RU2734425C2 - Method of producing catalytic materials by 3d printing method - Google Patents

Method of producing catalytic materials by 3d printing method Download PDF

Info

Publication number
RU2734425C2
RU2734425C2 RU2019108187A RU2019108187A RU2734425C2 RU 2734425 C2 RU2734425 C2 RU 2734425C2 RU 2019108187 A RU2019108187 A RU 2019108187A RU 2019108187 A RU2019108187 A RU 2019108187A RU 2734425 C2 RU2734425 C2 RU 2734425C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
granules
printing
pellets
geometry
catalytic materials
Prior art date
Application number
RU2019108187A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2019108187A3 (en
RU2019108187A (en
Inventor
Ольга Леонидовна Овсиенко
Иван Владимирович Сидельников
Марина Викторовна Рогозина
Павел Анатольевич Никульшин
Original Assignee
Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" (ПАО "НК "Роснефть")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" (ПАО "НК "Роснефть") filed Critical Публичное акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" (ПАО "НК "Роснефть")
Priority to RU2019108187A priority Critical patent/RU2734425C2/en
Publication of RU2019108187A3 publication Critical patent/RU2019108187A3/ru
Publication of RU2019108187A publication Critical patent/RU2019108187A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2734425C2 publication Critical patent/RU2734425C2/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/30
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: invention relates to production of catalysts by three-dimensional printing (3D printing). Disclosed is a method of producing catalytic materials by 3D printing based on ceramic powders and/or finely dispersed nanostructured powders with crystallite size close to X-ray amorphous crystalline structure of less than 5 nm, and production thereof involves the following steps: 1) preliminary computer simulation of hydrodynamic characteristics of catalyst layer for various versions of granules/pellets geometry and preset: geometry of reactor unit, reaction conditions - pressure, temperature, composition and speed of reaction flow; 2) selection of optimal version of size, shape and internal spatial structure of pore channels-pores of granules/pellets; 3) 3D design of optimized granules/pellets for 3D printing implementation; 4) 3D printing of optimized granules/pellets using one of the known methods.
EFFECT: invention enables to obtain catalytic materials by 3D printing method, having high catalytic activity due to complex branched geometry of channels-pores, high ratio of surface area to volume.
5 cl, 3 dwg, 6 tbl

Description

Изобретение относится к области изготовления катализаторов методом трехмерной печати (3D печати).The invention relates to the field of manufacturing catalysts using three-dimensional printing (3D printing).

С начала 80-х годов XX века получили развитие методы трехмерной печати изделий путем постепенного наращивания (наслоения) материала.Since the beginning of the 80s of the XX century, methods of three-dimensional printing of products have been developed by gradually building up (layering) the material.

Известен способ трехмерной печати изделий в виде последовательных слоев в сечении. Основные операции данного способа: нанесение слоя порошкообразного материала, нанесение жидкого реагента на слой порошкообразного материала, с конфигурацией, соответствующей определенному слою сечения модели, повторение данных операций для образования последовательных слоев с тем, чтобы получить трехмерное изделие, отверждение трехмерного изделия и извлечение отвержденного трехмерного изделия. В способе в качестве порошкообразных материалов предлагается использовать, например, окись алюминия, двуокись циркония, циркон, карбид кремния US 5340656 А, 23.08.1994.The known method of three-dimensional printing of products in the form of successive layers in section. The main operations of this method are: applying a layer of a powdery material, applying a liquid reagent to a layer of powdery material, with a configuration corresponding to a certain layer of the cross-section of the model, repeating these operations to form successive layers in order to obtain a three-dimensional product, curing a three-dimensional product and removing a cured three-dimensional product ... In the method, it is proposed to use, for example, alumina, zirconium dioxide, zircon, silicon carbide US 5340656 A, 23.08.1994 as powder materials.

В патенте предлагается использование способа для изготовления пресс-форм для литья металлов, а также для изготовления пластмассовых компонентов или деталей для различных целей.The patent proposes the use of the method for the manufacture of molds for casting metals, as well as for the manufacture of plastic components or parts for various purposes.

Недостатком указанного способа 3D печати является то, что он не предусматривает использование получаемых материалов в качестве катализаторов.The disadvantage of this 3D printing method is that it does not provide for the use of the resulting materials as catalysts.

Наиболее близким к заявленному способу является способ получения катализатора с использованием слоя добавки, полученной технологией трехмерной печати.Closest to the claimed method is a method for producing a catalyst using a layer of additives obtained by three-dimensional printing technology.

Способ включает в себя: (i) формирование слоя порошкового материала-носителя катализатора, содержащего оксид алюминия, алюминат металла, диоксид кремния, алюмосиликат, диоксид титана, диоксид циркония, диоксид цинка или их смесь, (ii) связывание порошка в упомянутом слое согласно заданному шаблону, (iii) повторение пунктов (i) и (ii) слой за слоем, с образованием формованного блока и (iv) нанесение каталитического материала на упомянутый формованный блок RU 2598381, 27.09.2016.The method includes: (i) forming a layer of powder catalyst carrier material containing alumina, metal aluminate, silicon dioxide, aluminosilicate, titanium dioxide, zirconium dioxide, zinc dioxide or a mixture thereof, (ii) binding the powder in said layer according to a predetermined pattern, (iii) repetition of points (i) and (ii) layer by layer, with the formation of a molded block and (iv) application of a catalytic material on the said molded block RU 2598381, 09/27/2016.

Недостатком способа является то, что способ предполагает использование 3D печати только для получения слоя добавки в катализаторе, а не катализатора в целом. Также способ не гарантирует высокой активности катализатора, так как не предусмотрено использование в составе катализатора тонкодисперсных наноструктурированных порошков, которые бы в значительной степени влияли на активность катализатора за счет повышенного соотношения площади геометрической поверхности к объему. Кроме того, отсутствует предварительное компьютерное моделирование гидродинамических характеристик катализаторного слоя для разных вариантов геометрии гранул/пеллет и заданных геометрии реакторного блока, условий реакции - давления, температуры, состава и скорости движения реакционного потока.The disadvantage of this method is that the method involves the use of 3D printing only to obtain a layer of additives in the catalyst, and not the catalyst as a whole. Also, the method does not guarantee high activity of the catalyst, since it is not provided for the use of finely dispersed nanostructured powders in the composition of the catalyst, which would significantly affect the activity of the catalyst due to the increased ratio of geometric surface area to volume. In addition, there is no preliminary computer simulation of the hydrodynamic characteristics of the catalyst layer for different options for the geometry of granules / pellets and the given geometry of the reactor block, reaction conditions - pressure, temperature, composition and velocity of the reaction flow.

Задачей изобретения является получение каталитических материалов методом 3D печати, обладающих высокой каталитической активностью за счет повышенного соотношения площади геометрической поверхности к объему, а также использование предварительного компьютерного моделирования гидродинамических характеристик катализаторного слоя, позволяющего реализовать индивидуальный подход в решении задач максимальной оптимизации эксплуатации промышленных каталитических реакторов.The objective of the invention is to obtain catalytic materials by 3D printing with high catalytic activity due to an increased ratio of geometric surface area to volume, as well as the use of preliminary computer modeling of the hydrodynamic characteristics of the catalyst layer, which allows for an individual approach to solving problems of maximum optimization of the operation of industrial catalytic reactors.

Для решения поставленной задачи предлагается способ получения каталитических материалов методом трехмерной печати, который характеризуется тем, что каталитические материалы получают на основе керамических порошков и/или тонкодисперсных наноструктурированных порошков с размером кристаллитов, близким к рентгеноаморфности кристаллической структуры - менее 5 нм, и их получение включает следующие стадии:To solve this problem, a method is proposed for producing catalytic materials by the method of three-dimensional printing, which is characterized by the fact that catalytic materials are obtained on the basis of ceramic powders and / or finely dispersed nanostructured powders with a crystallite size close to the X-ray amorphousness of the crystal structure - less than 5 nm, and their production includes the following stages:

1) предварительное компьютерное моделирование гидродинамических характеристик катализаторного слоя для разных вариантов геометрии гранул/пеллет и заданных геометрии реакторного блока, условий реакции - давления, температуры, состава и скорости движения реакционного потока;1) preliminary computer modeling of the hydrodynamic characteristics of the catalyst layer for different options for the geometry of granules / pellets and the given geometry of the reactor block, reaction conditions - pressure, temperature, composition and velocity of the reaction flow;

2) выбор оптимального варианта размера, формы и внутренней пространственной структуры каналов-пор гранул/пеллет;2) selection of the optimal option for the size, shape and internal spatial structure of the pore channels of granules / pellets

3) 3D проектирование оптимизированных гранул/пеллет для реализации 3D печати;3) 3D design of optimized granules / pellets for 3D printing;

4) 3D печать оптимизированных гранул/пеллет одним из известных способов.4) 3D printing of optimized granules / pellets in one of the known ways.

Каталитические материалы на основе керамических порошков и/или тонкодисперсных наноструктурированных порошков имеют в своем составе активные металл-содержащие компоненты, в качестве которых используют один или несколько химических элементов или их соединений, выбранных из группы: Na, K, Mg, Са, Ва, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Re, Ir, Pt, Au.Catalytic materials based on ceramic powders and / or finely dispersed nanostructured powders contain active metal-containing components, which are one or more chemical elements or their compounds selected from the group: Na, K, Mg, Ca, Ba, Al , Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Re, Ir, Pt, Au.

Керамические порошки и/или тонкодисперсные наноструктурированные порошки содержат добавки легко удаляемых при температурной обработке или легко растворимых при водной обработке веществ, в качестве которых используют порошок графита, угольную пыль, древесную муку, стеарат кальция, нитрат аммония, нитрат кальция, в количествах до 10% масс., предпочтительно 2-5% масс.Ceramic powders and / or finely dispersed nanostructured powders contain additives that are easily removed during heat treatment or readily soluble during water processing, such as graphite powder, coal dust, wood flour, calcium stearate, ammonium nitrate, calcium nitrate, in amounts up to 10% mass., preferably 2-5% of the mass.

При необходимости проводят дополнительную обработку изготовленных гранул/пеллет в один или несколько приемов путем прокалки; и/или пропитки или обработки активатором, и/или модификатором с последующей сушкой, прокалкой; обработкой в газообразной среде, содержащей водород, или серу, или углерод.If necessary, additional processing of the manufactured granules / pellets is carried out in one or several stages by calcining; and / or impregnation or treatment with an activator and / or modifier followed by drying, calcination; by processing in a gaseous medium containing hydrogen, or sulfur, or carbon.

Полученные методом 3D печати материалы можно использовать в качестве дополнительного фильтрующего слоя для очистки газообразных и жидкостных потоков углеводородов.The materials obtained by 3D printing can be used as an additional filtering layer for purifying gaseous and liquid hydrocarbon streams.

Каталитические материалы предназначены для процессов гидрирования, гидродесульфуризации, парового риформинга, включающего в себя предварительный риформинг, каталитический паровой риформинг, автотермический риформинг и вторичный риформинг, конверсии водяного газа, метанирования, синтеза углеводородов путем реакции Фишера-Тропша, синтеза метанола, синтеза аммиака, окисления аммиака и разложения закиси азота.Catalytic materials are designed for hydrogenation, hydrodesulfurization, steam reforming, including pre-reforming, catalytic steam reforming, autothermal reforming and secondary reforming, water gas conversion, methanation, hydrocarbon synthesis by the Fischer-Tropsch reaction, methanol synthesis, ammonia synthesis, and decomposition of nitrous oxide.

Предлагаемый способ позволяет создавать структуры катализаторов со сложными геометрическими формами и свойствами, невозможными при использовании стандартных технологий формирования катализаторов. Используют керамические порошки и/или тонкодисперсные наноструктурированные порошки с размером кристаллитов, близким к рентгеноаморфности кристаллической структуры - менее 5 нм.The proposed method allows you to create structures of catalysts with complex geometric shapes and properties that are impossible when using standard technologies for the formation of catalysts. Ceramic powders and / or finely dispersed nanostructured powders with a crystallite size close to the X-ray amorphousness of the crystal structure - less than 5 nm are used.

При этом гранулы/пеллеты имеют регулярно изменяющуюся пространственную структуру каналов-пор или регулярно изменяющийся по объему гранулы/пеллеты в одном или нескольких пространственных направлениях химический состав (за счет использования принтеров с набором печатающих головок или распылительных сопел, заполненных различными веществами (смесями)).In this case, the granules / pellets have a regularly changing spatial structure of pore channels or a chemical composition that regularly changes in volume in one or more spatial directions (due to the use of printers with a set of print heads or spray nozzles filled with various substances (mixtures)).

Можно получить катализатор с высокоточным заданным чередованием/группированием активных центров на поверхности и/или в объеме гранулы/пеллеты, получить би- и многофункциональные каталитические системы с хорошо управляемыми каталитическими свойствами для одновременно протекающих в реакционной смеси химических реакций.It is possible to obtain a catalyst with a highly precise predetermined alternation / grouping of active sites on the surface and / or in the volume of a granule / pellet, to obtain bi- and multifunctional catalytic systems with well-controlled catalytic properties for chemical reactions simultaneously occurring in the reaction mixture.

В результате использования 3D печати получают сложную разветвленную геометрию каналов-пор, что позволяет получить новый диапазон возможностей за счет повышенного соотношения площади геометрической поверхности к объему, а также задавать внутреннюю микро- мезопористость самого материала катализаторов.As a result of using 3D printing, a complex branched geometry of channels-pores is obtained, which makes it possible to obtain a new range of possibilities due to an increased ratio of geometric surface area to volume, as well as to set the internal micro-mesoporosity of the catalyst material itself.

Использование предварительного компьютерного моделирования гидродинамических характеристик катализаторного слоя позволяет реализовать индивидуальный подход в решении задач максимальной оптимизации эксплуатации промышленных каталитических реакторов.The use of preliminary computer modeling of the hydrodynamic characteristics of the catalyst layer allows an individual approach to be implemented in solving problems of maximum optimization of the operation of industrial catalytic reactors.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.The proposed method is illustrated by the following examples.

Пример 1. Катализатор для паровой конверсии углеводородов в трубчатой печи.Example 1. Catalyst for steam reforming of hydrocarbons in a tube furnace.

Хорошо известно, что использование катализаторов сложной формы позволяет многократно увеличить эффективность процессов, реализуемых в трубчатых реакторах. Теоретические и экспериментальные работы, посвященные усовершенствованию формы и размеров зерен катализаторов в трубчатых реакторах, дают неоднозначное представление о том, как должен выглядеть оптимальный катализатор. Так, например, в работе Кагырманова А.П. Оптимизация формы и размеров зерна катализатора в трубчатых реакторах с неподвижным зернистым слоем: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 02.00.15; Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН - Новосибирск, 2009. - 149 с. показано, что наилучшими для процесса паровой конверсии являются зерна в виде 7-дырчатого цилиндра (Фиг. 1А) с максимально возможной высотой частицы (равной 1/5 от диаметра трубы) и минимально возможным диаметром зерна (2/3 от высоты частицы). В работах Дульнев А.В., Обысов А.В., Соколов С.М., Головков В.И. Разработка катализатора паровой конверсии метана для повышения технико-экономических показателей трубчатой печи // Газохимия, 2008, №3, С. 76-79 и Дульнев А.В., Обысов А.В. Опыт промышленной эксплуатации и пути совершенствования нанесенных Ni-катализаторов риформинга природного газа // Катализ в пром-ти, 2011, №4, С. 71-77. авторы рекомендуют использовать перфорированную сферу (Фиг. 1Б) с семью дырками в качестве наиболее удачной формы зерна для катализатора.It is well known that the use of catalysts of complex shape makes it possible to multiply the efficiency of processes carried out in tubular reactors. Theoretical and experimental work on improving the shape and size of catalyst grains in tubular reactors provide an ambiguous idea of what the optimal catalyst should look like. So, for example, in the work of A.P. Kagyrmanov. Optimization of the shape and size of catalyst grain in tubular reactors with a fixed granular bed: dissertation for the degree of candidate of technical sciences: 02.00.15; Institute of Catalysis. G.K. Boreskov SB RAS - Novosibirsk, 2009 .-- 149 p. It was shown that the best for the steam reforming process are grains in the form of a 7-hole cylinder (Fig. 1A) with the maximum possible particle height (equal to 1/5 of the pipe diameter) and the minimum possible grain diameter (2/3 of the particle height). In the works of Dulnev A.V., Obysov A.V., Sokolov S.M., Golovkov V.I. Development of a catalyst for steam reforming of methane to improve the technical and economic performance of a tube furnace // Gazokhimiya, 2008, No. 3, pp. 76-79 and AV Dulnev, AV Obysov. Experience of industrial operation and ways to improve the deposited Ni-catalysts for reforming natural gas // Catalysis in prom-ty, 2011, No. 4, pp. 71-77. the authors recommend using a perforated sphere (Fig. 1B) with seven holes as the most suitable grain shape for the catalyst.

Использование метода 3D печати позволяет усложнить форму гранул катализатора, а предварительное компьютерное моделирование - рассчитать оптимальную форму, размер и состав гранул для наиболее эффективного применения в конкретных условиях эксплуатации.The use of the 3D printing method makes it possible to complicate the shape of the catalyst granules, and preliminary computer modeling - to calculate the optimal shape, size and composition of the granules for the most effective use in specific operating conditions.

Результаты численного моделирования основных параметров, характеризующих процесс паровой конверсии углеводородов в трубчатой печи в заданных условиях (Таблица 1) для трех образцов усложненной геометрии и двух образцов сравнения (гранул, изготавливаемых традиционными способами формовки и шликерного литья) приведены в Таблице 2.The results of numerical modeling of the main parameters characterizing the process of steam reforming of hydrocarbons in a tubular furnace under specified conditions (Table 1) for three samples of complicated geometry and two reference samples (granules made by traditional molding and slip casting methods) are shown in Table 2.

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

В качестве традиционно применяемых форм гранул выбраны сфера, 7-дырочный цилиндр (Фиг. 1А) и 7-дырочная сфера (Фиг. 1Б). Дизайн 3D образцов представлен на фиг. 2, гдеA sphere, a 7-hole cylinder (Fig. 1A) and a 7-hole sphere (Fig. 1B) were chosen as the traditionally used forms of granules. The design of 3D samples is shown in Fig. 2, where

А - Сфера с тремя сквозными отверстиями (образец 1-3D);A - Sphere with three through holes (sample 1-3D);

Б - сфера с 21 сквозным отверстием (образец 2-3D);B - sphere with 21 through holes (sample 2-3D);

В - цилиндр с шестью сквозными отверстиями: 3 параллельных канала расположены в основаниях и 3 на боковой поверхности (образец 3-3D).B - cylinder with six through holes: 3 parallel channels are located at the bases and 3 on the lateral surface (sample 3-3D).

Для обеспечения требуемой прочности диаметр отверстий гранулы привязан к внешнему размеру для 7x3 дырочной сферы - 0,11, для 7-дырочных гранул (сферы и цилиндра) - 0,14, для 3-дырочной сферической и 6-дырочной цилиндрической гранул - 0,3. В расчетах также принято, что насыпная порозность цилиндрических гранул при соотношении высоты к диаметру цилиндра в пределах от 0,66 до 1,5 равна порозности насыпного слоя сферических гранул (Аэров М.Э. Аппараты со стационарным зернистым слоем. Гидравлические и тепловые основы работы / М.Э. Аэров, О.М. Тодес, Д.А. Наринский. - Ленинград: Химия, 1979.); зафиксированная насыпная порозность для всех образцов - 0,39 (там же); открытая поверхность гранул учитывает внутреннюю структуру.To ensure the required strength, the diameter of the holes of the granule is tied to the external dimension for a 7x3 hole sphere - 0.11, for 7-hole granules (sphere and cylinder) - 0.14, for 3-hole spherical and 6-hole cylindrical granules - 0.3 ... In the calculations, it is also assumed that the bulk porosity of cylindrical granules with a ratio of height to diameter of the cylinder in the range from 0.66 to 1.5 is equal to the porosity of the bulk layer of spherical granules (Aerov M.E. Devices with a stationary granular layer. Hydraulic and thermal basis of work / M.E. Aerov, O.M. Todes, D.A.Narinsky. - Leningrad: Chemistry, 1979.); the fixed bulk porosity for all samples is 0.39 (ibid.); the open surface of the granules allows for internal structure.

Размер гранул оптимизирован из условий равномерной максимально плотной засыпки гранул в реакционную трубу и минимального перепада давления в реакционной трубе с гранулами катализатора.The size of the granules is optimized on the basis of the conditions for a uniform, maximally dense filling of the granules into the reaction tube and the minimum pressure drop in the reaction tube with catalyst granules.

Параметр прочности частиц определен на основе корреляции доли пустот в грануле по отношении к исходному монолитному прототипу частицы (сфера, цилиндр).The particle strength parameter is determined on the basis of the correlation of the fraction of voids in the granule in relation to the original monolithic prototype of the particle (sphere, cylinder).

Результаты моделирования (Таблица 2) показывают, что наименьший перепад давления при максимальной открытой площади поверхности имеют образцы 2-3D и 3-3D.Simulation results (Table 2) show that samples 2-3D and 3-3D have the smallest pressure drop at the maximum open surface area.

Моделирование может быть выполнено с использованием одного из современных CFD-пакетов (OpenFOAM, ANSYS и др.). Последовательность этапов моделирования задается в самом программном пакете. Основные этапы:Simulation can be performed using one of the modern CFD packages (OpenFOAM, ANSYS, etc.). The sequence of modeling steps is set in the software package itself. Main steps:

- построение модели (построение геометрической базовой модели единичной гранулы/пеллеты) может быть выполнено непосредственно в программном пакете, но возможна интеграция в данный пакет уже созданной модели из других программных сред, возможно также автоматическое создание модели с помощью 3D-сканера;- building a model (building a geometric base model of a single granule / pellet) can be performed directly in the software package, but it is possible to integrate an already created model from other software environments into this package, it is also possible to automatically create a model using a 3D scanner;

- задание или выбор из предлагаемого списка материала гранул/пеллет и среды, задание тепловых и реологических свойств (по исходным данным);- assignment or selection from the proposed list of material of granules / pellets and medium, assignment of thermal and rheological properties (according to the initial data);

- задание условий (гидрогазодинамические и силовые нагрузки, краевые условия), которые определяются поставленной задачей;- setting the conditions (hydro-gas-dynamic and power loads, boundary conditions), which are determined by the task;

- поиск решения (выбор метода решения уравнений или задание параметров решателя) в некоторых программных средах выполняется автоматически на основе внутреннего анализа.- search for a solution (choice of a method for solving equations or setting the solver parameters) in some software environments is performed automatically based on internal analysis.

Figure 00000003
Figure 00000003

По ключевым эксплуатационным параметрам - площадь открытой поверхности, перепад давления, и лучшему экономическому показателю - масса загружаемого катализатора в трубчатую печь, для 3D-печати выбран образец 3-3D.In terms of key operational parameters - open surface area, pressure drop, and the best economic indicator - the mass of the catalyst loaded into a tubular furnace, sample 3-3D was selected for 3D printing.

Выбор образца проведен последовательным сравнением характеристик:Sample selection was carried out by sequential comparison of characteristics:

первый шаг сравнения образцов - по площади открытой поверхности - предпочтительными определяет 7-дырочный цилиндр, образцы 2-3D и 3-3D; остальные исключаются из дальнейшего рассмотрения, поскольку этот первостепенный параметр у них в -1,5-2,5 раза меньше;the first step of comparing samples - by the area of the open surface - determines the preferred 7-hole cylinder, samples 2-3D and 3-3D; the rest are excluded from further consideration, since this paramount parameter is -1.5-2.5 times less for them;

второй шаг сравнения трех выбранных образцов (7-дырочный цилиндр, 2-3D,3-3D) - по перепаду давления - отдает предпочтение образцу 3-3D;the second step of comparing the three selected samples (7-hole cylinder, 2-3D, 3-3D) - by pressure drop - gives preference to the sample 3-3D;

третий шаг сравнения образцов (7-дырочный цилиндр, 2-3D,3-3D) - по массе загружаемого катализатора - подтверждает предпочтительный выбор образца 3-3D.the third step of comparing the samples (7-hole cylinder, 2-3D, 3-3D) - by weight of the loaded catalyst - confirms the preferred choice of sample 3-3D.

Гранулы выбранной оптимальной геометрии изготовили методом 3D-печати из фотополимерной керамической алюмооксидной пасты на опытно-экспериментальном оборудовании по технологии лазерного отвердевания пасты (печать может быть выполнена на любом приспособленном для этих целей промышленном или исследовательском 3D-принтере). В пасту был добавлен графит марки ГЛ-1 в количестве 5% масс. Отжиг алюмооксидных гранул вели до температуры 1550°С. Материал изготовленных гранул имел внутреннюю пористость, измеренную по водопоглощению, 9,3%. Прочность гранул на раздавливание составила ~310 Н. Методом пропитки азотнокислыми солями никеля/алюминия/калия (соотношение компонентов 85:10:5) на гранулы нанесли каталитически активный в паровой конверсии углеводородов состав (каталитически активные Ni и K (активаторы), модификатор поверхности Al). Высушенные при температуре 130°С и прокаленные при температуре 500°С гранулы катализатора испытали на активность по методике (ТУ 2171-025-46693103-2006 «Катализатор АКН-М»). Размер кристаллитов основного активного никелевого компонента, определенный методом рентгенографического анализа, в исходном свежеприготовленном образце катализатора (NiO) и после его испытаний при температуре 800°С (Ni), составил <1,5 нм и <2 нм соответственно. Мелкодисперсность, близкая к рентгеноаморфности активного никелевого компонента, и высокоразвитая внешняя поверхность гранул за счет их усложненной геометрической формы обеспечивают высокую активность катализатора (Таблица 3).Granules of the selected optimal geometry were made by 3D printing from photopolymer ceramic alumina paste on experimental equipment using the technology of laser solidification of the paste (printing can be performed on any industrial or research 3D printer adapted for this purpose). GL-1 graphite was added to the paste in an amount of 5% of the mass. The alumina granules were annealed up to a temperature of 1550 ° C. The material of the produced granules had an internal porosity, measured by water absorption, of 9.3%. The crushing strength of granules was ~ 310 N. By impregnation with nickel / aluminum / potassium nitrate salts (component ratio 85: 10: 5), a composition catalytically active in steam conversion of hydrocarbons (catalytically active Ni and K (activators), surface modifier Al ). The catalyst granules dried at 130 ° C and calcined at 500 ° C were tested for activity according to the procedure (TU 2171-025-46693103-2006 "Catalyst AKN-M"). The crystallite size of the main active nickel component, determined by X-ray diffraction analysis, in the initial freshly prepared sample of the catalyst (NiO) and after testing at 800 ° C (Ni) was <1.5 nm and <2 nm, respectively. The fine dispersion, close to the X-ray amorphousness of the active nickel component, and the highly developed outer surface of the granules, due to their complicated geometric shape, provide a high catalyst activity (Table 3).

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

Пример 2. Защитный слой для катализаторов гидроочистки.Example 2. Guard bed for hydrotreating catalysts.

Гидроочистке в нефтеперерабатывающей промышленности подвергается широкий ряд различных продуктов: бензиновые фракции, легкие и тяжелые газойли, а также остаточные продукты. Основной причиной дезактивации катализаторов гидроочистки является присутствие в сырье примесей (соединений железа, кремния, никеля, ванадия, мышьяка, фосфора и др.) Для продления срока службы катализаторов над основным катализаторным слоем размещают защитный слой из особых материалов (инертных материалов активной фильтрации (МАФ) и селективных катализаторов ограниченной активности). Использование защитных слоев позволяет производить их замену без перегрузки основного катализатора, что снижает затраты производства.A wide range of different products are hydrotreated in the refining industry: gasoline fractions, light and heavy gas oils, and residual products. The main reason for the deactivation of hydrotreating catalysts is the presence of impurities in the feedstock (compounds of iron, silicon, nickel, vanadium, arsenic, phosphorus, etc.) To extend the life of the catalysts, a protective layer of special materials (inert active filtration materials (MAF)) is placed over the main catalyst layer and selective catalysts of limited activity). The use of protective layers allows their replacement without overloading the main catalyst, which reduces production costs.

Гранулы/пеллеты используемых защитных материалов имеют, как правило, геометрию с прямыми отверстиями-каналами. Накопление в них примесей происходит за счет шероховатостей стенок и/или абсорбции.Granules / pellets of the used protective materials have, as a rule, geometry with straight holes-channels. The accumulation of impurities in them occurs due to wall roughness and / or absorption.

Метод 3D печати позволяет формировать криволинейные каналы в гранулах/пеллетах, что существенно увеличивает эффективность защитного слоя из-за особенностей течения жидкости (газа) в таких отверстиях (Грачев И.Г., Низовцев В.М., Пирогов С.Ю., Савищенко Н.П., Юрьев А.С. Справочник по расчетам и гидравлических и вентиляционных систем // АНО НПО "Мир и семья", 2001, 1115 с.).The 3D printing method allows the formation of curved channels in granules / pellets, which significantly increases the effectiveness of the protective layer due to the peculiarities of the flow of liquid (gas) in such holes (Grachev I.G., Nizovtsev V.M., Pirogov S.Yu., Savishchenko N.P., Yuryev A.S. Handbook of calculations and hydraulic and ventilation systems // ANO NPO "Mir and family", 2001, 1115 p.).

В таблице 5 (Расчетные параметры МАФ) приведены результаты численного моделирования основных параметров, характеризующих процесс улавливания частиц примеси из сырьевого потока в реакторе гидроочистки в заданных условиях (Таблица 4. Заданные параметры работы МАФ) моноблоком МАФ - диаметром 700 мм, высотой 120 мм для блоков с различной формой каналов, изображенных на фиг. 3:Table 5 (Design parameters of the MAF) shows the results of numerical modeling of the main parameters characterizing the process of trapping impurity particles from the feed stream in the hydrotreating reactor under the specified conditions (Table 4. Specified parameters of the MAF operation) by the MAF monoblock - 700 mm in diameter, 120 mm in height for blocks with different shapes of the channels shown in FIG. 3:

- с прямыми каналами (Фиг. 3А - образец сравнения),- with straight channels (Fig.3A - comparison sample),

- двух блоков с извилистой структурой (с закругленными поворотами Фиг. 3Б - образец 4-3D - 135° и Фиг. 3В - образец 5-3D - 45°);- two blocks with a sinuous structure (with rounded turns Fig. 3B - sample 4-3D - 135 ° and Fig. 3B - sample 5-3D - 45 °);

- трех блоков с угловой структурой (с углами поворота Фиг. 3Г - образец 6-3D - 135°, Фиг. 3Д - образец 7-3D - 90° и Фиг. 3Е - образец 8-3D - 45°).- three blocks with an angular structure (with angles of rotation Fig. 3G - sample 6-3D - 135 °, Fig. 3D - sample 7-3D - 90 ° and Fig. 3E - sample 8-3D - 45 °).

Figure 00000006
Figure 00000007
Figure 00000006
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

Фильтрующая способность материалов рассчитана с учетом градиента вектора скорости ламинарного течения по сечению канала, шероховатости стенок каналов, соизмеримых с размерами частиц механических примесей сырья, теории полуупругих столкновений частиц примесей со стенками каналов с потерей части импульса в предположении: число частиц примесей в потоке 2×1011 на 1 кг/ч (что соответствует их содержанию в сырье ~0.03% масс) и оседания в каналах частиц со скоростями движения после соударения V ≤ 0.1Vmax. При расчетах учитывали две составляющие процесса: физическую адсорбцию, при которой происходит оседание частиц примесей на внутренней поверхности канала за счет шероховатости материала (на начальный момент эксплуатации защитного слоя для всех образцов 20% от общего числа частиц примеси) и механическую адсорбцию, при которой оседание частиц происходит за счет извилистой/угловой структуры каналов в вихревых областях.The filtering capacity of the materials is calculated taking into account the gradient of the laminar flow velocity vector over the channel cross section, the channel wall roughness commensurate with the particle size of mechanical impurities of the raw material, the theory of semi-elastic collisions of impurity particles with the channel walls with a loss of a part of the momentum under the assumption: the number of impurity particles in the flow is 2 × 1011 per 1 kg / h (which corresponds to their content in the raw material ~ 0.03 wt%) and sedimentation in the channels of particles with velocities after collision V ≤ 0.1Vmax. The calculations took into account two components of the process: physical adsorption, in which sedimentation of impurity particles occurs on the inner surface of the channel due to the roughness of the material (at the initial moment of operation of the protective layer for all samples, 20% of the total number of impurity particles) and mechanical adsorption, in which the sedimentation of particles occurs due to the tortuous / angular structure of the channels in the vortex regions.

Перепад давления в защитном слое рассчитан с использованием уравнения Дарси-Вайсбаха на основе свойств газа, скорости потока и геометрических параметров каналов.The pressure drop in the containment layer was calculated using the Darcy-Weisbach equation based on the gas properties, flow rate and geometric parameters of the channels.

Анализ результатов предварительного моделирования (Таблица 5) показывает, что при приемлемой механической прочности материала защитного слоя (~40% свободного пространства) высокую улавливающую способность (~63%) и невысокое гидродинамическое сопротивление (~50 Па) имеет образец 5-3D с синусоидальными каналами.Analysis of the results of preliminary modeling (Table 5) shows that with an acceptable mechanical strength of the protective layer material (~ 40% of free space), a sample 5-3D with sinusoidal channels has a high catching ability (~ 63%) and low hydrodynamic resistance (~ 50 Pa) ...

Выбор образца проведен последовательным сравнением характеристик:Sample selection was carried out by sequential comparison of characteristics:

- первый шаг сравнения образцов - по улавливающей (фильтрующей) способности - определяет два предпочтительных образца 5-3D и 8-3D, т.к. по этому параметру они в ~1,5-3 раза превосходят четыре остальные;- the first step of comparing the samples - according to the catching (filtering) ability - determines two preferred samples 5-3D and 8-3D, since in this parameter, they are ~ 1.5-3 times higher than the other four;

- второй шаг сравнения образцов 5-3D и 8-3D - по гидродинамическому сопротивлению -отдает предпочтение образцу 5-3D, поскольку по этому параметру он в ~4 раза превосходит образец 8-3D.- the second step of comparing samples 5-3D and 8-3D - in terms of hydrodynamic resistance - gives preference to sample 5-3D, since in this parameter it is ~ 4 times higher than sample 8-3D.

Сегмент защитного слоя выбранной оптимальной геометрии изготовили методом 3D-печати из фотополимерной керамической алюмосиликатной пасты на опытно-экспериментальном оборудовании по технологии лазерного отвердевания пасты (печать может быть выполнена на любом приспособленном для этих целей промышленном или исследовательском 3D-принтере). Отжиг пеллет вели до температуры 1300°С. С целью развития (увеличения) сорбционной поверхности и ее шероховатости пеллеты обработали модификатором - алюмозолем концентрацией 30% масс., высушили при 100-120°С и прокалили при 500°С. Размер кристаллитов активного сорбционного алюмооксидного слоя, определенный методом рентгенографического анализа, составил <1,5 нм (Таблица 6). Для сравнительного испытания использовали пеллеты без нанесенного активного сорбционного слоя с размером кристаллитов материала основы (по данным ренгенографического анализа) порядка 20 нм.A segment of the protective layer of the selected optimal geometry was made by 3D printing from photopolymer ceramic aluminosilicate paste on experimental equipment using the technology of laser solidification of the paste (printing can be performed on any industrial or research 3D printer adapted for this purpose). The pellets were annealed up to a temperature of 1300 ° C. In order to develop (increase) the sorption surface and its roughness, the pellets were treated with a modifier - alumina ash with a concentration of 30 wt%, dried at 100-120 ° C and calcined at 500 ° C. The crystallite size of the active sorption alumina layer, determined by X-ray analysis, was <1.5 nm (Table 6). For a comparative test, we used pellets without an applied active sorption layer with a crystallite size of the base material (according to X-ray analysis data) of about 20 nm.

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

Техническим результатом изобретения является получение каталитических материалов методом 3D печати, обладающих высокой каталитической активностью за счет сложной разветвленной геометрии каналов-пор, повышенного соотношения площади поверхности к объему, а также использование предварительного компьютерного моделирования гидродинамических характеристик катализаторного слоя, позволяющего реализовать индивидуальный подход в решении задач максимальной оптимизации эксплуатации промышленных каталитических реакторов.The technical result of the invention is the production of catalytic materials by the 3D printing method, which have high catalytic activity due to the complex branched geometry of pore channels, an increased surface area to volume ratio, as well as the use of preliminary computer modeling of the hydrodynamic characteristics of the catalyst layer, which makes it possible to implement an individual approach in solving problems of maximum optimization of the operation of industrial catalytic reactors.

Claims (9)

1. Способ получения каталитических материалов методом трехмерной печати (3D печати), характеризующийся тем, что каталитические материалы получают на основе керамических порошков и/или тонкодисперсных наноструктурированных порошков с размером кристаллитов, близким к рентгеноаморфности кристаллической структуры - менее 5 нм, и их получение включает следующие стадии:1. A method for producing catalytic materials by the method of three-dimensional printing (3D printing), characterized in that the catalytic materials are obtained on the basis of ceramic powders and / or finely dispersed nanostructured powders with a crystallite size close to the X-ray amorphousness of the crystal structure - less than 5 nm, and their preparation includes the following stages: 1) предварительное компьютерное моделирование гидродинамических характеристик катализаторного слоя для разных вариантов геометрии гранул/пеллет и заданных: геометрии реакторного блока, условий реакции - давления, температуры, состава и скорости движения реакционного потока;1) preliminary computer modeling of the hydrodynamic characteristics of the catalyst layer for different options for the geometry of granules / pellets and given: geometry of the reactor block, reaction conditions - pressure, temperature, composition and speed of the reaction flow; 2) выбор оптимального варианта размера, формы и внутренней пространственной структуры каналов-пор гранул/пеллет;2) selection of the optimal option for the size, shape and internal spatial structure of the pore channels of granules / pellets 3) 3D проектирование оптимизированных гранул/пеллет для реализации 3D печати;3) 3D design of optimized granules / pellets for 3D printing; 4) 3D печать оптимизированных гранул/пеллет одним из известных способов.4) 3D printing of optimized granules / pellets in one of the known ways. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каталитические материалы на основе керамических порошков и/или тонкодисперсных наноструктурированных порошков имеют в своем составе активные металлсодержащие компоненты, в качестве которых используют один или несколько химических элементов или их соединений, выбранных из группы: Na, K, Mg, Са, Ва, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Re, Ir, Pt, Au.2. The method according to claim 1, characterized in that the catalytic materials based on ceramic powders and / or fine nanostructured powders contain active metal-containing components, which are one or more chemical elements or their compounds selected from the group: Na , K, Mg, Ca, Ba, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, W, Re, Ir , Pt, Au. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что керамические порошки и/или тонкодисперсные наноструктурированные порошки содержат добавки легко удаляемых при температурной обработке или легко растворимых при водной обработке веществ, в качестве которых используют порошок графита, угольную пыль, древесную муку, стеарат кальция, нитрат аммония, нитрат кальция, в количествах до 10% масс., предпочтительно 2-5% масс.,3. The method according to claim 1, characterized in that the ceramic powders and / or finely dispersed nanostructured powders contain additives that are easily removed during heat treatment or readily soluble during water treatment, such as graphite powder, coal dust, wood flour, calcium stearate , ammonium nitrate, calcium nitrate, in amounts up to 10% by weight, preferably 2-5% by weight, 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проводят дополнительную обработку изготовленных гранул/пеллет в один или несколько приемов путем прокалки; и/или пропитки или обработки активатором и/или модификатором с последующей сушкой, прокалкой; обработкой в газообразной среде, содержащей водород, или серу, или углерод.4. The method according to claim 1, characterized in that additional processing of the produced granules / pellets is carried out in one or more steps by calcining; and / or impregnation or treatment with an activator and / or modifier, followed by drying, calcination; by processing in a gaseous medium containing hydrogen, or sulfur, or carbon. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученные материалы используют в качестве дополнительного фильтрующего слоя для очистки газообразных и жидкостных потоков углеводородов.5. The method according to claim 1, characterized in that the obtained materials are used as an additional filtering layer for purifying gaseous and liquid hydrocarbon streams.
RU2019108187A 2019-03-21 2019-03-21 Method of producing catalytic materials by 3d printing method RU2734425C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019108187A RU2734425C2 (en) 2019-03-21 2019-03-21 Method of producing catalytic materials by 3d printing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019108187A RU2734425C2 (en) 2019-03-21 2019-03-21 Method of producing catalytic materials by 3d printing method

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2019108187A3 RU2019108187A3 (en) 2020-09-21
RU2019108187A RU2019108187A (en) 2020-09-21
RU2734425C2 true RU2734425C2 (en) 2020-10-16

Family

ID=72912800

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019108187A RU2734425C2 (en) 2019-03-21 2019-03-21 Method of producing catalytic materials by 3d printing method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2734425C2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112341153A (en) * 2020-10-20 2021-02-09 上海航翼高新技术发展研究院有限公司 Waste porous magnetic ceramic system based on 3D printing technology and preparation method thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009047141A1 (en) * 2007-10-08 2009-04-16 Basf Se Use of moulded bodies with catalytic properties as reactor fittings
US20150010461A1 (en) * 2012-02-17 2015-01-08 The University Court Of The University Of Glasgow Apparatus and methods for the preparation of reaction vessels
RU2598381C2 (en) * 2010-09-08 2016-09-27 Джонсон Мэтти Паблик Лимитед Компани Method of producing catalyst

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009047141A1 (en) * 2007-10-08 2009-04-16 Basf Se Use of moulded bodies with catalytic properties as reactor fittings
RU2598381C2 (en) * 2010-09-08 2016-09-27 Джонсон Мэтти Паблик Лимитед Компани Method of producing catalyst
US20150010461A1 (en) * 2012-02-17 2015-01-08 The University Court Of The University Of Glasgow Apparatus and methods for the preparation of reaction vessels

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Fan, N.C. "Porous Al2O3 catalyst carrier by 3D additive manufacturing for syngas reforming". Journal of Ceramic Processing Research, январь 2017, , стр. 679-682. *
Fan, N.C. "Porous Al2O3 catalyst carrier by 3D additive manufacturing for syngas reforming". Journal of Ceramic Processing Research, январь 2017, реферат, стр. 679-682. Кагырманова А. П. Оптимизация формы и размеров зерна катализатора в трубчатых реакторах с неподвижным зернистым слоем: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Новосибирск, 2009, стр. 3-11. *
Rossi, S. "Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing in Organic Synthesis". ChemCatChem, ноябрь 2017. *
Кагырманова А. П. Оптимизация формы и размеров зерна катализатора в трубчатых реакторах с неподвижным зернистым слоем: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Новосибирск, 2009, стр. 3-11. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2019108187A3 (en) 2020-09-21
RU2019108187A (en) 2020-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2015365613B2 (en) Catalyst manufacturing method
JP6770975B2 (en) Molding catalyst particles
RU2598381C2 (en) Method of producing catalyst
Wijngaarden et al. Industrial catalysis: optimizing catalysts and processes
RU2506997C1 (en) Catalyst of recycling heavy oil fractions
Chaparro-Garnica et al. Customizable heterogeneous catalysts: nonchanneled advanced monolithic supports manufactured by 3D-Printing for improved active phase coating performance
EP3565702A1 (en) Three-dimensionally structured porous catalyst monolith of stacked catalyst fibers
CN108137333A (en) Molecular sieve SSZ-105, its synthesis and purposes
RU2734425C2 (en) Method of producing catalytic materials by 3d printing method
GB2540240A (en) Catalyst particle
RU2527573C1 (en) Catalyst for processing heavy crude oil material and method of its preparation
García-Sánchez et al. Elements of the Manufacture and Properties of Technical Catalysts
Basrur et al. Catalyst Synthesis and Characterization
Lee et al. Manufacture and characterisation of silicalite monoliths
Deng Synthesis and properties of nanostructured adsorbents for gas separation and environmental applications