Наработка и исследование лабораторных образцов катализаторов и возобновляемого сырья

В отчете представлены результаты исследований, выполненных в 2023 году по проекту: «Катализаторы на основе наноструктурированных материалов для процессов переработки углеродсодержащего сырья в компоненты моторных топлив и нефтехимические полупродукты» (шифр «FSZE-2022-0002») в рамках Государственного задания № 075-01565-22-03 от 28.10.2022 г. Объект исследования — функциональные микропористые/микро-мезопористые материалы, носители и катализаторы на их основе для процессов переработки углеродсодержащего сырья в компоненты моторных топлив и нефтехимические полупродукты. Цель работы — создание фундаментальных основ технологии производства наноструктурированных катализаторов нового поколения на основе природных и синтетических алюмосиликатов или их композитов для каталитических процессов переработки возобновляемого и традиционного углеродсодержащего сырья в компоненты моторных топлив и ценные продукты нефтехимии. Методология проведения работы — наработка и исследование лабораторных образцов катализаторов гидродеоксигенации компонентов лигноцеллюлозной бионефти, изомеризации ксилолов (ароматическая фракция С-8), изомеризации н-алканов дизельной фракции (цетан). Исследование влияния способов нанесения металлов на формирование активной фазы катализаторов, определение их физико-химических характеристик, каталитической активности вышеуказанных процессах. Проведение предварительных испытания катализаторов с использованием реального сырья (бензиновой и дизельной фракций продукта замедленного коксования гудрона и лигноцеллюлозной бионефти, дизельной фракции процесса Фишера-Тропша, гидроочищенной нефтяной дизельной фракции). Результаты работы и их новизна. Наработаны рутений-содержащие катализаторы на основе алюмосиликатных нанотрубок галлуазита. Установлены оптимальные условия гидродеоксигенации кислородсодержащих субстратов. Проведено сравнение активности Ru-содержащих каталитических систем на основе галлуазита и микро-мезопористого цеолита типа MFI, синтезированного на основе алюмосиликатных нанотрубок. Установлено, что катализатор на основе микро-мезопористого цеолита (Ru/ZSM-5(бт)/АНТ) проявил наивысшую активность в гидродеоксигенации модельной смеси эвгенол-вода (конверсия – 94 %). Установлены закономерности формирования микро-мезопористого материала типа MFI, показано, что галлуазит выступает в роли твердого темплата для придания мезопористости получаемому материалу. Наработаны катализаторы Pt/ZSM-5(т)/АНТ/Al2O3 и Pt/ZSM-5(бт)/АНТ/Al2O3 для изомеризации ксилолов. При использовании обоих катализаторов достигается количественная конверсия этилбензола. Катализатор Pt/ZSM-5(бт)/АНТ/Al2O3 в большей степени инициирует реакции, протекающие по мономолекулярному маршруту. В присутствии катализатора Pt/ZSM-5(т)/АНТ/Al2O3 заметно возрастает содержание изомеров триметилбензола, из чего можно сделать вывод об увеличении вклада реакций, протекающих по бимолекулярному механизму. Разработана методика синтеза цеолита типа ZSM-23 высокой степени кристалличности. Синтезированы функциональные материалы (SAPO-11, ZSM-5, ZSM-5(т)/АНТ, ZSM-23), а также носители и Pt-катализаторы на их основе. Полученные катализаторы изучены в процессе изомеризации цетана в реакторе проточного типа. Установлены зависимости степени превращения субстрата и селективности по изомеран гексадекана от условий проведения процесса (температуры, давления, ОСПС, соотношение водород/сырьё). Наибольшую эффективность в изомеризации н-алканов дизельной фракции продемонстрировали Pt-катализаторы на основе цеолитов типа SAPO-11 и ZSM-23. Исследована возможность получения наночастиц Ru в мезопорах структурированных силикатов типа SBA-15, МСМ-41 и композитных материалов на основе природных нанотрубок галлуазита с использованием различных физических воздействий (УЗ, вакуум) и комплексообразователей разного состава. В результате лабораторных испытаний приготовленных систем в процессе Фишера–Тропша было наработано 2 литра дизельной фракции и изучены ее свойства. Наработаны образцы бензиновой фракции нк – 180 °С и образцы дизельной фракции 180 – 360 °С процесса замедленного коксования сырья, содержащего 20 и 40 % масс. бионефти. Для каждого из полученных продуктов представлены материальные балансы процесса их получения и дальнейшей обработки. Для наработанных продуктов был проведен ряд испытаний с целью определения базовых физико-химических показателей, необходимых для дальнейшей оценки эффективности каталитических систем. Проведение предварительных испытания катализаторов с использованием реального сырья. Новизна результатов работы заключается в использовании в качестве компонентов наноструктурированных катализаторов природных алюмосиликатных нанотрубок, создании композитных материалов на их основе, новых способах получения возобновляемого сырья и предложенных каталитических систем для его переработки. Область применения результатов. Разрабатываемые катализаторы и технологии их приготовления могут быть использованы в нефтегазоперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Экономическая эффективность или значимость работы. Ориентированность на использование альтернативных источников энергии (биомасса), а также природного сырья в составе катализаторов позволит существенно снизить стоимость их производства без потери основного функционала и обеспечить устойчивое развитие отечественной альтернативной энергетики. Разработка наноструктурированных носителей на основе природных и синтетических алюмосиликатов, в том числе их композитов, в совокупности с исследованиями катализаторов на их основе в крупнотоннажных процессах переработки нефти и нефтехимии позволит получить научные результаты мирового уровня, а в отдельных направлениях – превышающие мировой уровень. Экономическая эффективность или значимость работы. Ориентированность на использование альтернативных источников энергии (биомасса), а также природного сырья в составе катализаторов позволит существенно снизить стоимость их производства без потери основного функционала и обеспечить устойчивое развитие отечественной альтернативной энергетики. Разработка наноструктурированных носителей на основе природных и синтетических алюмосиликатов, в том числе их композитов, в совокупности с исследованиями катализаторов на их основе в крупнотоннажных процессах переработки нефти и нефтехимии позволит получить научные результаты мирового уровня, а в отдельных направлениях – превышающие мировой уровень. Практическое применение ожидаемых научных и научно-технических результатов. Лабораторные технологические инструкции, результаты физико-химических исследований и лабораторных каталитических испытаний, данные о маршрутах превращения сырьевых компонентов, установленные корреляции «состав-структура-свойства» могут быть использованы для создания промышленных технологий производства катализаторов гидропроцессов переработки углеродсодержащего сырья. Реализация предлагаемого проекта будет способствовать развитию технологий альтернативной энергетики и диверсификации используемых источников энергии для устойчивого развития экономики Российской Федерации.