Ni/MgO catalysts on structured metal supports for air conversion of lower alkanes to synthesis gas

A series of thermostable heat-conducting selective catalysts for air conversion of lower alkanes to burn-initiating fuel additives fed as synthesis gas to fuel were developed based on nickel-containing highly porous foam-cellulous material (HPCM) and a net-shaped support. The catalyst synthesis included stages of preparation of the support based on Ni-HPCM (Ni 99,95 %, PPI = 40) or fechral grid, arrangement of the support surface and formation of structured units, thermal treatment of the samples, supporting of the active component via repeated impregnation with a combination of magnesium and nickel acetates, and stepwise thermal treatment. Thus prepared catalysts NiO-MgO/(HPCM or fechral) were tested in the reactions of air conversion of propane, propane-butane, natural gas, as well as tri-reforming. In all the 80–100 hour experiments, the catalysts provided 90–96 % conversion at the flow rate of 32000–71000 h^–1, no coke formation being observed at the air excess coefficient of 0.31–0.43. A two-phase two-temperature mathematical model of the air conversion of liquefied hydrocarbon gases (LHG) was developed for the numerical analysis of the results obtained; the modeled results agreed well with the experimental data on temperatures of the catalyst and flow, as well as on the composition of the outlet gas mixture. A generator of 100 kW heat power for the air conversion of LHG was calculated as a practical example.

1. Кириллов В.А., Кузин Н.А., Киреенков В.В., Амосов Ю.И., Бурцев В.А., Емельянов В.К., Собянин В.А., Пармон В.Н. // Теор. основы хим. технологии. 2011. Т. 45. № 2. С. 139—154. DOI: 10.1134/s0040579511020096.

2. Livio D, Donazzi A., Beretta A., Groppi G., Forzatti P. // I&EC Res. 2012. V. 51. P. 7573-7583. DOI: 10.1021/ie202098q.

3. Donazzi A., Livio D., Diehm C., Beretta A., Groppi G., Forzatti P. // Appl. Cat. A. 2014. V. 469. P. 52-64. DOI: 10.1016/j.apcata.2013.09.054

4. Pagani D., Livio D., Donazzi A., Beretta A., Groppi G., Maestri M., Tronconti E. // Cat. Today. 2012. V. 197. P. 265-280. DOI: 10.1016/j.cattod.2012.09.004

5. Rufino M., Verde N., Alvares-Galvan M. et аl. // ChemCatChem. 2011. V. 3. P. 440-457. DOI: 10.1002/cctc.201000315

6. Karakaya C., Karadeniz H., Maier L., Deutschmann O. // ChemCatChem. 2017. V. 9. P. 685-695. DOI: 10.1002/cctc.201601237

7. Peymani M., Alavi S., Rezaei M. // Int. J. Hydr. Energy. 2016. V. 41. P. 19057-19069. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.07.072

8. Mosayebi A., Abedini R. // J. Ind. Eng. Chem. 2014. V. 20. P. 1542-1546. DOI: 10.1016/j.jiec.2013.07.044

9. Malaibari Z., Amin A., Croiset E., Epling W. // Int. J. Hydr. Energy. 2014. V. 39. P. 10061-10073 DOI: 10.1016/j.ijhydene. 2014.03.169

10. Усачев Н.Я., Харитонов В.В., Беланова Е.П., Старостина Т.С., Круковский И.М. // Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. 2008. Т. LII, № 4. С. 22—31.

11. Rostrup-Nielsen J.R. Catalysis steam reforming / Catalysis Sciences and Technology, by ed. Andersen JR, Boudart M. — Springer. Berlin, 1984. Vol. 5. Chap. 1. P. 1-117. DOI: 10.1007/978-3-642-93247-2_1

12. Синев М.Ю., Корчак В.Н., Крылов О.В. // Успехи химии. 1989. Т. 58. Вып. 1. С. 38—57.

13. Campbell K.D., Lunsford J.H. // J. Phys. Chem. 1988. V. 92. P. 5792-5796.

14. Mims C.A., Hall R.B., Rose K.D., Myers G.R. // Catal. Lett. 1989. V. 2. P. 361-368. DOI: 10.1007/BF00768178

15. Арутюнов В.С. Окислительная конверсия природного газа. М.: КРАСАНД. 2011. 640 c.

16. ЗАО «ЭКАТ» г. Пермь. http://ekokataliz.ru/penomaterialyi/

17. Muley А., Kiser С., Sunden B., Shah R.F. // Heat Transfer Eng. 2012. V. 33. No. 1. P. 42-51. DOI: 10.1080/01457632.2011.584817

18. Сетка фехралевая. ГОСТ 12766.3—90.

19. Самойлов А.В., Кириллов В.А., Шигаров А.Б., Брайко А.С., Потемкин Д.И., Шойнхорова Т.Б., Снытников П.В., Усков С.И., Печенкин А.А., Беляев В.Д., Собянин В.А. // Катализ в промышленности. 2018. Т. 18. № 3. C. 41—47. DOI: 10.18412/1816-0387-2018-3-41-47

20. Шигаров А.Б., Кириллов В.А., Кузин Н.А., Киреенков В.В., Брайко А.С. // Теор. основы хим. технологии. 2018. Т. 52. № 3. С. 189—199. DOI: 10.7868/S0040357118020070

21. Шигаров А.Б., Кириллов В.А., Кузин Н.А., Киреенков В.В., Брайко А.С. // Теор. основы хим. технологии. 2018. Т. 52. № 3. С. 294—305. DOI: 10.7868/S0040357118030065

22. Brayko A.S., Shigarov A.B., Kirillov V.A., Kireenkov V.V., Kuzin N.A., Sobyanin V.A., Snytnikov P.V., Kharton V.V. // Material Lett. 2019. V. 236. P. 264-266. DOI: 10.1016/j.matlet.2018.09.175.

23. Жоров Ю.М. Термодинамика химических процессов. Нефтехимический синтез, переработка нефти, угля и природного газа. М.: Химия, 1985. 464 с.

24. Jiang H., Li H., Xu H., Zhang Y. // J. Fuel Chem. Technol. 2007. V. 35(1). P. 72-78. DOI: 10.1016/S1872-5813(07)60012-7

25. Кириллов В.А., Шигаров А.Б., Кузин Н.А., Киреенков В.В., Амосов Ю.И., Самойлов А.В., Бурцев В.А. // Теор. Основы хим. технологии. 2013. Т. 47. № 5. С. 503—517. DOI: 10.7868/S0040357113050059

26. Rostrup-Nielsen J.R. // J. Catal. 1973. V. 31. P. 173-199.

27. Справочник азотчика. Т. 1. / Мельников Е.Ю. (ред.) М.: Химия, 1986. 512 с.

28. Groppi G., Giani L., Tronconi E. // Ind. Eng. Chem. Res. 2007. V. 46. Р. 3955-3958. DOI: 10.1021/ie061330g

29. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие. Л.: Химия, 1982. 592 с.