Применение микроканальных каталитических систем для интенсификации процессов получения водорода из углеводородного сырья

В начале 1990-х годов с появлением современных технологий в микроэлектронике ученые обратили пристальное внимание на особенности поведения микроканальных систем в различных физико-химических процессах. На примере теплообменников, смесителей и микроканальных реакторов (микрореакторов) было показано, что микроканальные системы интенсифицируют все процессы протекающие в микроканалах. В настоящем обзоре рассматриваются основные критерии, при реализации которых проточную систему можно отнести к микроканальной. Анализируются три основные каталитические процесса – паровая конверсия, парциальное окисление и автотермическая конверсия легких углеводородов и спиртов в водородосодержащий газ. На примере метанола и метана показано, что, действительно, в микрореакторе происходит интенсификация процесса получения водорода. Так, в процессе паровой конверсии метанола на катализаторе Zn/TiO2 при температуре 450 °С была достигнута высокая удельная производительность микрореактора по водороду в расчете на массу катализатора – 78,6 л/(ч⋅гкат). При этом количество моноксида углерода на выходе из микрореактора не превысило 1 мол.%. Катализатор La0,2Zr0,4Ce0,4/LaNiPt массой 0,48 г в микрореакторе в парциальном окислении метана при 700 °С продемонстрировал высокую удельную производительность по водороду на массу катализатора – 521 л/(ч⋅гкат) и на объем реакционной зоны 42 л/(ч⋅см3). Тепловая мощность (теплота, получаемая в процессе сжигания водорода) микрореактора с реакционным объемом 1,0 дм3 составляет 117 кВт, что соответствует мощности бензинового двигателя современного автомобиля. Привлекательным моментом является получение водорода из биоэтанола, бензина и дизельного топлива. Анализ работ, выполненных в этом направлении, продемонстрировал, что несмотря на высокие температуры каталитической конверсии (650 °С и выше) эти топлива могут успешно конкурировать с метанолом и метаном. В последнем разделе обзора приводятся результаты по разработке топливных процессоров – каталитических генераторов водородосодержащего газа с низким содержанием моноксида углерода (< 20 ppm) для питания низкотемпературных топливных элементов. Показано, что наиболее перспективными топливными процессорами являются интегрированные микроканальные системы.

1. Ramsey J.M., Widmer E., Verpoorte E., Banard S. // Proceedings of the 2nd International Symposium on Miniaturized Total Analysis Systems, Basel. 1996. Р. 24.

2. Van der Schoot B.H., Verpoorte E.M.J., Jeanneret S., Manz A., de Rooji N.F. // Proceedings of the “Micro Total Analysis Systems, μTAS ’94". Twente. Netherlands 1994; Р. 181.

3. Suckling C.J. // Chem. Commun. 1982. Р. 661.

4. Drzaj R. // Proceedings of the “Int. Symp. On Synthesis of Zeolites, their Structure Determination and their Technological Use”. Ljubljana.1985. Р. 24.

5. Fikentscher H., Gerrns H., Schuller H. // Angew. Chem., 1960, Vol. 72. P. 856.

6. Макаршин Л.Л., Пармон В.Н. // Рос. Хим. Ж. 2006, Т. L, № 6. С. 19.

7. Макаршин Л.Л., Пармон В.Н. // Энергия. 2009. № 10. С. 13.

8. Schubert K., Bier W., Brandner J., Fichtner M., Franz C., Linder G. // Process Miniaturization: 2nd International Conference on Microreaction Technology, IMRET 2; Topical Conference Preprints, AIChE, New Orleans, USA, 1998. Р. 88.

9. Knight J.B., Vishwanath A., Brody J.P., Austin R.H. // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 80. Р. 3863.

10. Gunther Kolb, Volker Hessel. // Chemical Engineering Journal. 2004. Vol. 98. Р. 1.

11. Anderson J.B. // Chem. Eng. Sci. 1963. V. 18. Р.147.

12. Gorke O., Pfeifer P., Schubert K. // Proceedings of the 6th International Conference on Microreaction Technology, New York, AIChE. 2002. Р. 262.

13. Pfeifer P., Fichtner M., Schubert K., Liauw M.A., Emig G. // Proceedings of the 3rd International Conference on Microreaction Technology, Springer, Berlin. 2000. Р. 372.

14. Walter S., Liauw M. // Proceedings of the 4th International Conference on Microreaction Technology, New York, AIChE. 2000. Р. 209.

15. An Male P., De Croon M.H.J.M., Tiggelaar R.M. et. al. // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2004. Vol. 47. Р. 87.

16. Battersby Scott, Teixeira Paula, Beltramini Jorge, et. al. // Catalysis Today. 2006. Vol. 116. P. 12.

17. Danie l van Herk, Pedro Castano, Michiel Makkee. et. al. // Applied Catalysis A: General, 2009. Vol. 365. P. 199.

18. Карпов С.А., Капустин В.М., Старков А.К. // Автомобильные топлива с биоэтанолом, М. 2007.

19. Astbury G.R. // Process safety and environment protection. 2008. Vol. 86. P. 397.

20. Spiers, H.M. Technical Data on Fuel (4th edition). (British National Committee World Power Conference, London). 1943.

21. Ahmed S., Krumpelt M. // Journal of Hydrogen Energy. 2001. Vol. 26. Р. 291.

22. Van Swaaij W.P.M., Van der Ham A.G.J., Kronberg A.E. // Chemical Engineering Journal. 2002. Vol. 90. Р. 25.

23. Wolfgang Ehrfeld, Volker Hessel, Holger Löwe. // Microreactors: New Technology for Modern Chemistry. ISBN: 3-527-29590-9 Hardcover April. 2000.

24. Jamelyn D. Holladay, Yong Wang, and Evan Jones. // Chem. Rev. 2004. Vol. 104, P. 4767.

25. Holladay J.D., Hu J., King D.L., Wang Y. // Catalysis Today. 2009. Vol. 139. P. 244.

26. By Jean-Claude Charpentier. // Chem. Eng. Technol. 2005. Vol. 28, №3, P. 255.

27. Papautsky Ian, Brazzle John, Ameel Timothy ,. Bruno Frazier A. // Sensors and Actuators. 1999. Vol. 73. P 101.

28. Freni S., Calogero G., Cavallaro S. // Journal of Power Sources. 2000. Vol. 87. P. 28.

29. Horny C., Kiwi-Minsker L.,. Renken A. // Chemical Engineering Journal. 2004. Vol. 101. P. 3.

30. Peña M.A., Gómez J.P., Fierro J.L.G. // Applied Canalysis A: General. 1966. Vol. 144, P. 7.

31. Yu Hao, Chen Hongqing, Pan Minqiang, et. al. // Applied Catalysis A: General, 2007. Vol. 327. P. 106.

32. Fukuhara Choji, Kamata Yoshiyuki, Igarashi Akira. // Applied Catalysis A: General. 2007. Vol. 330. Р. 108.

33. Schneider Adrian, Mantzaras John, Jansohn Peter. // Chemical Engineering Science. 2006. Vol. 61. P. 4634.

34. Michael J. Stutz, Nico Hotz, Dimos Poulikakos. // Chemical Engineering Science, 2006. Vol. 61. Р. 4027.

35. Stefanidisa Georgios D., Vlachosa DionisiosG. // Chemical Engineering Science 2009. Vol. 64. P. 4856.

36. Makarshin L.L., Andreev D.V., Gribovskiy A.G., Parmon V.N. // J. Hydrogen Energy. 2007. Vol. 32. P. 3864.

37. Грибовский А.Г., Макаршин Л.Л., Андреев Д.В., Пармон В.Н., и др. // Кинетика и катализ. 2009. Т. 50, № 1, С.15.

38. Макаршин Л.Л.,Андреев Д.В, Грибовский А.Г., Пармон В.Н. и др. // Кинетика и катализ. 2007. Т. 48, № 5. С.1.

39. Shawn D. Lin, Ting C. Hsiao, Li-Chung Chen. // Applied Catalysis A: General, 2009, Vol. 360. P. 226.

40. Hsiao T.C., Lin S.D. // J. Mol. Catal. 2007. Vol. A277. P. 137.

41. Karim Ayman, Bravo Jaime, Gorm David, et. al. // Catalysis Today. 2005. Vol. 110. P. 86.

42. Xinhai Yu, Shan-Tung, Zhendong Wang, Huang Huajiang. // International Journal of Green Energy. 2008. 5, № 4, P. 281.

43. de Wild P.J., Verhaak M.J.F.M. // Catalysis Today. 2000. Vol. 60. Р. 3.

44. Thormann J., Pfeifer P., Schubert K., Kunzb U. // Chemical Engineering Journal 2008. Vol. 135S. P. S74.

45. Aidu Qi, Brant Peppley, Kunal Karan. // Fuel Processing Technology. 2007. Vol. 88. P. 3.

46. Alvarez-Galvan M.C., Navarro R.M., Rosa F., et. al. // Fuel. 2008. Vol. 87. P. 2502.

47. Barbier Jr J, Duprez D. // Appl Catal A Gen. 1992. Vol. 85. P. 89.

48. Zhuang Q, Qin Y, Chang L. // Appl Catal. 1991. Vol. 70. P. 1.

49. Schmidt L.D., Klein E.J., Leclerc C.A., Krummenacher J.J., West K. N. // Chemical Engineering Science. 2003. Vol. 58. P. 1037.

50. Balonek C.M.,. Colby J.L, and L.D. // AIChE Journal. 2010. Vol. 56, №4, P. 456.

51. Vaidya P.D., Rodrigues A.E. // Chem. Eng. J. 2006 Vol. 117. P. 39.

52. Haryanto A., Fernando S., Murali N., Adhikari S. // Energy Fuels. 2005. Vol. 19. P. 2098.

53. Ni M., Leung Y.C., Leung M.K.H. // Int. J. Hydrogen Energy. 2007. Vol. 32. P. 3238.

54. Navarro R.M., Penã M.A., Fierro J.L.G. // Chem. Rev. 2007. Vol. 107. P. 3952.

55. Palo D.R., Dagle R.A., Holladay J.D. // Chem. Rev. 2007. Vol. 107. P. 3992.

56. Casanovas Albert, Domı´nguez Montserrat, Ledesma Cristian, et. al. // Catalysis Today. 2009. Vol. 143. P. 32.

57. Zhang B., Tang X., Li Y., Cai W., Xu Y., Shen W. // Catal. Commun. 2006. Vol. 7. P. 367

58. Weijie Cai, Baocai Zhang, Yong Li, Yide Xu, Wenjie Shen. // Catalysis Communications. 2007. Vol. 8. P. 1588.

59. Men Y., Kolb G., Zapf R., Hessel V.and Löwe H. // Trans IChemE, Part B, Process Safety and Environmental Protection. 2007. Vol. 85(B5). P. 413.

60. Azadi P., Syed K.M., Farnood R. // Applied Catalysis A: General. 2009. Vol. 358. P. 65.

61. Antal, M.J., Allen, S.G., Schulman, D., Xu, X.D., Divilio, R.J. // Industrial and Engineering Chemistry Research. 2000. Vol. 39. P. 4040.

62. Arai, K., Inomata, H., Sato, T., Smith Jr., R.L. // Japanese Patent JP. 2006. 326420A.

63. Ogihara Yuko, Richard L., Smith Jr., Inomata Hiroshi, Kunio Arai. // Bioresource Technology. 2008. Vol. 99. P. 4338.

64. Гулевич А.В., Привезенцев В.В., Десятов А.В., Злоцовский А.М., Извольский А.М., Мамонтов Ю.Н., Макаршин Л.Л., Садыков В.А. // Перспективные энергетические технологии на земле и в космосе. Сб. статей/ П27 // Под ред. акад. А.С. Коротеева – М. ЗАО «Светлица». 2008.

65. Макаршин Л.Л. // Химия и жизнь. 2010. №3. C. 14.

66. Shin-Kun Ryi, Jong-Soo Park, Seung-Hoon Choi, Sung-Ho Cho, Sung-Hyun Kim. // Chemical Engineering Journal. 2005. Vol. 113. P. 47.

67. Кириллов В.А., Кузин Н.А., Амосов Ю.И., Киреенков В.В., Собянин В.А. // Катализ в промышленности. 2011. №1. С. 60.