25мл/мин;

Ток моста катарометра 100мА;

Скорость ленты самописца 720м/ч.

Исследуемые пробы вводились в хроматограф с помощью микрошприца МШ 10 через головку испарителя. Иглу шприца вводили быстро и на всю длину. Объем пробы 1мкл.

Время удерживания компонентов:

Воздух 23 сек;

Диметиловый эфир 37 сек;

Метилформиат

Метанол 2 мин. 13 сек;

Вода 4мин.51 сек.

Для количественного определения состава жидких продуктов реакции использовался метод абсолютной калибровки с учетом поправочных коэффициентов.

Поправочный коэффициент определяли как тангенс угла наклона прямой, построенной в координатах: S_i/S_CT=F(Gi/G_CT), где Si, Sct - площади пиков определяемого вещества и стандарта; Gi,Gct - их весовые соотношения. За стандарт принимался метанол. Поправочные коэффициенты:

Диметиловый эфир 1,2

Метанол 1

Вода 1,21

Для определения содержания компонентов рассчитывались площади соответствующих пиков по формуле:

Si=hi*bi*Mi (1)

где: hi - высота пика, мм;

bi - ширина пика на середине высоты;

Mi - масштаб записи пика.

Процентное содержание каждого компонента вычислялось по формуле:

Ci=(Si*Ki*100)/ (2)

где: Si - площадь пика компонента, мм ;

Ki - поправочный коэффициент для данного компонента.

13.3. Методика анализа газообразных продуктов

Анализ газообразных продуктов реакции, содержащих Н₂, СО, СО₂, CH₄, ДМЭ и смесь углеводородов С₂ - С₄, проводили на хроматографах ЛХМ-8МД с использованием катарометров, четырех насадочных колонок и печи конверсии углеводородов. Анализируемым газом последовательно продували петли кранов-дозаторов и далее пробу газа вводили на анализ в колонки А и Г. По завершении анализа на этих колонках газ подавался на колонки Б и В.

Условия анализа ДМЭ (колонка А):

Колонка из нержавеющей стали, L=1,5м, D=2мм.

Адсорбент Порапак PQS;

Газ-носитель Не ;

Температура испарителя 125°С;

Расход газа-носителя 30 мл/мин

Ток моста 120 мА.

Условия анализа углеводородов (колонка Б):

Колонка из нержавеющей стали, L=6м, D=2мм.

Колонка из нержавеющей стали, L=l ,5м, D=2мм.

Адсорбент А1₂О₃;

Газ-носитель Аг;

Температура колонки 75°С

Расход газа-носителя 30 мл/мин

Ток моста 65 мА;

Температура печи конверсии углеводородов 900°С.

Условия анализа Аr, СО (колонка В):

Колонка из нержавеющей стали, L=4м, D=2мм.

Адсорбент молекулярные сита, 5А;

Газ-носитель Не ;

Температура колонки 75°С

Температура испарителя 125°С;

Расход газа-носителя 30 мл/мин

Ток моста 120мА.

Условия анализа Н₂, CH₄, CO₂ (колонка Г):

Колонка из нержавеющей стали, L=2м, D=2мм.

Адсорбент уголь СКТ;

Газ-носитель Аr;

Температура колонки 75°С

Расход газа-носителя 30 мл/мин

Ток моста 65 мА.

Калибровочные коэффициенты определялись по площадям пиков, полученных при заколе чистых веществ на соответствующие колонки, в соответствии с уравнениями:

К_ДМЭ =S_Ar2 / S_ДМЭ

K_H2=S_H2/ S_Hе

K_CO=S_CO/S_Ar1

K_CO2=S_CO2/S_Ar2

K_CH4=S_CH4/S_Ar1

где S_Hе, S_Ar1 , S_Ar2 - площади пиков чистых аргона и гелия, полученных соответственно с колонок Г, В и А. Калибровочные коэффициенты проверяются каждые два месяца, площади пиков берутся как среднее значение из трех вводов. Значения калибровочных коэффициентов представлены ниже:

К_ДМЭ = 0,68

K_H2= 1,64

K_CO= 0,75

K_CO2= 2,58

K_CH4= 0,5

Ежедневно хроматографы калибровались по аргону и гелию.

Концентрации газообразных продуктов реакции (%об.) определялись по формулам:

C_ДМЭ=S_ДМЭ*K_ДМЭ*M_ДМЭ*100/(S _Ar2*M _Ar2) (3)

С_Н2=S_H2*M_H2*100/(K_H2*S_He*M_He) (4)

C_CO=S_CO*M_CO*100/(K_CO*S_Ar1*M_Ar1) (5) C_CO2=S_CO2*M_CO2*100/(K_CO2*S_Ar2*M_Ar2) (6) C_CH4=S_CH4*M_CH4*100/(K_CH4*S_Ar1*M_Ar1) (7)

где: Sдмэ= S_H2, Sco, S_CO2, S_CH4 - площади пиков компонентов газообразных продуктов реакции,

М - масштаб записи пика,

К - калибровочные коэффициенты.

Концентрации углеводородной смеси рассчитывались по формуле:

Ci=Si*Ki*100/(Si*Ki) (9)

где: Si- площади пиков компонентов углеводородной смеси,

Ki- количество молекул водорода в углеводороде.

Далее концентрация водорода в смеси углеводородов приравнивалась к С_H2, полученной из уравнения (10) и соответственно пересчитывались концентрации всех углеводородов по пропорции:

C_{У.В. (1)} =C_H2* C_У.В. / C_{H2 У.В.} (10)

где: C_{У.В. (1)} - концентрация углеводорода, приведенная к одинаковой концентрации водорода в составах газа, полученных по результатам разных анализов.

Полученные концентрации углеводородной и не углеводородной газовых смесей приводились к одному составу по уравнению:

C i =C ri * 100 / (  ( C_r+( C_{У.В. (1)-} -( C_{H2 У.В.} + C_{CH4 У.В.})) (11)

где: C ri - концентрация i-того компонента углеводородной или не углеводородной газовых смесей,

С_г - концентрации не углеводородной газовой смеси,

C_{H2 У.В.} , C_{CH4 У.В} концентрации водорода и метана в углеводородной газовой смеси.

Количество газа, полученное за время опыта, определялось исходя из известного количества аргона, подаваемого в реактор, и его концентрации в смеси газообразных продуктов реакции по уравнению:

V_r = (V_Ar/C_Ar)*100-V_Ar (12)

13.4 Методика определения удельной поверхности

Измерение удельной поверхности дисперсных пористых тел, в том числе катализаторов и сорбентов, является в настоящее время необходимым элементом научных исследований и средством контроля в соответствующих технологических процессах. Из многочисленных методов определения удельной поверхности твердых тел наиболее универсальными и широко используемыми являются методы газовой адсорбции [35].

Для определения удельной поверхности интересующих нас образцов в работе был использован метод низкотемпературной десорбции аргона. Анализ проводили на приборе ЛХМ-8МД при следующих условиях:

Ток моста катарометра92мА;

Скорость газа-носителя гелия с 10% об. Аргона 30 мл/мин.;

Температура образца катализатора - 195,8°С;

Эталон - -А1₂О₃ Sуд. = 160м²/г.

Расчет удельной поверхности проводили методом сравнения площадей де-сорбционных пиков, пропорциональных поверхности образца и эталона в соответствии со следующим уравнением [35 ]:

Sⁱ_уд=s_i*g _оэт* S^эт_уд(g_i*s^эт₀ )

где: Si- площадь десорбционного пика образца, мм ;

g_i - навеска образца, г;

s^эт₀ - площадь десорбционного пика эталона, мм ;

g_оэт - навеска эталона, г;

S^эт_уд - удельная поверхность эталона, м²/г.

13.5 Методика приготовления катализаторов

В связи с широким применением катализаторов в промышленности основного органического синтеза производится большое количество катализаторов, различающихся как по химическому составу, так и по методу их приготовления.

Катализатор должен обладать рядом свойств, обеспечивающих рентабельность его использования, а именно:

- высокой активностью и селективностью;

- большой поверхностью активного компонента;

- достаточной устойчивостью к действию ядов и высоких температур;

- достаточной механической прочностью;

- оптимальными гидродинамическими характеристиками, которые обуславливаются размерами, формой и плотностью упаковки зерен катализатора [36].

К методам приготовления катализаторов предъявляется ряд требований; они

должны обеспечивать получение катализаторов, обладающих заданными химическим и физическим составами, высокой удельной поверхностью, а также быть малоотходными. Выбранный метод приготовления катализатора определяет степень дисперсности, пористую структуру и форму катализатора, а, следовательно, и его активность. В процессе данного исследования нами применялись катализаторы, приготовленные следующим способом:

Аморфный алюмофосфат в смеси с 10% SiO₂ был получен путем осаждения из раствора азотнокислого алюминия и фосфорной кислоты аммиаком. Сначала брали определенное количество SiO₂ и засыпали его в дистиллированную воду, затем добавляли нитрат алюминия, после этого к полученному раствору добавлялась 100% ортофосфорная кислота. Полученный раствор тщательно перемешивали в течение 30 мин. После чего проводилась нейтрализация полученного раствора путем постепенного добавления аммиачной воды при постоянном перемешивании. При достижении значения рН = 6 - 8 в растворе образовывался аморфный осадок, который отделяли от маточного раствора путем фильтрования и промывали дистиллированной водой. Полученную массу сушили в течении 6 ч. при Т = 110°С.

14. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В данной работе были исследованы каталитические системы на основе аморфного алюмофосфата с SiO₂ в процессе дегидратации метанола до диметилового эфира.

Задачей данного исследования являлось приготовление серии образцов аморфного алюмофосфата, прокаленных при разной температуре, а также с разным содержанием SiO₂. Физико -химические характеристики, полученных образцов представлены в таблице.

Из результатов экспериментов, ранее проведенных на кафедре ТНХС и ИЖТ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, а также на основе литературных данных [16, 71], было установлено, что оптимальными температурами для протекания процесса дегидратации метанола в присутствии различных каталитических систем является диапазон температур 250-350°С. Исходя из этого, были выбраны условия проведения эксперимента, а именно диапазон температур 200-350°С и объемной скорости 1ч' по исходному метанолу.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. «Энергия» 2002, N 11. С. 42-44.

2. Бухаркин А.К., Лихтерова Н.М., Капкин В.Д. «Основы химии и технологии производства и применения транспортных энергоносителей». Москва, МИТХТ, 1997

3. John Bogild Hansen, Bodil Voss, Finn Joensen, Inga Dora Siguroardottir. «Large scale manufacture of dimethyl ether - a new alternative diesel fuel from natural gas», International Congress & Exposition, Detroit, Michigan, February 27 - March 2,1995. SAC Paper 950063, 1995.

4. Караваев М.М., Леонов А. Л., Мастеров Б. П. «Промышленный синтез метанола». Москва, «Химия», 1974 г.

5. Караваев М.М. и др, «Технология синтетического метанола». Москва, «Химия», 1984 г.

6. Хенрице-Оливе Г., Оливе С., «Химия каталитического гидрирования СО». Москва, «Мир», 1987

7. «Перспективные автомобильные топлива». Под редакцией
Черникова Я.Б., Москва, Транспорт, 1998 г.

8. Смаль Ф. В., Аксенов Е. Е., «Перспективные топлива для автомобилей». Москва, Транспорт, 1979 г.

9. Гайнуллин Ф. Г., «Природный газ как моторное топливо на транспорте». Москва, Транспорт, 1986 г

10. Simon A., Stumpf H., J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1- 1981, V. 77, №9, P. 2209-2221.

11. Топчиева К.В., Кубасов А.А., Тыонг Ван Дао, «Дегидратация метилового спирта на щелочных формах цеолитов X и Y», Вестник МГУ. Химия. 1972, т. 13, №6, стр. 628-632.

12. Хамагульгова Н.С., Хадишев С.Н., Кубасов А.А., «Закономерности конверсии метанола в микрореакторе на цеолитах ультрасил», Вестник МГУ. Химия. 1981, т. 22, №2, стр. 156-160.

13. Нефедов Б.К., Сергеева Н.С., «Влияние состава катализатора Rh -носитель и добавок различных веществ в зону реакции на карбонилирование метанола окисью углерода при атмосферном давлении», Известия АН СССР, серия Химия. 1976, №10, стр. 2271 -2276.

14. Соловьев А.А., Каденцев В.И., Чижов О.С., «Метиловык эфиры метилдезоксигексопиранозидов», Известия АН СССР, серия Химия. 1976, №11, стр. 2500-2505.

15. Герич А.П., Шмелев А.С., «Кинетика образования диметилового эфира на у-А1₂О₃ », «Метанол и его переработка», сборник трудов НИИТЭХИМ и ГосНИИ Метанолпроект, Москва, 1985, стр. 49 - 52.

16. Светляков Е.Б., Флид P.M., «Кинетика реакции дегидратации метанола и гидрохлорирования диметилового эфира на катализаторах парофазного синтеза хлористого метила», Журнал Физической химии. 1966, том XL., №12, стр. 3055 - 3059.