КАТАЛИТИЧЕСКАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ МЕТАНОЛА НА ЦЕОЛИТЕ H-ZSM-5 В УСЛОВИЯХ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОТОКОВ
Аннотация
Статья посвящена исследованию микроструктурированного монолитного катализатора, состоящего из основного слоя оксида алюминия, покрытого слоем H-ZSM-5, в реакции каталитического превращения метанола в углеводороды в условиях микроструктурированных потоков. Монолитный катализатор для микрореактора был сформирован из 90 мас.% оксида алюминия и 10% цеолита H-ZSM-5. Композицию прессовали в форме с последующей обработкой в водном растворе 0,1М гидроксида натрия в течение 3-х ч, сушкой при 105 °С в течение 2-х ч и прокаливанием при 600 °С. Синтезированный монолитный катализатор характеризовался диаметром 20 мм и длиной 50 мм, внутренние цилиндрические каналы имели диаметр 1 мм. На поверхность монолита был проведен вторичный рост цеолита H-ZSM-5. Монолит был помещен в 5 мас.% водный раствор бромида тетрапропиламмония, и после чего монолит помещался в автоклав, заполненный раствором прекурсоров молярного состава 7Na2O:0,25Al2O3:100SiO2:3500H2O для гидротермального синтеза. Синтезированный катализатор был исследован методами хемосорбции аммиака, физической адсорбции азота, соотношение Si/Al было определено гравиметрическим методом. Каталитическое превращение метанола проводили в следующих условиях: массовая часовая объемная скорость метанола составляла 4 кг(MeOH)/(кг(Cat)×ч), температура реактора составляла 450 °C, общее давление в реакторе составляло 0,11 МПа. Применение монолитного микроструктурированного катализатора показало значительное повышение селективности процесса по отношению к образованию малых олефинов, включая этилен и пропилен. Скорость превращения метанола увеличилась с 2,8 кг(MeOH)/(кг (Cat) × ч) до 3,3 кг (MeOH)/(кг(Cat)×ч), а дезактивация катализатора не наблюдалась в течение 24 ч. Повышение селективности процесса превращения метанола в углеводороды, а также увеличение активности и стабильности монолитного микроструктурированного катализатора может быть объяснено увеличением массопереноса исходных реакционных веществ, промежуточных и конечных продуктов.
Литература
Bratsun D., Siraev R. Controlling mass transfer in a continuous-flow microreactor with a variable wall relief. Int. Commun. Heat Mass Transfer. 2020. V. 113. P. 104522. DOI: 10.1016/J.ICHEATMASSTRANSFER.2020.104522.
Ovchinnikova E.V., Vernikovskaya N.V., Gribovskii A.G., Chumachenko V.A. Multichannel microreactors for highly exothermic catalytic process: The influence of thermal conductivity of reactor material and of transport phenomena inside the channels on the process efficiency. Chem. Eng. J. 2020. V. 409. P. 128046. DOI: 10.1016/J.CEJ.2020.128046.
Okhlopkova L.B., Prosvirin I.P., Kerzhentsev M.A., Ismagilov Z.R. Capillary microreactor with PdZn/(Ti, Ce)O2 coating for selective hydrogenation of 2-methyl-3-butyn-2-ol. Chem. Eng. Proc. Proc. Intens. 2021. V. 159. P. 108240. DOI: 10.1016/J.CEP.2020.108240.
Proskurina O.V., Abiev R.S., Danilovich D.P., Panchuk V.V., Semenov V.G., Nevedomsky V.N., Gusarov V.V. Formation of nanocrystalline BiFeO3 during heat treatment of hydroxides co-precipitated in an impingingjets microreactor. Chem. Eng. Proc. Proc. Intens. 2019. V. 143. P. 107598. DOI: 10.1016/J.CEP.2019.107598
Motin A.M., Haunold T., Bukhtiyarov A.V., Bera A., Rameshan C., Rupprechter G. Surface science approach to Pt/carbon model catalysts: XPS, STM and microreactor studies. Appl. Surface Sci. 2018. V. 440. P. 680–687. DOI: 10.1016/J.APSUSC.2018.01.148.
Ebadi S., Ghasemipanah K., Alaie E., Rashidi A., Khataee A. COD removal from gasfield produced water using photoelectrocatalysis process on coil type microreactor. J. Indust. Eng. Chem. 2021. V. 98. P. 262–269. DOI: 10.1016/J.JIEC.2021.03.045.
Abiev R.S., Pavlyukova Y.N., Nesterova O.M., Svetlov S.D., Ostrovskii V.A. Mass transfer intensification of 2-methyl-5-nitrotetrazole synthesis in two-phase liquid–liquid Taylor flow in microreactor. Chem. Eng. Res. Design. 2019. V. 144. P. 444–458. DOI: 10.1016/J.CHERD.2019.01.033.
Ismagilov Z.R., Matus E.V., Yakutova A.M., Protasova L.N., Ismagilov I.Z., Kerzhentsev M.A., Schouten J.C. Design of Pt–Sn catalysts on mesoporous titania films for microreactor application. Catalysis Today. 2009. V. 147. P. S81–S86. DOI: 10.1016/J.CATTOD.2009.07.046.
Protasova L.N., Rebrov E.V., Glazneva T.S., Berenguer-Murcia A., Ismagilov Z.R., Schouten J.C. Control of the thickness of mesoporous titania films for application in multiphase catalytic microreactors. J. Catal. 2010. V. 271. N 2. P.161–169. DOI 10.1016/J.JCAT.2009.07.013.
Cherkasov N., Al-Rawashdeh M., Ibhadon A.O., Rebrov E.V. Scale up study of capillary microreactors in sol-ventfree semihydrogenation of 2‐methyl‐3‐butyn‐2‐ol. Catal. Today. 2016. V. 273. P. 205–212. DOI: 10.1016/J.CATTOD.2016.03.028.
Phan X.K., Walmsley J.C., Bakhtiary-Davijany H., Myr-stad R., Pfeifer P., Venvik H., Holmen A. Pd/CeO2 cata-lysts as powder in a fixed-bed reactor and as coating in a stacked foil microreactor for the methanol synthesis. Catal. Today. 2016. V. 273. P. 25–33. DOI: 10.1016/J.CATTOD.2016.02.047.
Delattre C., Vijayalakshmi M.A. Monolith enzymatic mi-croreactor at the frontier of glycomic toward a new route for the production of bioactive oligosaccharides. J. Molec. Catal. B: Enzym. 2009. V. 60. N 3–4. P. 97–105. DOI: 10.1016/J.MOLCATB.2009.04.016.
Domínguez M.I., Centeno M.A., Martínez T.M., Bobadil-la L.F., Laguna Ó.H., Odriozola J.A. Current scenario and prospects in manufacture strategies for glass, quartz, polymers and metallic microreactors: A comprehensive review. Chem. Eng. Res. Design. 2021. V. 171. P. 13–35. DOI: 10.1016/J.CHERD.2021.05.001.
Rumyantsev R.N., Batanov A.A., Tsymbalist I.N., Il'yin A.A., Gordina N.E., Grishin I.S. Study of properties of CuO-ZnO-Al2O3 catalysts for methanol synthesis. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 10. P. 56-64. DOI: 10.6060/ivkkt.20216410.6441.
Doluda V.Yu., Bykov A.V., Sulman M.G., Sidorov A.I., Lakina N.V., Sulman E.M. Peculiarities of small strained alicycle compounds formation in catalytic transformation of methanol over zeolite H-ZSM-5. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2018. V. 61. N 12. P. 74–80 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20186112.5730.
Tsunoji N., Osuga R., Yasumoto M., Yokoi T. Controlling hydrocarbon oligomerization in phosphorus-modified CHA zeolite for a long-lived methanol-to-olefin catalyst. Appl. Catal. A: Gen. 2021. V. 620. P. 118176. DOI: 10.1016/J.APCATA.2021.118176.
Doluda V.Yu., Sulman M.G., Matveeva V.G., Lakina N.V., Sulman E.M. Modification of alumosilicate H-ZSM-5 and investigation of its catalytic activity in transformation process of methanol to hydrocarbons. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2016. V. 59. N 2. P. 79-82 (in Russian).
Zhang Z., Liu B., Liu F., Zhao Y., Xiao T. Effect of nickel loading on the performance of nano- and micro-sized ZSM-5 catalysts for methanol to hydrocarbon conversion. Catal. To-day. 2018. V. 317. P. 21–28. DOI: 10.1016/J.CATTOD.2018.03.044.
Lee S., Choi M. Unveiling coke formation mechanism in MFI zeolites during methanol-to-hydrocarbons conversion. J. Catal. 2019. V. 375. P. 183–192. DOI: 10.1016/J.JCAT.2019.05.030.
Wang J., Li J., Xu S., Zhi Y., Wei Y., He Y., Liu Z. Methanol to hydrocarbons reaction over HZSM-22 and SAPO-11: Effect of catalyst acid strength on reaction and deactivation mechanism. Chinese J. Catal. 2015. V. 36. N 8. P. 1392–1402. DOI: 10.1016/S1872-2067(15)60953-6.
Hamzah A.B., Fukuda T., Ookawara S., Yoshikawa S., Matsumoto H. Process intensification of dry reforming of methane by structured catalytic wallplate microreactor. Chem. Eng. J. 2021. V. 412. P. 128636. DOI: 10.1016/J.CEJ.2021.128636.
Tolley T.E., Fronk B.M. Investigation of the benefits of diabatic microreactors for process intensification of the watergas shift reaction within the steam reforming process. Internat. J. Hydrogen Energy. 2020. V. 45. N 56. P. 31507–31522. DOI: 10.1016/J.IJHYDENE.2020.08.282.
Wilhite B.A. Unconventional microreactor designs for process intensification in the distributed reforming of hydrocar-bons: a review of recent developments at Texas A&M University. Current Opinion Chem. Eng. 2017. V. 17. P. 100–107. DOI: 10.1016/J.COCHE.2017.08.002.
