Влияние добавок СО2 на некаталитическую конверсию природного газа в синтез-газ и водород

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Проведен кинетический анализ некаталитического углекислотного риформинга СН4 в диапазоне температур 1500–1800 К в условиях непостоянной температуры за фронтом отраженной ударной волны. Установлены стадии превращения метана в синтез-газ, соответствующие этим стадиям характерные интервалы времени и наиболее важные элементарные реакции. На первой стадии молекулы метана в результате термического пиролиза последовательно превращаются в этан, этилен, а затем самый стабильный в данном интервале температур ацетилен. На второй стадии ацетилен превращается в СО и Н2, а для богатых смесей – и в частицы сажи. Конверсия СО2 протекает на второй и третьей стадиях, когда практически завершается конверсия СН4. Она происходит в результате взаимодействия молекул СО2 с появившимися в реагирующей системе атомами Н● и приводит к образованию молекул СО и радикалов ОН●. Ацетилен расходуется преимущественно в реакции с радикалами ОН●. Высокая концентрация ацетилена при риформинге метана способствует интенсивному формированию зародышей сажи, для которых ацетилен дает максимальный вклад в скорость их поверхностного роста. При этом сам ацетилен не является предшественником зародышей частиц сажи, которые преимущественно возникают из радикалов \({{{\text{{С}}}}_{{\text{3}}}}{\text{{Н}}}_{3}^{\centerdot }\).

Об авторах

А. Р. Ахуньянов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН

Email: shocktube@yandex.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 4

А. В. Арутюнов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН

Email: shocktube@yandex.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 4

П. А. Власов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: shocktube@yandex.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 4

В. Н. Смирнов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН

Email: shocktube@yandex.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 4

В. С. Арутюнов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН

Email: shocktube@yandex.ru
Россия, 119991, Москва, ул. Косыгина, 4

Список литературы

  1. Брагинский О.Б. Мировая нефтехимическая промышленность. Москва: Наука, 2003. 566 с.
  2. Брагинский О.Б. Нефтегазовый комплекс мира. Москва: Изд-во “Нефть и газ” РГУ нефти и газа им. Губкина, 2006. 640 с.
  3. Савченко В.И., Макарян И.А., Арутюнов В.С. // Мир нефтепродуктов. Вестник нефтяных компаний. 2013. № 11. С. 3.
  4. Rostrup-Nielsen J.R. // Catal. Today. 2002. V. 71. P. 243.
  5. Арутюнов В.С., Голубева И.А., Елисеев О.Л., Жагфаров Ф.Г. Технология переработки углеводородных газов. Москва: Изд-во Юрайт, 2020. 723 с.
  6. Gregoire Padro C.E., Lau F. // Adv. Hydrogen Energy. 2002.
  7. Bockris J.O’.M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2013. V. 38. P. 2579.
  8. Kalamaras C.M., Efstathiou A.M. / Hindawi Publishing Corporation. Conference Papers in Energy, 2013. https://doi.org/10.1155/2013/690627
  9. Aasberg-Petersen K., Hansen J.-H.B., Christensen T.S., Dybkjaer I., Christensen P.S., Nielsen C.S., Madsen S.E.L.W., Rostrup-Nielsen J.R. // Appl. Catal. 2001. V. 221. P. 379.
  10. Aasberg-Petersen K., Dybkjær I., Ovesen C.V., Schjødt N.C., Sehested J., Thomsen S.G. // J. Natur. Gas Sci. Eng. 2011. V. 3. P. 423. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2011.03.004
  11. Арутюнов В.С., Шмелев В.М., Лобанов И.Н., Политенкова Г.Г. // Теоретические основы химической технологии. 2010. Т. 44. №. 1. С. 21. https://doi.org/10.1134/S0040579510010033
  12. Arutyunov V.S., Shmelev V.M., Sinev M.Yu., Shapovalova O.V. // Chem. Eng. J. 2011. V. 291. P. 176. https://doi.org/10.1016/j.cej.2011.03.084
  13. 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. // Журнал прикладной химии. 2016. Т. 89. № 11. С. 1450.
  14. Алдошин С.М., Арутюнов В.С., Савченко В.И., Седов И.В., Никитин А.В., Фокин И.Г. // Химическая физика. 2021. Т. 40. № 5. С. 46. https://doi.org/10.31857/S0207401X21050034
  15. Арутюнов В.С., Никитин А.В., Стрекова Л.Н., Сав-ченко В.И., Седов И.В., Озерский А.В., Зимин Я.С. // Журнал технической физики. 2021. Т. 91. № 5. С. 713. https://doi.org/10.21883/JTF.2021.05.50681.265-20
  16. Van den Schoor F., Verplaetsen F. // J. Hazard. Mater. 2006. V. 128. I. 1. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2005.06.043
  17. Wan X., Zhang Qi, Lian Z. // Ind. Eng. Chem. Res. 2016. V. 55. I. 30. P. 8472. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6b01012
  18. Максимов Ю.М., Кирдяшкин А.И., Аркатова Л.А. // Катализ в промышленности. 2013. Т. 2. С. 45.
  19. Dorofeenko S.O., Polianczyk E.V. // Chem. Eng. J. 2016. V. 292. P. 183. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.02.013
  20. Dorofeenko S.O., Polianczyk E.V. // Int. J. Hydrogen Energy. 2019. V. 44. P. 30039. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.09.208
  21. Arutyunov V.S., Shmelev V.M., Rakhmetov A.N., Shapovalova O.V. // Ind. Eng. Chem. Res. 2014. V. 53. I. 5. P. 1754. http://pubs.acs.org/doi/ipdf/10.1021/ie4022489
  22. 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. // Журнал прикладной химии. 2016. Т. 89. № 11. С. 1450.
  23. Nikitin A., Ozersky A, Savchenko V., Sedov I., Shmelev V., Arutyunov V. // Chem. Eng. J. 2019. V. 377. ISCRE 25 Special Issue: Bridging Science and Technology. 2019. Article 120883. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.01.162
  24. Arutyunov V., Nikitin A., Strekova L., Savchenko V., Sedov I. // Catal. Today. 2021. V. 379. P. 23. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2020.06.057
  25. Арутюнов В.С., Стрекова Л.Н., Савченко В.И., Седов И.В., Никитин А.В., Елисеев О.Л., Крючков М.В., Лапидус А.Л. // Нефтехимия. 2019. Т. 59. № 3. С. 246. https://doi.org/10.1134/S002824211903002X
  26. Шмелев В.М. // Химическая физика. 2010. Т. 29. № 7. С. 27.
  27. Shmelev V.M. // Combust. Sci. Technol. 2014. V. 186. I. 7. P. 943. https://doi.org/10.1080/00102202.2014.890601
  28. Шмелев В.М., Николаев В.М. // Химическая физика. 2016. Т. 35. № 3. С. 56.
  29. Shmelev V. // Energy Power Eng. 2017. V. 9. P. 366. http://www.scirp.org/journal/epe
  30. Wang L., Liu Z., Chen S., Zheng C., Li. J. // Energy Fuels. 2013. V. 27. I. 12. P. 7602. https://doi.org/10.1021/ef401559r
  31. Lavoe. J.-M. // Front. Chem. 2014. V. 2(81). https://doi.org/10.3389/fchem.2014.00081
  32. Shah Y.T., Gardner T.H. // Catal. Rev. 2014. V. 56. I. 4. P. 476. https://doi.org/10.1080/01614940.2014.946848
  33. Wittich K., Schunk S.A., Kramer M., Bottke N. // Chem. Cat. Chem. 2020. V. 12. P. 2130. https://doi.org/10.1002/cctc.201902142
  34. Савченко В.И., Шаповалова О.В., Никитин А.В., Ару-тюнов В.С., Седов И.В. // Журнал прикладной химии. 2018. Т. 91. № 9. С. 1332. https://doi.org/10.1134/S0044461818090128
  35. Савченко В.И., Никитин А.В., Озерский А.В., Седов И.В., Арутюнов В.С. // Нефтехимия. 2020. Т. 60. № 4. С. 538. https://doi.org/10.31857/S0028242120040139
  36. Савченко В.И., Зимин Я.С., Никитин А.В., Седов И.В., Арутюнов В.С. // Нефтехимия. 2021. Т. 61. № 4. С. 520. https://doi.org/10.1134/S0965544121070021
  37. Бузилло Э., Савченко В.И., Арутюнов В.С. // Нефтехимия. 2021. Т. 61. № 6. С. 820. https://doi.org/10.1134/S0965544121110037
  38. Савченко В.И., Зимин Я.С., Бузилло Э., Никитин А.В., Седов И.В., Арутюнов В.С. // Нефтехимия. 2022. Т. 62. № 3. С. 375. https://doi.org/10.1134/S0965544122050048
  39. Duff R.E., Bauer S.H. // J. Chem. Phys. 1962. V. 36. P. 1754.
  40. Warnatz J.,·Maas U., Dibble R.W. Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation. Springer, 2006. 378 p.
  41. Healy D., Kalitan D.M., Aul C.J., Petersen E.L., Bourque G., Curran H.J. // Energy Fuels. 2010. V. 24. I. 3. P. 1521.
  42. Chemical-Kinetic Mechanisms for Combustion Applications. https://web.eng.ucsd.edu/mae/groups/combustion/mechanism.html) Date of access 30.11.2022.
  43. Konnov A.A. // 28-th Symposium (Int.) on Combustion. Edinburgh. Abstr. Symp. Pap. 2000. P. 317.
  44. Zhang Q., Liu Y., Chen T., Yu X., Wang J., Wang T. // Chem. Eng. Sci. 2016. V. 142. P. 126.
  45. Smith G.P., Golden D.M., Frenklach M., Moriarty N.W., Eiteneer B., Goldenberg M., Bowman C.T., Hanson R.K., Song S., Gardiner W.C.Jr.; Lissianski V., Qin Z. Available at http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/version30/text30.html.
  46. Healy D., Kalitan D.M., Aul C.J., Petersen E.L., Bourque G., Curran H.J. // Energy Fuels. 2010. V. 24. № 3. P. 1521.
  47. Rasmussen C.L., Jakobsen J.G., Glarborg P. // Int. J. Chem. Kinet. 2008. V. 40. № 12. P. 778.
  48. Fomin A., Zavleva T., Alekseev V., Rahinov I., Cheskis S., Konnov A. // Combustion and Flame. 2016. V. 171. P. 198.
  49. San Diego Mechanism. http://web.eng.ucsd.edu/mae/ groups/combustion/mechanism.html
  50. Wang H., You X., Joshi A. V., Davis S. G., Laskin A., Egolfopoulos F., Law C. K. USCMech Version II. High-Temperature Combustion Re-action Model of H2/CO/C1-C4 Compounds. http://ignis.usc.edu/ Mechanisms/USC-Mech%20II/USC_Mech%20II.htm, May 2007.
  51. Беляев А.А., Никитин А.В., Токталиев П.Д., Власов П.А., Озерский А.В., Дмитрук А.С., Арутюнов А.В., Арутюнов В.С. // Горение и взрыв. 2018. Т. 11. № 1. С. 19.
  52. Li C., Kuan B., Lee W.J., Burke N., Patel J. // Chem. Eng. Sci. 2018. V. 187. P. 189.
  53. Fotovat F., Rahimpour M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2021. V. 46. № 37. P. 19312.
  54. Capriolo C., Alekseev V.A., Konnov A.A. // Combustion and Flame. 2018. V. 197. P. 11.
  55. Savchenko V.I., Nikitin A.N., Zimin Y.S., Ozerskii A.V., Sedov I.V., Arutyunov V.S. // Chem. Eng. Res. Des. 2021. V. 175. P. 250.
  56. Zhang Q., Wang J., Wang T. // Ind. Eng. Chem. Res. 2016. V. 55. P. 8383.
  57. Wang T., Liu Y., Wang D. // Chem. Eng. J. 2012. V. 207–208. P. 235.
  58. Liu Y., Zhang Q., Wang T. // Combust. Sci. Technol. 2017. V. 189. № 5. P. 908.
  59. Metcalfe W.K., Burke S.M., Ahmed S.S., Curran H.J. // J. Chem. Kinet. 2013. V. 45. P. 638.
  60. CHEMKIN-PRO Release 15101. Reaction Design:San Diego, 2010.
  61. Агафонов Г.Л., Билера И.В., Власов П.А., Жильцова И.В., Колбановский Ю.А., Смирнов В.Н., Тереза А.М. // Кинетика и катализ. 2016. Т. 57. № 5. С. 571.
  62. Власов П.А., Ахуньянов А.Р., Смирнов В.Н. // Кинетика и катализ. 2022. Т. 63. № 2. С. 160.
  63. Frenklach M., Mebel A.M. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2020. V. 22. P. 5314.

© А.Р. Ахуньянов, А.В. Арутюнов, П.А. Власов, В.Н. Смирнов, В.С. Арутюнов, 2023