Разработка и многоуровневая оптимизация структурированного микроволокнистого катализатора с повышенной теплопроводностью и теоретических основ процесса конверсии газового конденсата на его основе

Впервые построен патентный ландшафт по тематике исследований проекта и проведен детальный анализ правообладателей в области переработки газового конденсата за последние 22 года. Установлена связь между параметрами поверхностного термосинтеза и состоянием частиц активного компонента синтезированных образцов стекловолокнистых катализаторов. Предложена оптимизированная технология синтеза каталитических систем, отличающихся равномерным распределением активного компонента на поверхности носителя. Проведены исследования каталитической активности синтезированных образцов микроволокнистых катализаторов различного состава и подтверждена перспективность использования в гидрогенолизе газового конденсата с получением оптимального соотношения С7-С12. Разработанные картриджи на основе стекловолокнистых катализаторов отличаются высокой интенсивностью массообмена, 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, но и обеспечить высокую эффективную теплопроводность картриджа в осевом и радиальном направлениях. Построена расчетная модель такого картриджа с применением ПО Ansys Fluent для использования в гидродинамических расчетах каталитических реакторов с СВК на следующем этапе работ. Оценена возможность применения никельсодержащих структурированных стекловолокнистых катализаторов для процесса гидрогенолиза газового конденсата в транспортируемые компоненты природного газа с целью повышения эффективности процесса переработки. Установлена зависимость размеров кристаллитов активного компонента катализатора от метода получения и температурных условий восстановления, что может повысит эффективность каталитической переработки углеводородов и способствовать разработке более экономически эффективных технологий в нефтегазовой отрасли. Построена кинетическая модель гидрогенолиза пропана, как основы процесса конверсии газового конденсата, а для модели реактора идеального вытеснения определены кинетические параметры для никельсодержащих стекловолокнистых катализаторов с различным содержанием активного компонента. На основе полученной кинетики с использованием метода оптимизации Левенберга-Марквардта была определена наблюдаемая кинетика для системы с учетом диффузионного массопереноса. Установлено, что в картриджах с продольным течением потока наблюдается более высокая интенсивность массообмена, чем в упаковках с поперечным течением. При этом большая разница между этими упаковками наблюдается для плотной ткани типа «сатин». Это связано с тем, что при поперечной фильтрации из-за большого гидравлического сопротивления происходит огибание слоя катализатора потоком (проскок) в боковых частях упаковки; Создана масштабируемая 2D CFD-модель процесса гидрогенолиза пропана, учитывающая массоперенос (конвективный и диффузионный), теплоперенос (конвекция, теплопроводность), химические реакции и изменение поля скоростей и давления в системе. На её основе изучено влияние геометрии внутреннего пространства реактора на основные показатели процесса – рассмотрены конструкции реакторов с продольным и поперечным расположением слоев СВК, а также с внутренними стенками, образующими 3 продольных прохода. Было показано, что конструкция с продольными стенками позволяет добиться степени превращения пропана на уровне системы с поперечным расположением слоев СВК, однако обеспечивая при этом в 5-10 раз меньшее гидравлическое сопротивление. Наработаны лабораторные партии различных Ni-содержащих микроструктурированных катализаторов, оптимизированных на 1 и 2 этапе выполнения научного проекта для укрупненных лабораторных испытаний в процессах гидрогенолиза углеводородов. При синтезе катализаторов на этапе выработки рекомендаций по катализаторам активно применялись современные методы машинного обучения и искусственного интеллекта. Для исследования каталитической активности лабораторной партии стекловолокнистых катализаторов создан укрупненный лабораторный экспериментальный стенд для исследования процессов гидрогенолиза углеводородов и разработана методика укрупненных лабораторных испытаний. Проведены исследования синтезированных катализаторов. Было обнаружено, что удельная активность таких катализаторов в десятки раз выше, чем у традиционного промышленного катализатора на основе алюмооксидного носителя. На основании экспериментальных данных построена кинетическая модель реакций гидрогенолиза, на ее основе построены расчетные модели каталитических реакторов для исследования процесса гидрогенолиза углеводородов. Показано, что за счет применения реверс-процесса можно обеспечить полную автотермичность гидрогенолиза легких парафинов, то есть входной газ может подаваться в реактор в реверс-процессе без какого-либо предварительного подогрева, например, при температуре окружающей среды, с полной конверсией пропана при технологически приемлемой длительности циклов между сменами направления потока (до ~860 с). Выданы рекомендации по практическому применению разработанных технологий в области глубокой переработки углеводородов, а именно для процесса гидрогенолиза углеводородов на основе микроволокнистых катализаторов. Важным преимуществом СВК является возможность их организации в структурированные картриджи, отличающиеся высокой интенсивностью массообмена. Это дает СВК дополнительные преимущества перед традиционным катализатором, для которого при переходе от мелкой фракции, использованной в каталитических испытаниях, к гранулам будут возникать более существенные диффузионные ограничения, еще более снижающие его наблюдаемую активность. Можно резюмировать, что никельсодержащие СВК, синтезированные методом ИПТ, и структурированные каталитические картриджи на их основе весьма перспективны для применения в перспективных каталитических технологиях гидрогенолиза парафинов, в частности, для переработки газового конденсата в метан.