КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 22-73-10015

НазваниеРазработка и многоуровневая оптимизация структурированного микроволокнистого катализатора с повышенной теплопроводностью и теоретических основ процесса конверсии газового конденсата на его основе

РуководительЕлышев Андрей Владимирович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Тюменский государственный университет", Тюменская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2022 - 06.2025

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-407 - Фундаментальные проблемы химической технологии

Ключевые словаКатализ, газовый конденсат, природный газ, конверсия, микроволокнистые катализаторы, синтез-газ, водород, метан, гидрогенолиз

Код ГРНТИ61.51.21

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на разработку и многоуровневую (от нано- до макроуровня) оптимизацию структурированного микроволокнистого катализатора с повышенной теплопроводностью и теоретических основ процесса конверсии газового конденсата (далее - ГК) на его основе. ГК (смесь жидких углеводородов фракции C5+) является традиционным побочным продуктом для газо- и нефтедобывающих компаний в процессе добычи углеводородов, который представляет ценность для производства бензинов, реактивных и дизельных топлив, а также может быть использован для комплексной нефтехимической переработки с получением высокооктановых компонентов, растворителей, ароматических углеводородов, спиртов, различных ингибиторов, а также синтетических волокон и пластмасс. Однако, транспорт ГК от удаленных месторождений с относительно небольшими объемами добычи к местам переработки нерентабелен из-за высоких капитальных затрат на создание инфраструктуры для подготовки и транспортировки ГК. Это приводит к недостаточному уровню переработки, экологическим проблемам (загрязнение окружающей среды углеводородами, выбросы парниковых газов – СО2, метан) и снижению объема производства ценных продуктов с высокой добавленной стоимостью [1]. Такие месторождения по экономическим соображениям не могут быть связаны между собой транспортными трубопроводами, поэтому работой с ГК до недавнего времени занимались по остаточному принципу, и в качестве серьезного ресурса нефтегазовыми компаниями не рассматривался, а встречающийся в залежах с высоким газовым фактором ГК просто сжигается вместе с попутным нефтяным газом (далее - ПНГ), или в отсутствие систем раздельного сбора и транспорта продуктов скважин на установках подготовки смешивался с товарной нефтью. Перспективным вариантом решения этой проблемы является гидрогенолиз компонентов ГК до легких парафинов, в первую очередь метана, который может далее транспортироваться вместе с основным потоком добываемого природного газа (далее - ПГ). Водород для гидрогенолиза при этом может получаться за счет паровой или окислительной конверсии самого ГК. Традиционно в этой сфере используют технологии на основе гранулированных или блочных керамических каталитических систем. Однако, такие каталитические системы характеризуются существенным диффузионным торможением каталитических реакций, и низкой теплопроводностью. Последний фактор обуславливает высокую сложность управления тепловыми режимами протекания целевых реакций в силу их высоких тепловых эффектов, приводящей к необходимости использования дорогих и сложных в управлении реакторов и теплообменной обвязки. В итоге, такие технологии имеют низкую или отрицательную рентабельность. Существенный прогресс в этой области может быть достигнут за счет применения катализаторов на основе стекловолокнистых носителей [2-4]. Главным достоинством таких каталитических систем является возможность формирования структурированных картриджей, обладающих уникально высоким соотношением интенсивности массообмена к удельному гидравлическому сопротивлению [5, 6]. Такие катализаторы оригинальны, не имеют зарубежных аналогов и обладают высоким потенциалом как в области импортозамещения в стратегически важных сферах, так и в сфере развития высокотехнологичного экспорта. На сегодня, высоко актуальной научной и практической задачей является преодоление технологического барьера, связанного с разработкой новых каталитических технологий с низкими капитальными затратами для эффективной и глубокой переработки ГК на основе структурированных микроволокнистых катализаторов, в том числе стекловолокнистых катализаторов (далее - СВК) с повышенной теплопроводностью. Высокая теплопроводность каталитических картриджей на основе микроволокнистого катализатора, достигаемая за счет целенаправленного использования металлических структурирующих элементов, позволит существенно упростить процедуру управления тепловыми режимами процессов паровой/окислительной конверсии ГК и его гидрогенолиза, а также существенно упростить и удешевить каталитические реактора и их теплообменную обвязку, и таким образом снизить их капитальную стоимость до экономически приемлемого уровня. Основным методом синтеза разрабатываемых структурированных микроволокнистых катализаторов является метод вакуумного нанесения и высокодисперсного напыления раствора прекурсора активного компонента катализатора. В качестве активных компонентов катализаторов будут рассматриваться различные композиции на основе переходных металлов, в первую очередь – никеля (для стадии паровой конверсии и метанирования ГК), а также на основе благородных металлов, в частности, платины (для стадии паровой/кислородной конверсии). Метод позволит нанести частицы активного компонента на поверхность стекловолокнистого материала без вторичного носителя в вакуумной камере, исключая появление примесей, и получить тонкие плёнки толщиной ~30 нм с высокой адгезией и однородностью по составу. Метод дает возможность относительно просто варьировать состав плёнки активного компонента на поверхности носителя и достаточно точно контролировать толщину, что исключает перерасход материала. При этом также реализуется возможность синтеза активного компонента в виде мелкодисперсных поверхностных частиц, отличающихся высокой удельной каталитической активностью [7-11]. Важным достоинством этого метода также является его безотходность и возможность использования в качестве носителя недорогих и доступных силикатных стеклотканей [12]. В рамках данного проекта предполагается решить три основных задачи: 1. Разработать и оптимизировать принципиально новые конструкции каталитических картриджей, химических реакторов на их основе, в том числе с использованием методов гидродинамического и теплофизического моделирования тепловых и реакционных процессов с помощью программного комплекса мультифизического моделирования ANSYS FLUENT; 2. Провести верификацию результатов гидродинамического и теплофизического моделирования структурированного стекловолокнистого катализатора, конструкции каталитических картриджей и реакторов на их основе, оптимизированных на нано- и микроуровне; 3. Разработать теоретические основы нового процесса конверсии ГК в транспортируемые компоненты ПГ, конструкции каталитических картриджей и реакторов на их основе, оптимизированных на мили- и мезоуровне. В итоге выполнения работ будет получен комплекс научной и технической информации – от фундаментальных знаний в сфере катализа, поверхностной химии и теоретических основ химической технологии до практических рекомендаций по производству катализатора и разработке промышленных технологий конверсии ГК в транспортируемые компоненты ПГ. В работе будут широко задействованы методы и подходы из разных областей науки – катализа, физической химии, механики сплошных и дисперсных сред, гидродинамики, тепло- и массообмена, теплофизики, математического моделирования, инженерных наук, что обеспечивает очевидно мультидисциплинарный характер исследования. Концептуальная новизна подхода базируется на идее многоуровневого структурирования каталитических систем, в которой оптимизация на каждом масштабном уровне (от нанометров до метров) с учетом межмасштабного взаимодействия между этими уровнями, обеспечивает достижение максимально возможного эффекта. Литература: 1. Выбросы метана в нефтегазовой отрасли. Аналитический центр при правительстве РФ. Энергетический бюллетень. Июль 2020. 28 с. 2. Glass-fiber catalysts: Novel oxidation catalysts, catalytic technologies for environmental protection / B.S.Balzhinimaev, E.A.Paukshtis, S.V.Vanag, A.P.Suknev, A.N.Zagoruiko // Catalysis Today, 2010, v.151, pp.195-199; 3. Структурированный стеклотканный катализатор ИК-12-С111 для глубокого окисления органических соединений. Катализ в промышленности / С.А. Лопатин, П.Г. Цырульников, Ю.С. Котолевич, П.Е. Микенин, Д.А. Писарев, А.Н. Загоруйко // 2015, № 3, с.67-72; 4. Каталитический процесс дожига отходящих газов с использованием платинового стекловолокнистого катализатора ИК-12-С102 / А.Н.Загоруйко, С.А.Лопатин, Б.С.Бальжинимаев, Н.Р.Гильмутдинов, Г.Г.Сибагатуллин, В.П.Погребцов, И.Ф.Назмиева // Катализ в промышленности, 2010, №2, с.28-32; 5. Pressure drop and mass transfer in the structured cartridges with fiber-glass catalyst / S.Lopatin, P.Mikenin, D.Pisarev, D.Baranov, S.Zazhigalov, A.Zagoruiko // Chemical Engineering Journal, 2015, v.282, pp.58-65; 6. Novel structured catalytic systems ‐ cartridges on the base of fibrous catalysts / A.N.Zagoruiko, S.A.Lopatin, P.E.Mikenin, D.A.Pisarev, S.V.Zazhigalov, D.V.Baranov // Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2017, v.122, pp.460-472; 7. Elyshev A., Larina T., Cherepanova S., Mikenin P., Lopatin S., Zazhigalov S., Pisarev D., Baranov D., Zagoruiko A. Physical and chemical properties of CuCr2O4-based glass fiber catalyst synthesized by surface thermo-synthesis method. In proc. of II Scientific Technological Symposium “Catalytic Hydroprocessing In Oil Refining”, Belgrade, Serbia, April 17 23, 2016, pp.113-114; 8. Elyshev A., Larina T., Cherepanova S., Mikenin P., Lopatin S., Zazhigalov S., Pisarev D., Baranov D., Zagoruiko A. Physical and chemical properties of FeOx-based glass fiber catalyst synthesized by surface thermo-synthesis method. In proc. of II Scientific Technological Symposium “Catalytic Hydroprocessing In Oil Refining”, Belgrade, Serbia, April 17 23, 2016, pp.115-116; 9. А.В.Елышев, Д.В.Баранов, С.А.Лопатин, Д.А.Писарев, С.В.Зажигалов, П.Е.Микенин, А.Н.Загоруйко. Состояние активных оксидных компонентов в стекловолокнистых катализаторах со вторичным носителем. В сб. материалов 2-ой международной Российско-Казахстанской научно-практической школы-конференции «Химические технологии функциональных материалов», Алматы, Казахстан, 26-27 мая 2016 г., стр.123-125; 10. S.Zazhigalov, A.Elyshev, S.Lopatin, T.Larina, S.Cherepanova, P.Mikenin, D.Pisarev, D.Baranov, A.Zagoruiko. Copper-chromite glass fiber catalyst and its performance in the test reaction of deep oxidation of toluene in air. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 2017, 120(1), pp.247-260; 11. P.Mikenin, S.Zazhigalov, A.Elyshev, S.Lopatin, T.Larina, S.Cherepanova, D.Pisarev, D.Baranov, A.Zagoruiko. Iron oxide catalyst at the modified glass fiber support for selective oxidation of H2S. Catalysis Communications, 2016, v.87, pp.36–40. 12. Receiving thin films of active component on surface of glass-fiber catalysts by method of reactive magnetron sputtering / Elyshev A.V., Yu Udovichenko S., Bobylev A.N., Matigorov A.V., Zagoruiko A.N. // Journal of Physics: Conference Series. 2019. С. 012013

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения работ по проекту будут достигнуты результаты, имеющие значимость для отечественной и мировой науки и решающие научные проблемы для выбранного направления Н2 из Стратегии НТР РФ, в части повышения эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, а именно: 1. Разработаны принципиально новые методики синтеза структурированных микроволокнистых катализаторов с повышенной каталитической активностью при низком содержании активного компонента, в том числе на основе методов вакуумного нанесения и высокодисперсного напыления раствора прекурсора активного компонента, а также обеспечивающие оптимальное распределение активного компонента по поверхности носителя и по объему стеклонитей; 2. Установлены свойства активного компонента, синтезированных образцов стекловолокнистых катализаторов, на основе данных физико-химического охарактеризования, определена активность в реакциях паровой и окислительной конверсии газового конденсата в синтез-газ, а также реакции гидрогенолиза газового конденсата в компоненты природного газа; 3. Установлена взаимосвязь между способом синтеза катализатора, свойствами активного компонента (состояние, дисперсность, специфика поверхностного и объемного распределения) и его каталитической активностью в различных целевых реакциях. Исследована кинетика целевых реакций, построены их кинетические модели; 4. Определены оптимальные катализаторы для процесса конверсии газового конденсата в транспортируемые компоненты природного газа, разработана и оптимизирована простая и безотходная методика их производства в пилотном масштабе, наработаны партии оптимальных катализаторов для пилотных испытаний (ориентировочный размер пилотных партий для каждого катализатора– от 0.5 до 10 кг); 5. Разработаны и оптимизированы принципиально новые конструкции каталитических картриджей (отличающиеся повышенной теплопроводностью и сверхнизким гидравлическим сопротивлением), химических реакторов на их основе, получены и обобщены экспериментальные данные по перепаду давления и интенсивности массообмена в них в том числе с использованием методов гидродинамического и теплофизического моделирования тепловых и реакционных процессов с помощью программного комплекса мультифизического моделирования ANSYS FLUENT/CFX; 6. Проведена верификация результатов гидродинамического и теплофизического моделирования структурированного стекловолокнистого катализатора, конструкции каталитических картриджей и реакторов на их основе, оптимизированных на нано-микро-мили-мезо-макроуровнях, определены их оптимальные конструкционные параметры; 7. Разработана технологическая схема процесса конверсии газового конденсата в транспортируемые компоненты природного газа, определены оптимальные технологические параметры; 8. Проведены пилотные или укрупненные лабораторные испытания синтезированных катализаторов и разработанных конструкций картриджей и реакторов, выданы рекомендации по практическому применению разработанных технологий в области повышения эффективности глубокой переработки углеводородного сырья. 9. Разработаны теоретические основы нового процесса конверсии газового конденсата в транспортируемые компоненты природного газа, конструкции каталитических картриджей и реакторов на их основе, оптимизированных на нано-микро-мили-мезо-макроуровнях. Полученные в ходе исследования результаты могут стать базой для развития новых направлений переработки углеводородного сырья. Научные достижения по проекту будут опубликованы в ведущих международных журналах (Catalysis Today, Chemical Engineering Journal), а также представлены на ведущих специализированных международных научных конференциях (ChemReactor, Hydrocat, ISCRE/APCRE). В результате выполнения проекта будут созданы теоретические и технологические основы новой высокоэффективной технологии конверсии газового конденсата в транспортируемые компоненты природного газа, основанной на структурированных микроволокнистых катализаторах с повышенной теплопроводностью, которая будет отличаться существенно сниженными капитальными затратами и позволит повысить уровень глубины переработки продуктов добычи природного газа и объем последующего производства ценных продуктов с высокой добавленной стоимостью, а также решить высокоактуальные экологические проблемы (полностью предотвратить выбросы метана и снизить выбросы СО2 не менее, чем на 50%).

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---