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

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 22-73-10015

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

Руководитель Елышев Андрей Владимирович, Кандидат химических наук

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

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 слова Катализ, 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

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мотаев К., Молокеев М., Султанов Б., Харитонцев В., Матигоров А., Пальянов М., Азарапин Н., Елышев А. Application of Machine Learning to Fischer-Tropsch Synthesis for Cobalt Catalysts Industrial & Engineering Chemistry Research (год публикации - 2023)
10.1021/acs.iecr.3c03147

2. Сибаа Мохамд, Харитонцев В.Б., Загоруйко А.Н., Елышев А.В. Гидрогенолиз пропана на модифицированных микроволокнистых катализаторах с получением синтетического метана Сборник тезисов. Конференция Центра компетенций НТИ, C.92-93 (год публикации - 2023)

3. Созонов М.В.,Зажигалов С.В., Загоруйко А.Н., Елышев А.В. CFD модель гидрогенолиза газового конденсата XXV Международная конференция по химическим реакторам (ХимРеактор-25), Сборник тезисов, с. 244 (год публикации - 2023)

4. Баранов Д.В., Елышев А.В., Лопатин С.А., Загоруйко А.Н. Глубокое окисление толуола на стекловолокнистых катализаторах в структурированных картриджах различной геометрии Катализ в промышленности (год публикации - 2024)

5. Абдулла О.Б., Зажигалов С.В., Елышев А.В., Загоруйко А.Н. Description of the kinetics of oxidative regeneration of hydroprocessing catalysts based on the model of two forms of coke Chemical Engineering Journal (год публикации - 2024)

6. Сибаа М., Кадыров Т.Р., Харитонцев В.Б., Загоруйко А.Н., Елышев А.В. Применения никелевых структурированных микроволокнистых катализаторов для процесса гидрогенолиза компонентов газового конденсата в транспортируемые компоненты природного газа II International scientific conference «Catalysis for a Sustainable World», С. 60-63 (год публикации - 2023)

7. Сибаа М., Харитонцев В.Б., Загоруйко А.Н., Елышев А.В. Ni-содержащий стекловолокнистый катализатор для процесса гидрогенолиза пропана: взаимосвязь активности и методов приготовления катализаторов Х Международная российско-казахстанская научно-практическая конференция «ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ», С. 15-18 (год публикации - 2024)

8. Созонов М.В., Зажигалов С.В., Сибаа М., Елышев А.В. Определение кинетических коэффициентов реакции гидрогенолиза пропана с помощью CFD моделирования и инструментов оптимизации III МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫМ ИССЛЕДОВАНИЯМ, С. 11 (год публикации - 2023)

9. Я.А. Михайлов, М.В. Григорьев, К.А. Мотаев, А.В. Матигоров, С.А. Лопатин, А.Н. Загоруйко, А.В. Елышев Efficiency study of nickel-containing glass-fiber catalysts for CO2 methanation e-Prime - Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, e-Prime - Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, 2024, 10, 100774 (год публикации - 2024)
10.1016/j.prime.2024.100774

10. Сибаа М., Харитонцев В.Б., Азарапин Н.О., Бона Лу, Загоруйко А.Н., Елышев А.В. Применение никельсодержащих структурированных микроволокнистых катализаторов для процесса гидрогенолиза пропана Катализ в промышленности, Том: 24 Номер: 5 Год: 2024 Страницы: 14-24 (год публикации - 2024)
10.18412/1816-0387-2024-5-14-24

11. Сибаа М., Харитонцев В.Б., Загоруйко А.Н., Елышев А.В. Ni-содержащий стекловолокнистый катализатор для процесса гидрогенолиза пропана: взаимосвязь активности и размеров кристаллитов активного компонента Динамические процессы в каталитических структурах. Материалы Международной конференции. Новосибирск, 2024. Издательство: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук, В сборнике Международная конференция «Динамические процессы в каталитических структурах» (ДПКС 2024), Сборник тезисов, (28 октября – 1 ноября 2024 г., Тюмень, Россия) [Электронный ресурс]. – ИК СО РАН., 2024. – C.106-107. (год публикации - 2024)

12. Мотаев К.А., Мохамд С., Азарапин Н.О., Молокеев М.С., Елышев А.В. Применения метода случайного леса при разработке катализатора для процесса гидрогенолиза этана Гидропроцессы в катализе : Сборник тезисов V Научно-технологического симпозиума, Сочи, 03–06 октября 2024 года. – Новосибирск: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук, Применения метода случайного леса при разработке катализатора для процесса гидрогенолиза этана / К. А. Мотаев, С. Мохамд, Н. О. Азарапин [и др.] // Гидропроцессы в катализе : Сборник тезисов V Научно-технологического симпозиума, Сочи, 03–06 октября 2024 года. – Новосибирск: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук, 2024. – С. 131-132. (год публикации - 2024)

13. Елышев А.В., Загоруйко А.Н. Новые каталитические процессы на основе микроволокнистых катализаторов Динамические процессы в каталитических структурах. Материалы Международной конференции. Новосибирск, 2024. Издательство: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук, Страницы: 133-134 (год публикации - 2024)

14. Созонов М.В., Зажигалов С.В., Сибаа М., Харитонцев В.Б., Елышев А.В. Определение кинетики реакции гидрогенолиза пропана для технологии конверсии газового конденсата Химия. Экология. Урбанистика: материалы всероссийской научно-практической конференции (с международным участием), В сборнике Химия. Экология. Урбанистика: материалы всероссийской научно-практической конференции (с международным участием) : в 4 т.. – ПНИПУ., 2024. – Т.2. – C.91-93. (год публикации - 2024)

15. Хавьер Хурадо, Фернандо Трехо, Хорхе Анчейта, Андрей Елышев, Андрей Загоруйко Revisiting the Kinetic Modeling of Methane Autothermal Reforming Reactions Industrial and Engineering Chemistry Research, Ind. Eng. Chem. Res. 2025, 64, 4, 2061–2068 (год публикации - 2025)
10.1021/acs.iecr.4c04164

16. Осман Б. Абдулла, Сергей В. Зажигалов, Андрей В. Елышев, Андрей Н. Загоруйко Kinetic model for oxidative regeneration of spent hydroprocessing catalysts based on multiply forms of surface coke and sulfur Chemical Engineering Science, Chemical Engineering Science, Volume 310, 2025, 121534 (год публикации - 2025)
10.1016/j.ces.2025.121534

17. Хавьер Хурадо, Фернандо Трехо, Хорхе Анчейта, Андрей Елышев, Андрей Загоруйко Comparison of Reactor Models for Simulation of Autothermal Reforming of Methane International Journal of Hydrogen Energy, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 132, Pages 253-269 (год публикации - 2025)
10.1016/j.ijhydene.2025.04.372

18. Мохамд Сибаа, Кирилл Мотаев, Максим Молокеев, Никита Азарапин, Алина Петришена, Алексей Матигоров, Андрей Загоруйко, Андрей Елышев Optimization of Nickel-Based Catalysts for Hydrogenolysis of Light Paraffins Using Machine Learning Catalysis Science and Technology (год публикации - 2025)
10.1039/d5cy00024f

19. Сергей Зажигалов, Мохамд Сибаа, Максим Созонов, Андрей Елышев, Андрей Загоруйко Mathematical modeling of autothermal light paraffins hydrogenolysis processes Energy, Energy, Volume 319, 134996 (год публикации - 2025)
10.1016/j.energy.2025.134996

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Наработаны лабораторные партии различных Ni-содержащих микроструктурированных катализаторов, оптимизированных на 1 и 2 этапе выполнения научного проекта для укрупненных лабораторных испытаний в процессах гидрогенолиза углеводородов. При синтезе катализаторов на этапе выработки рекомендаций по катализаторам активно применялись современные методы машинного обучения и искусственного интеллекта. Для исследования каталитической активности лабораторной партии стекловолокнистых катализаторов создан укрупненный лабораторный экспериментальный стенд для исследования процессов гидрогенолиза углеводородов и разработана методика укрупненных лабораторных испытаний. Проведены исследования синтезированных катализаторов. Было обнаружено, что удельная активность таких катализаторов в десятки раз выше, чем у традиционного промышленного катализатора на основе алюмооксидного носителя. На основании экспериментальных данных построена кинетическая модель реакций гидрогенолиза, на ее основе построены расчетные модели каталитических реакторов для исследования процесса гидрогенолиза углеводородов. Показано, что за счет применения реверс-процесса можно обеспечить полную автотермичность гидрогенолиза легких парафинов, то есть входной газ может подаваться в реактор в реверс-процессе без какого-либо предварительного подогрева, например, при температуре окружающей среды, с полной конверсией пропана при технологически приемлемой длительности циклов между сменами направления потока (до ~860 с). Выданы рекомендации по практическому применению разработанных технологий в области глубокой переработки углеводородов, а именно для процесса гидрогенолиза углеводородов на основе микроволокнистых катализаторов. Важным преимуществом СВК является возможность их организации в структурированные картриджи, отличающиеся высокой интенсивностью массообмена. Это дает СВК дополнительные преимущества перед традиционным катализатором, для которого при переходе от мелкой фракции, использованной в каталитических испытаниях, к гранулам будут возникать более существенные диффузионные ограничения, еще более снижающие его наблюдаемую активность. Можно резюмировать, что никельсодержащие СВК, синтезированные методом ИПТ, и структурированные каталитические картриджи на их основе весьма перспективны для применения в перспективных каталитических технологиях гидрогенолиза парафинов, в частности, для переработки газового конденсата в метан.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Планируемые в ходе продолжения реализации проекта результаты и технологические решения будут использованы для разработки каталитических систем, структурированных в широком масштабном диапазоне – от активных центров нанометровых размеров к микронитям и микрогранулам микронного размера и до структурированных каталитических блоков с характерными размерами мм-см, с обеспечением максимально эффективного взаимодействия между уровнями, так же автотермичные процессы ориентированные на достижение максимальной энергетической эффективности, минимальной капитальной стоимости и высокой компактности каталитических установок за счет применения внутреннего переноса тепла в каталитических структурах с повышенной теплопроводностью и за счет использования регенеративного теплообмена вместо рекуперативного. Компания ООО «СИБУР-Инновации» подтвердила официальным письмом заинтересованность в реализации научных исследований по тематике проекта на базе ТюмГУ, при задействовании лаборатории теории и оптимизации химических и технологических процессов, направленных на создание благоприятных условий для импортозамещения в нефте- и газохимической промышленности России.