ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭНЕРГЕТИКИ; МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ И ГОРЕНИЯ

Объектом исследования являются газофазные и жидкофазные системы окислительной конверсии и функционализации органических соединений, в том числе легких алканов, входящих в состав природных и попутных газов. Цель работы – исследование фундаментальных закономерностей окислительных превращений легких алканов, входящих в состав природных и попутных газов, а также соответствующих им непредельных соединений, разработка методов и технологических процессов их превращения в химические продукты с высокой добавленной стоимостью. В работе различными методами проведены экспериментальные исследования процессов парциального окисления, воспламенения и горения сложных углеводородсодержащих систем. Определены параметры самовоспламенения метан-водород-воздушных смесей в условиях, соответствующих рабочему процессу в двигателе внутреннего сгорания. Сделан вывод о нецелесообразности использования в качестве автомобильного топлива метан-водородных смесей. Экспериментальным и расчетным исследованием влияния газофазных непредельных углеводородов (на примере этилена) на самовоспламенение метан-углеводородных смесей показано, что их влияние на самовоспламенение метана не слабее, чем соответствующих алканов. Экспериментально показано, что при пиролизе пропана введение в исходную смесь этилена, который при определенных условиях ведет себя как гомогенный катализатор, повышает выход пропилена. Установлено, что при матричной конверсии добавки водорода, СО и синтез-газа, как при их введении в исходную смесь так и в послепламенную зону оказывают незначительное влияние на характеристики процесса, в то время как добавки водяного пара снижают выход ацетилена и увеличивают соотношение Н2/СО, существенно улучшая характеристики процесса. Показана возможность эффективной матричной конверсии биогаза в синтез-газ атмосферным воздухом и создание на этой базе малотоннажных установок конверсии биогаза в жидкие углеводороды. Методом ударных волн и кинетическим моделированием исследовано самовоспламенение синтез-газа. Анализ кинетики поглощения гидроксильных радикалов OH (λ = 306,77 нм, переход A2+ → X2) и эмиссии электронно-возбужденных гидроксильных радикалов ОН* (λ = 310 ± 4 нм) позволил по максимуму хемилюминесценции ОН* определить температурную зависимость задержки воспламенения для различных смесей H2/CO/O2/Ar. Уточнен механизм электронного возбуждения и тушения ОН*. Учет изменения давления за фронтом отраженной ударной волны позволил улучшить согласие расчетных и экспериментальных результатов. Продолжалась разработка нового метода диагностики низкотемпературной плазмы с химическими реакциями ионизации по измерению токов смещения на электрический зонд с изолированной поверхностью. Для анализа возможности дополнительных каналов образования первичных положительных ионов проведены расчетно-теоретические исследования ионного состава плазмы, образующейся при химической ионизации. Выявлен ряд структурных свойств металлокомплексных катализаторов окисления алканов пероксидом водорода, коррелирующих с их каталитической активностью. Установлено, что каталитическая активность силсексвиоксановых полиядерных комплексов меди тем больше, чем меньше экранирование каталитических центров. Реакционная способность моноядерных комплексов железа с азотсодержащими лигандами убывает по мере упрочнения связи Fe – N. Частицей, индуцирующей окисление алканов, которая возникает в процессе каталитического разложение Н2О2 моноядерными комплексами меди с 1,10-фенантролином и 1,10-фенантролин-5,6-диолами, является ион Cu(III). Его реакционная способность близка к реакционной способности радикала ОН в отношении отрыва различных атомов Н линейных алканов, но отличается от реакционной способности в отношении алкана и ацетонитрила. Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели: Задержку самовоспламенения и скорость горения метан-водород-воздушных смесей исследовали экспериментально и путем кинетического моделирования непосредственно в условиях, соответствующих рабочему процессу в двигателе внутреннего сгорания (Т = 600–1000 К, Р = 1–15 атм). Для оценки применимости биогаза для создания малотоннажных процессов получения жидких углеводородов использовали параметры, полученные на демонстрационной установке матричной конверсии производительностью по метану до 10 м3/ч. Значение полученных результатов определяется их фундаментальным характером и принципиальной научной и практической новизной. Рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР: Результаты исследования моторных характеристик метан-углеводородных и метан-водородных топлив необходимы для оценки перспектив практического применения сложных газовых смесей и водорода на транспорте, в том числе при частичной конверсии в водород традиционных топлив непосредственно на борту транспортного средства. Установленный характер влияния добавок водорода, СО, синтез-газа и паров воды на процесс матричной конверсии природного газа в синтез-газ позволит оптимизировать процесс и состав получаемого синтез-газа. Малотоннажная конверсия биогаза в жидкие углеродсодержащие продукты позволит более эффективно использовать это возобновляемое сырье в локальной энергетике. Исследование процессов ионизации при горении является основой для разработки новых методов диагностики процессов горения, их контроля и управления ими. Каталитическая оксигенация углеводородов в мягких условиях на основе использования металлокомплексных катализаторов является перспективной целью газохимии, над которой работают исследователи ведущих научных центров мира. По результатам работ 2020 г. опубликованы 16 статей в журналах, индексируемых в WoS, Scopus, РИНЦ, в том числе 4 статьи в изданиях 1-го квартиля, 2 статьи в изданиях 2-го квартиля и 3 статьи в изданиях 3-го квартиля. Опубликована 1 монография. Результаты работы были представлены в 11 докладах на конференциях. Защищена 1 диссертация на звание кандидата физико-математических наук. Получена Серебряная медаль 23-го Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед». Патент РФ №2688932 «Способ переработки нефтезаводских газов» награжден Федеральной службой по интеллектуальной собственности в номинации «100 лучших изобретений России за 2019 и первое полугодие 2020 года».