ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИ; МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ И ГОРЕНИЯ.

РЕФЕРАТ Отчет 49 с., 1 кн., 17 рис., 1 табл. ПРИРОДНЫЙ ГАЗ, МЕТАН, СИНТЕЗ-ГАЗ, ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, КРЕКИНГ, ВОСПЛАМЕНЕНИЕ, ЗАДЕРЖКИ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ, ГОРЕНИЕ, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ХИМИЧЕСКАЯ ИОНИЗАЦИЯ, ГОМОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ, МЕТАЛЛОКОМПЛЕКСЫ Объектом исследования являются газофазные и жидкофазные системы окислительной конверсии и функционализации органических соединений, в том числе легких алканов, входящих в состав природных и попутных газов. Цель работы – исследование фундаментальных закономерностей окислительных превращений легких алканов, входящих в состав природных и попутных газов и нефти, а также соответствующих им непредельных соединений, разработка методов и технологических процессов их превращения в химические продукты с высокой добавленной стоимостью. Проведен комплекс исследований процессов парциального окисления углеводородных газов, связанный с разработкой принципиально нового некаталитического процесса их матричной конверсии в синтез-газ и водород и процессов прямой конверсии природного газа в химические продукты. Показана принципиальная возможность утилизация CO2 путем его вовлечения в некаталитический матричный риформинг углеводородов для повышения выхода синтез-газа. На основе матричного риформинга предложен и реализован на уровне демонстрационной установки производительностью 5 м3/ч метод производства водорода из природного и попутного газа, а также биогаза. На основе процессов парциального окисления природного газа предложена альтернативная технология конверсии углеводородных газов в жидкие продукты (GTL процессов) с высокой добавленной стоимостью, не требующая предварительной энергоемкой стадии их конверсии в синтез-газ. Разработан процесс селективного оксикрекинга тяжелых компонентов попутных нефтяных газов (ПНГ), позволяющий получать из них кондиционное газомоторное топливо, сократить потери этого ценного сырья, экологические последствия его сжигания и обеспечить промыслы собственным топливом. Проведен анализ различных вариантов организации технологического процесса прямого окисления природного газа в метанол. Проведены экспериментальные исследования задержки самовоспламенения метановодородных смесей различного состава в бомбе постоянного объема и их кинетическое моделирование, показавшие сложное влияние температуры, состава смеси и давления на процесс воспламенения, в том числе наличие экстремальных зависимостей. Предложена кинетическая интерпретация наблюдаемых явлений. Установлено, что добавки водорода до 40% слабо влияют на скорость горения метановодородных смесей, что позволяет при работе с ними ограничиться соблюдением норм и правил, выработанных для работы с метаном. Методикой ударной трубы исследована зависимость задержки самовоспламенения синтез-газа от его состава. Продолжалась разработка нового метода диагностики низкотемпературной плазмы с химическими реакциями ионизации по измерению токов смещения на электрический зонд с изолированной поверхностью. Для анализа возможности дополнительных каналов образования первичных положительных ионов проведены расчетно-теоретические исследования ионного состава плазмы, образующейся при химической ионизации. Была исследована каталитическая активность ряда комплексов железа, меди и ванадия, в частности, с лигандами, содержащими азот либо кремний/германий, в реакциях окисления углеводородов, индуцированных пероксидами, которые распадаются с генерацией радикалов ОН. Реакции каталитической оксигенации углеводородов в мягких условиях изучали в ацетонитриле и в воде, при температурах, не превышающих 60°С. Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели: На основе матричного риформинга предложен и реализован на уровне демонстрационной установки производительностью 5 м3/ч метод производства водорода из природного и попутного газа, а также биогаза. Разработан процесс селективного оксикрекинга тяжелых компонентов попутных нефтяных газов (ПНГ), позволяющий получать из них кондиционное газомоторное топливо. Задержку самовоспламенения и скорость горения метан-водород-воздушных смесей исследовали экспериментально и путем кинетического моделирования непосредственно в условиях, соответствующих рабочему процессу в двигателе внутреннего сгорания (Т = 600–1000 К, Р = 1–15 атм). Значение полученных результатов определяется их фундаментальным характером и принципиальной научной и практической новизной. Рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР: Разработанный процесс конверсии углеводородных газов в водород прошел испытания на демонстрационной установке и готов к опытно-промышленной реализации. Установленный характер влияния добавок водорода, СО, синтез-газа и паров воды на процесс матричной конверсии природного газа в синтез-газ позволит оптимизировать процесс и состав получаемого синтез-газа. Малотоннажная конверсия биогаза в жидкие углеродсодержащие продукты или водород позволит более эффективно использовать это возобновляемое сырье в локальной энергетике. Результаты исследования моторных характеристик метан-углеводородных и метан-водородных топлив необходимы для оценки перспектив практического применения сложных газовых смесей и водорода на транспорте, в том числе при частичной конверсии в водород традиционных топлив непосредственно на борту транспортного средства. Исследование процессов ионизации при горении является основой для разработки новых методов диагностики процессов горения, их контроля и управления ими. Каталитическая оксигенация углеводородов в мягких условиях на основе использования металлокомплексных катализаторов является перспективной целью газохимии и нефтехимии, над которой работают исследователи ведущих научных центров мира. По результатам работ 2019–2021 гг. опубликованы 65 статей в журналах, индексируемых в WoS, Scopus, РИНЦ. Из них 15 опубликовано в журналах первого квартиля, 11 в журналах второго квартиля, 16 в журналах третьего квартиля и 5 в журналах четвертого квартиля. Опубликованы также 1 монография и 3 главы в сборниках. Получены 3 патента, 2 из которых отмечены наградами. Патент РФ №2688932 «Способ переработки нефтезаводских газов» награжден Федеральной службой по интеллектуальной собственности в номинации «100 лучших изобретений России за 2019 и первое полугодие 2020 года». Получена серебряная медаль 23-го Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед». Защищена 1 кандидатская диссертация, 1 кандидатская диссертация представлена к защите. Результаты проведенных исследований представлены в 26 докладах на всероссийских и международных конференциях, из которых 5 пленарных и ключевых.