RU2734425C2 - Method of producing catalytic materials by 3d printing method - Google Patents
Method of producing catalytic materials by 3d printing method Download PDFInfo
- 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
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 title claims abstract description 21
- 238000007639 printing Methods 0.000 title description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000008187 granular material Substances 0.000 claims abstract description 41
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims abstract description 29
- 239000008188 pellet Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 6
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 4
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 4
- ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N calcium nitrate Chemical compound [Ca+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 239000003607 modifier Substances 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 3
- 239000012190 activator Substances 0.000 claims description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 3
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 2-(3-bromo-2-fluorophenyl)acetic acid Chemical compound OC(=O)CC1=CC=CC(Br)=C1F PAWQVTBBRAZDMG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims description 2
- CJZGTCYPCWQAJB-UHFFFAOYSA-L calcium stearate Chemical compound [Ca+2].CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O.CCCCCCCCCCCCCCCCCC([O-])=O CJZGTCYPCWQAJB-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- 235000013539 calcium stearate Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000008116 calcium stearate Substances 0.000 claims description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002817 coal dust Substances 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 2
- 235000013312 flour Nutrition 0.000 claims description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 2
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002023 wood Substances 0.000 claims description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 23
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 12
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 8
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 6
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 5
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 5
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 4
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 3
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N Nitrous Oxide Chemical group [O-][N+]#N GQPLMRYTRLFLPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 229910000323 aluminium silicate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 2
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 150000004645 aluminates Chemical class 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002453 autothermal reforming Methods 0.000 description 1
- 239000012876 carrier material Substances 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001193 catalytic steam reforming Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000009849 deactivation Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- DLINORNFHVEIFE-UHFFFAOYSA-N hydrogen peroxide;zinc Chemical compound [Zn].OO DLINORNFHVEIFE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 239000001272 nitrous oxide Substances 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N potassium nitrate Chemical class [K+].[O-][N+]([O-])=O FGIUAXJPYTZDNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000007569 slipcasting Methods 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
- 229910052845 zircon Inorganic materials 0.000 description 1
- GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N zirconium(iv) silicate Chemical compound [Zr+4].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
-
- B01J35/30—
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C64/00—Additive 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
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.
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.
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).
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 °).
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.
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)
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)
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)
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 |
-
2019
- 2019-03-21 RU RU2019108187A patent/RU2734425C2/en active
Patent Citations (3)
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)
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 |