Лазерная конверсия природного газа с целевым синтезом водорода и ценных углеводородов

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 проекта 21-19-00429

НазваниеЛазерная конверсия природного газа с целевым синтезом водорода и ценных углеводородов

Руководитель Снытников Валерий Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" , Новосибирская обл

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-204 - Равновесие и кинетика процессов в химически реагирующих системах

Ключевые слова Метан, этилен, этан, каталитический пиролиз, лазерные технологии, наночастицы, лазерный синтез нанопорошков, люминесценция, спектроскопия, оксид алюминия, оксид магния

Код ГРНТИ61.51.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Лазерная конверсия метана – это процесс прямого неокислительного синтеза водорода, этилена и других углеводородов в газопылевом потоке природного газа при воздействии лазерного излучения. Пыль в лазерной конверсии метана (ЛКМ) состоит из каталитически активных частиц с размером в несколько нанометров. Лазерное излучение нагревает наночастицы и создает неравновесность в двухфазной среде «пыль в природном газе». Неравновесность возникает за счет разницы между температурой наночастиц и температурой метана, который не поглощает СО2-лазерное излучение. Метан на активных центрах горячих пылинок распадается с образованием радикалов. Они вылетают в менее нагретый окружающий газ. В нем концентрация радикалов превышает равновесные значения. Высокая концентрация радикалов в газе стимулирует цепные реакции димеризации метана в этан и его последующее дегидрирование. При выходе реакционной среды из-под воздействия лазера наночастицы быстро охлаждаются. Они передают энергию на стенки своим тепловым излучением. Реакции с метаном останавливаются, и в среде происходит «закалка» химического состава с целевыми продуктами. Выбор химической природы каталитических наночастиц, задание их объемной концентрации и параметров лазерного излучения влияют на связанные между собой гетерогенные и гомогенные реакции конверсии метана. Размеры пылинок до двух десятков нанометров обеспечивают в ЛКМ необходимую температуру для первичного разложения метана, способность своего быстрого охлаждения вне лазерного излучения и суммарную поверхность твердой фазы, более чем на порядок превышающую внутреннюю поверхность реактора. Целью проекта является получение кинетических данных по гетерогенным и гомогенным реакциям водорода и основных компонентов реакционной смеси для неравновесной газопылевой среды. Для этого необходимо определить зависимости конверсии метана и выходов продуктов от химической природы наночастиц, от величины их нагрева и от температуры газофазной среды, от числа активных центров разложения метана на поверхности пылинок и от других параметров. Полученные данные будут сведены в вычислительную (CFD – computational fluid dynamics) модель ЛКМ. В ней будут рассчитываться внутренние течения двухфазной среды с интенсивным тепломассообменом между наночастицами и реакционным многокомпонентным газом в присутствии лазерного излучения. Вычислительная модель ЛКМ необходима для реализации масштабного перехода от лабораторных реакторов лазерной конверсии легких алканов к опытно – демонстрационному реактору (ОДР) с большей производительностью по водороду, этилену и другим ценным углеводородам. Высокая актуальность лазерной конверсии метана (ЛКМ) определяется задачами водородной энергетики, поставленными в «Энергетической стратегии Российской Федерации на период до 2035 года». Целями ЛКМ помимо получения водорода является этилен, который представляет собой один из самых многотоннажных полупродуктов в современной мировой экономике, основанной на добыче и потреблении углеводородного сырья. Сегодня при производстве этилена используются этан и другие алканы природного газа, попутные нефтяные газы и часть добываемой нефти. Метан, как основной компонент природного газа, во все нарастающих объемах добывается, транспортируется и потребляется в развитых странах как энергоноситель и химическое сырье. Этот относительно дешевый углеводород рассматривается в большинстве стран как крайне привлекательная сырьевая база для химической промышленности в производстве полупродуктов с высокой добавленной стоимостью. Однако проблема прямой димеризации (конденсации) метана до сих пор не нашла экономически приемлемого научного решения. Проект носит комплексный характер и не имеет мировых аналогов. Его научная новизна для фундаментальных и прикладных исследований состоит в объединении идей и результатов из разных научных областей для решения актуальной проблемы газохимии. Прямая димеризация метана в этилен в двухтемпературной, термодинамически неравновесной среде природного газа и каталитических наночастиц, нагретых лазерным излучением до температуры начала разложения метана, рассматривалась только исполнителями проекта. Успешное решение проблемы прямого получения водорода с этиленом из метана природного газа окажет свое влияние на химические технологии, различные области науки и мировую экономику.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Пескова Е.Е. Numerical modeling of subsonic axisymmetric reacting gas flows Journal of Physics: Conference Series, Volume 2057, 012071, Volume 2057 (2021) 012071, p.1-7 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2057/1/012071

2. Костюков А.И., Зайцева Н.А, Баронский М.Г., Нашивочников А.А., Снытников В.Н. Catalytic Activity of Laser-Synthesized CrOx/Al2O3 Nanocatalysts with Different Particle Sizes in Isobutane Dehydrogenation Journal of Nanoparticle Research, V.24. N7. 144:1-13 (год публикации - 2022)
10.1007/s11051-022-05532-1

3. Ковальский В.Ю., Рузанкин С.П., Снытников В.Н., Зильберберг И.Л. Extremely Low Barrier Activation of Methane on Spin-Polarized Ferryl Ion [FeO]2+ at the Four-Membered Ring of Zeolite Molecular Catalysis, Volume 528, August 2022, 112468 (год публикации - 2022)
10.1016/j.mcat.2022.112468

4. Баронский М.Г., Костюков А.И., Жужгов А.В., Зайцева Н.А, Черепанова С.В., Ларина Т.В., Снытников В.Н. Synthesis, Spectroscopic and Catalytic Properties of FeOx/Al2O3 Nanopowders Prepared by CO2 Laser Vaporization Catalysis Surveys from Asia, AUG 2022, p. 1-14 (год публикации - 2022)
10.1007/s10563-022-09366-8

5. Стояновская О., Лисица В., Аношин С., Маркелова Т. Dispersion Analysis of Smoothed Particle Hydrodynamics to Study Convergence and Numerical Phenomena at Coarse Resolution Lecture Notes in Computer Science, 13375 LNCS, с. 184-197 (год публикации - 2022)
10.1007/978-3-031-10522-7_14

6. Лашина Е.А. , Пескова Е.Е., Снытников В.Н. Математическое моделирование нестационарной температурной конверсии метан-этановых смесей в широком диапазоне температур Химия в интересах устойчивого развития (год публикации - 2023)

7. Баронский М.Г., Поздняков Г.А., Снытников Вл.Н., Снытников В.Н. TEMPERATURE MEASUREMENTS OF THE CONDENSING NANOPARTICLES IN A GAS VAPOR TORCH BY OPTICAL METHODS ХХI International conference on the methods of aerophysical research (ICMAR 2022) : Abstracts. Part I. Novosibirsk, 2022, Abstracts. Part I., 2022, C.19-20 (год публикации - 2022)
10.53954/9785604788967_19

8. Снытников В.Н. Light alkane conversion in a laser reactor ХХI International conference on the methods of aerophysical research (ICMAR 2022) : Abstracts. Part II. Novosibirsk, 2022, Abstracts. Part II., 2022, C.157 (год публикации - 2022)
10.53954/9785604788974_157

9. Пескова Е.Е., Снытников В.Н. Mathematical modeling of ethane-methane mixtures in laser reactors ХХI International conference on the methods of aerophysical research (ICMAR 2022) : Abstracts. Part I. Novosibirsk, 2022, Abstracts. Part I., 2022, C.153-154 (год публикации - 2022)
10.53954/9785604788967_153

10. Пыряев А.Н., Снытников Вл.Н. Газохроматографический анализ продуктов пиролиза метана при лазерном испарении наночастиц CrOx/Al2O3 в метан-аргоновой среде Физика горения и взрыва (год публикации - 2023)

11. Малов К.И., Пескова Е.Е. Исследование пиролиза углеводородных смесей с целью получения ценных продуктов химических реакций МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ И СОЦИАЛЬНЫХ ПРОБЛЕМ. Пенза, 2022. 248 с. Изд.: Пензенский государственный университет., С. 171-176 (год публикации - 2022)

12. Баронский М.Г., Зайцева Н.А., Костюков А.И., Снытников В.Н. ЛАЗЕРНЫЙ СИНТЕЗ И СВОЙСТВА КАТАЛИТИЧЕСКИ АКТИВНЫХ CROX/AL2O3 НАНОЧАСТИЦ ДЛЯ ДЕГИДРИРОВАНИЯ ЛЕГКИХ АЛКАНОВ В сборнике: Химические технологии функциональных материалов. Executive ed. B.S.Bakirova. Издательство: Казахский национальный университет им. аль-Фараби (Алматы), 2022, 315 с., сборник, 2022. С. 35-37 (год публикации - 2022)

13. Костюков А.И., Баронский М.Г., Нашивочников А.А., Снытников В.Н. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ ПО РАЗМЕРАМ В ЛАЗЕРНОМ МЕТОДЕ СИНТЕЗА В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ ХИМИЯ. ЭКОЛОГИЯ. УРБАНИСТИКА, Том: 4, Год: 2022, Страницы: 78-83 (год публикации - 2022)

14. Баронский М.Г., Костюков А.И., Снытников В.Н. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ИОНОВ Fe3+ В НАНОРАЗМЕРНЫХ ПОРОШКАХ FeOX/Al2O3 МЕТОДОМ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ХИМИЯ. ЭКОЛОГИЯ. УРБАНИСТИКА, Том:4, Год: 2022, Страницы: 16-21 (год публикации - 2022)

15. Снытников В.Н., Пескова Е.Е., Стояновская О.П. Модель двухтемпературной среды газ-твердые наночастицы с лазерным пиролизом метана Математическое моделирование, №4, Т. 35, С. 24-50 (год публикации - 2023)
10.20948/mm-2023-04-02

16. Пескова Е.Е., Снытников В.Н., Жалнин Р.В. Вычислительный алгоритм для изучения внутренних ламинарных потоков многокомпонентного газа с разномасштабными химическими процессами КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ, Т. 15, № 5, С. 1169–1187 (год публикации - 2023)
10.20537/2076-7633-2023-15-5-1169-1187

17. Пескова Е.Е., Снытников В.Н. Численное исследование конверсии метановых смесей под воздействием лазерного излучения Журнал Средневолжского математического общества, Т. 25, № 3, С. 159–173 (год публикации - 2023)
10.15507/2079-6900.25.202303.159-173

18. Лашина Е.А., Пескова Е.Е., Снытников В.Н. Mathematical Modeling of the Homogeneous-Heterogeneous Non-Oxidative CH4 Conversion: The Role of Gas-Phase H or CH3 Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, V.136. P.1775–1789. (год публикации - 2023)
10.1007/s11144-023-02442-8

19. Жужгов А.В., Зайцева Н.А, Костюков А.И., Баронский М.Г., Нашивочников А.А., Снытников В.Н. Effect of the LaserSynthesized γ-Al2O3 Support on the Activity of Fe/γ-Al2O3 Nanopowders in Dehydrogenation of Isobutane Molecular Catalysis, V.535. 112892:1-8 (год публикации - 2023)
10.1016/j.mcat.2022.112892

20. Баронский М.Г., Зайцева Н.А., Костюков А.И., Жужгов А.В., Снытников В.Н. Дегидрирование изобутана на наночастицах СrOx/Al2O3, полученных лазерным синтезом в различных газах Кинетика и катализ, Т.64. №5. С.620-630. (год публикации - 2023)
10.31857/S0453881123050015

21. Стояновская О.П., Лисица В.В., Аношин С.А., Савватеева Т.А., Маркелова Т.В. Dispersion Analysis of SPH as a Way to Understand Its Order of Approximation Journal of Computational and Applied Mathematics, V.438. 115495 :1-15 (год публикации - 2024)
10.1016/j.cam.2023.115495

Публикации