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

Отчет 275 с., 132 рис., 45 табл., 205 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 путем разработки некаталитических процессов прямой переработки углеводородов переменного состава, разработки последующих высокоселективных каталитических процессов получения ценных продуктов более высоких переделов, с использованием многоуровневого 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. Моделирование и оптимизация энергоэффективности новых химико-технологических процессов. 4. Разработка физико-химических основ создания новых материалов для химико-технологических процессов Основные результаты, полученные в 2022 году по указанным направлениям: 1. Изучено состояние и перспективы развития научных и прикладных разработок в области применения метано-водородных смесей в качестве перспективного экологически чистого низкоуглеродного топлива. Разработана математическая модель для описания режимов работы газогенератора с рециклом генераторного газа. Рассмотрены режимы работы противоточного газогенератора плотного слоя с рециклом части генераторного газа применительно к задаче термической переработки/обезвреживания медицинских отходов (МО). Предложена методика оптимизации процесса и проведён расчет режимов горения для модельных составов, воспроизводящих типичные МО. Продемонстрирована возможность эффективного получения водорода высокой чистоты паровой конверсией этана в мембранном реакторе с фольгой из Pd-Ru сплава и промышленным никелевым катализатором. 2. Экспериментально показана возможность получения метанола из синтез-газа с относительно низким соотношением H2/CO = 1,8 – 2,2 на катализаторах низкотемпературной конверсии СО. Исследованы изменения поверхностных и поровых характеристик катализаторов конверсии синтез-газа и выработаны предложения по оптимизации их состава. Разработана методика хроматографического определения компонентов в реакционной смеси. Исследовано влияние добавок соединений, содержащих гетероатом с неподелённой парой электронов (на примере пиперидина) на свойства катализаторов Pd/ZrO2 и Ir/ZrO2 в реакциях восстановления ароматических нитросоединений. 3. В зависимости от параметра, характеризующего массообмен между гетерогенными фазами, проведены расчеты динамики экзотермического процесса системы газ–жидкость для противоточного реактора вытеснения. Изучен процесс сверхкритической сушки эпоксидных аэрогелей с использованием метода измерения коэффициента преломления флюида в режиме реального времени. Определены оптимальные условия проведения процесса. Получены образцы аэрогелей. 4. Изучено окисление матриц из фехралевого сплава в условиях проведения процесса некаталитической конверсии углеводородных газов Показано, что скорость окисления в условиях воздействия разогретых углеводородных газов значительно выше соответствующей при отжиге на воздухе при прочих равных условиях. Обнаруженные трещины вдоль границ раздела переходной области «сплав-оксид» могут являться причиной разрушения проволочных матриц в рассматриваемых условиях. Методами компьютерного моделирования построен цифровой двойник сплава Fe-23%Cr-4%Al. Обнаружено формирование зернограничных сегрегаций с кратным превышением концентрации алюминия и хрома на границах зерен по сравнению с их средней концентрацией в объеме. 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 2022 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 получения аэрогелей с сушкой 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).