Разработка и многоуровневая оптимизация структурированного микроволокнистого катализатора с повышенной теплопроводностью и теоретических основ процесса конверсии попутного нефтяного газа на его основе

Объектом исследования, в ходе выполнения научно-исследовательского проекта, являлся структурированный микроволокнистый катализатор с повышенной теплопроводностью, его разработка и многоуровневая оптимизация, и разработка теоретических основ процесса конверсии попутного нефтяного газа на его основе. Цель научного исследования заключается в многоуровневой (от нано- до макроуровня) оптимизации стекловолокнистых катализаторов (далее – СВК) с повышенной теплопроводностью и разработке теоретических основ конверсии газообразных углеводородов на их основе для преодоления главной проблемы – высокой капитальной стоимости технологии, определяемую большими габаритами существующих реакторов. Методы исследования. В ходе выполнения научно-исследовательского проекта для детального представления о формировании частиц активного компонента СВК на поверхности носителя был задействован комплекс физико-химических методов исследования: (XRD, BET, ASAP, ASAP (Chemi), SEM, TGA). Основным методом синтеза разрабатываемых СВК является процесс поверхностного термосинтеза с предварительным нанесение вторичного носителя SiO2 и прекурсора активного компонента. Каталитические эксперименты по определению перспективных образцов СВК в процессах переработки газообразных углеводородов проводили на экспериментальном стенде (установка Ф-Т). Исследование проницаемости и гидравлического сопротивления, теплопроводности, перепада давления, наблюдаемой активности и интенсивности массообмена новых конструкций каталитических картриджей на основе СВК проводили с помощью специализированного программного обеспечения ANSYS Fluent и экспериментального стенда. Результаты работы и их новизна. Впервые построен патентный ландшафт по тематике исследований проекта и проведен детальный анализ правообладателей в области переработки газообразных углеводородов за последние 20 лет. Входе выполнения научно-исследовательского проекта была открыта первая в УрФО лаборатория цифрового катализа на базе Технологического парка ТюмГУ, сформирован научный коллектив, который обладает компетенциями в сфере создания новых типов катализаторов и каталитических процессов на их основе в широком междисциплинарном спектре от фундаментальных основ до практического внедрения. Установлена связь между параметрами поверхностного термосинтеза и состоянием частиц активного компонента синтезированных образцов СВК. Предложена оптимизированная технология синтеза СВК, отличающихся равномерным распределением активного компонента на поверхности носителя. Проведены исследования каталитической активности синтезированных СВК различного состава и подтверждена перспективность использования СВК в процессе Ф-Т (далее Ф-Т) с получением оптимального соотношения алканов и олефины среднего состава С7-С12. Исследование проницаемости и гидравлического сопротивления, теплопроводности, перепада давления, наблюдаемой активности и интенсивности массообмена показали, что созданные структурированные картриджи на основе СВК отличаются высокой проницаемостью и низким гидравлическим сопротивлением при продольном течении потока, а использование металлических структурирующих элементов в них не только позволяет создать регулярную геометрическую структуру картриджа с высокой интенсивностью массообмена, но и обеспечить высокую эффективную теплопроводность картриджа в различных направлениях. Построена расчетная модель такого картриджа для использования в гидродинамических расчетах каталитических реакторов с СВК на следующем этапе работ с применением ПО Ansys Fluent. Область применения результатов. Высокоперспективной сферой применения СВК является конверсия газообразных углеводородов. Стекловолокнистый катализатор демонстрирует перспективность использования в процессе Ф-Т с получением оптимального соотношения алканов и олефины среднего состава С7-С12. Другим перспективным промышленным применением полученных результатов может быть использование стекловолокнистого катализатора при окислении эндогенного SO2 в среде дымовых газов угольных электростанций. Такое окисление может быть использовано для кондиционирования дымовых газов с целью повышения эффективности зольных частиц в электрофильтрах. Этот оптимизм основан на возможности использования структурированных картриджей на основе стекловолокнистых катализаторов, характеризующихся высокоинтенсивным массообменом, сверхнизким перепадом давления и повышенной проницаемостью.