Разработка научных основ комплексных энергоэффективных методов глубокой переработки углеводородных ресурсов с получением ценных химических продуктов

Отчет 179 с., 1 кн., 72 рис., 10 табл., 200 источн. УГЛЕВОДОРОДНОЕ СЫРЬЕ, ГАЗОФАЗНЫЕ ПРОЦЕССЫ, КИНЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ФИЛЬТРАЦИОННОЕ ГОРЕНИЕ, КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ГИДРИРОВАНИЕ И ДЕГИДРИРОВАНИЕ, МАКРОКИНЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, СВЕРХАДИАБАТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ, РЕАКТОР ВЫТЕСНЕНИЯ, СВЕРХКРИТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ (СКФ), ТЕХНОЛОГИИ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ВОДОРОДА Цель работы - проведение исследований по созданию принципиально новых технологий переработки углеродсодержащего сырья, включая переработку природного и попутного газа в оксигенаты и олефины; изучение процессов фильтрационного горения в режиме со сверхадиабатическим разогревом и возможностей использования процесса в перерабатывающей промышленности, энергетике, сельском хозяйстве и др.; создание мембранных и мембранно-каталитических процессов; применение новых каталитических технологий, создание и исследование новых катализаторов для разрабатываемых процессов. Актуальность работ определяется приоритетом реализации, определенным п. 20б СНТР «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии». В частности, повышение эффективности глубокой переработки углеводородного сырья возможно с разработкой некаталитических процессов прямой переработки углеводородов переменного состава, разработки последующих высокоселективных каталитических процессов получения ценных продуктов более высоких переделов, с использованием многоуровнегого моделирования и оптимизации параметров химико-технологических процессов. Работа выполнялась по следующим направлениям: 1. Разработка научных основ процессов энергоэффективной окислительной конверсии углеводород- и углеродсодержащего сырья в полупродукты для получения ценных химических соединений; 2. Разработка научных основ новых энергоэффективных каталитических процессов получения ценных химических продуктов; 3. Разработка научных основ моделирования и оптимизации энергоэффективности новых химико-технологических процессов. Основные результаты, полученные в 2021 году по указанным направлениям: 1. Показана возможность увеличения выхода водорода в процессах матричной конверсии метана на 25% и снижения содержания ацетилена в 10 раз за счет управления процессами в послепламенной зоне реактора. Теоретически рассмотрена паровоздушная газификация угольной пыли в режиме фильтрационного горения в реакторе с движущимся слоем и противотоком твердого гранулированного теплоносителя. Предложена процедура оптимизации процесса и показано, что процесс даёт возможность совместить достоинства газификации в потоке и газификации в плотном слое. Проанализированы различные способы выделения СО из газовых смесей для обеспечения рецикла процесса парциального окисления метана в метанол. 2. Исследовано влияние добавок гетероатомсодержащих соединений (на примере пиперидина и пиридина) на свойства катализаторов Pt/TiO2 и Ir/TiO2 в реакциях восстановления ароматических нитросоединений, Показано, что порядок ввода добавок существенно изменяет количественные характеристики процесса. Проведен анализ причин снижения активности стеклотканых катализаторов после пробега в реакторах каталитической очистки. Оценены возможности использования катализаторов на стекловолокнистой основе для очистки газов от различных органических соединений. Изучено состояние исследований в области создания технологий хранения и транспортировки водорода с использованием жидких органических носителей. Проведена характеризация потенциальных носителей катализаторов, в том числе координационных полимеров на основе переходных металлов и сетчатых полимеров на основе N-винилпирролидона. 3. Исследованы закономерности химического превращения в гетерогенной системе газ–жидкость в противоточном реакторе вытеснения. Получены соотношения, описывающие межфазный теплообмен с учетом расстояния между частицами. Определены закономерности эволюции температурных и концентрационных полей при выходе реактора на стационарный режим. Разработана методика изучения динамики процессов в среде сверхкритического флюида: экстракции, сушки, фазовых переходов и т.п., и сконструирован дополнительный блок к лабораторной реакционной СКФ системе для ее осуществления. Полученные результаты могут быть использованы при создании современных энергоэффективных процессов переработки углеводород- и углеродсодержащего сырья с получением ценных химических продуктов, энергоносителей (включая водород) и электроэнергии. Основными направлениями внедрения полученных в 2021 году результатов будут являться: разработка новых энергоэффективных процессов переработки углеводородых газов (включая природный и попутный нефтяной газ) в синтез-газ, водород (в том числе для питания низкотемпературных топливных элементов) и ценные нефтехимические продукты; усовершенствование и оптимизация технологии сверхадиабатической переработки твердых углеродсодержащих топлив с целью увеличения её энергоэффективности; разработка научных основ новых каталитических процессов получения высокоценных продуктов (гидрирование, оксикарбонилирование), отличающихся управляемой селективностью; разработка новых подходов к созданию реакторного оборудования для химико-технологических процессов на основе уточненных математических моделей; создание комбинированного процесса нанесения полимерных и композиционных покрытий на основе неизотермической полимеризации с последующим диспергированием полимера в среде сверхкритического флюида. Значимость и новизна полученных результатов состоит в создании фундаментальных основ для разработки принципиально новых химических технологий, а также в разработке новых методологических подходов, позволяющих совмещать энергоэффективные некаталитические процессы первичной переработки углеводородного сырья с высокоселективными каталитическими процессами последующих переделов, что возможно с использованием современных многоуровневых моделей процессов. Развитие указанных выше технологий возможно в среднесрочный период (5 – 10 лет до промышленной реализации).