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

Проект направлен на разработку и многоуровневую (от нано- до макроуровня) оптимизацию структурированного микроволокнистого катализатора с повышенной теплопроводностью и теоретических основ процесса конверсии газового конденсата (далее - ГК) на его основе. ГК (смесь жидких углеводородов фракции C5+) является традиционным побочным продуктом для газо- и нефтедобывающих компаний в процессе добычи углеводородов, который представляет ценность для производства бензинов, реактивных и дизельных топлив, а также может быть использован для комплексной нефтехимической переработки с получением высокооктановых компонентов, растворителей, ароматических углеводородов, спиртов, различных ингибиторов, а также синтетических волокон и пластмасс. Однако, транспорт ГК от удаленных месторождений с относительно небольшими объемами добычи к местам переработки нерентабелен из-за высоких капитальных затрат на создание инфраструктуры для подготовки и транспортировки ГК. Это приводит к недостаточному уровню переработки, экологическим проблемам (загрязнение окружающей среды углеводородами, выбросы парниковых газов – СО2, метан) и снижению объема производства ценных продуктов с высокой добавленной стоимостью [1]. Такие месторождения по экономическим соображениям не могут быть связаны между собой транспортными трубопроводами, поэтому работой с ГК до недавнего времени занимались по остаточному принципу, и в качестве серьезного ресурса нефтегазовыми компаниями не рассматривался, а встречающийся в залежах с высоким газовым фактором ГК просто сжигается вместе с попутным нефтяным газом (далее - ПНГ), или в отсутствие систем раздельного сбора и транспорта продуктов скважин на установках подготовки смешивался с товарной нефтью. Перспективным вариантом решения этой проблемы является гидрогенолиз компонентов ГК до легких парафинов, в первую очередь метана, который может далее транспортироваться вместе с основным потоком добываемого природного газа (далее - ПГ). Водород для гидрогенолиза при этом может получаться за счет паровой или окислительной конверсии самого ГК. Традиционно в этой сфере используют технологии на основе гранулированных или блочных керамических каталитических систем. Однако, такие каталитические системы характеризуются существенным диффузионным торможением каталитических реакций, и низкой теплопроводностью. Последний фактор обуславливает высокую сложность управления тепловыми режимами протекания целевых реакций в силу их высоких тепловых эффектов, приводящей к необходимости использования дорогих и сложных в управлении реакторов и теплообменной обвязки. В итоге, такие технологии имеют низкую или отрицательную рентабельность. Существенный прогресс в этой области может быть достигнут за счет применения катализаторов на основе стекловолокнистых носителей [2-4]. Главным достоинством таких каталитических систем является возможность формирования структурированных картриджей, обладающих уникально высоким соотношением интенсивности массообмена к удельному гидравлическому сопротивлению [5, 6]. Такие катализаторы оригинальны, не имеют зарубежных аналогов и обладают высоким потенциалом как в области импортозамещения в стратегически важных сферах, так и в сфере развития высокотехнологичного экспорта. На сегодня, высоко актуальной научной и практической задачей является преодоление технологического барьера, связанного с разработкой новых каталитических технологий с низкими капитальными затратами для эффективной и глубокой переработки ГК на основе структурированных микроволокнистых катализаторов, в том числе стекловолокнистых катализаторов (далее - СВК) с повышенной теплопроводностью. Высокая теплопроводность каталитических картриджей на основе микроволокнистого катализатора, достигаемая за счет целенаправленного использования металлических структурирующих элементов, позволит существенно упростить процедуру управления тепловыми режимами процессов паровой/окислительной конверсии ГК и его гидрогенолиза, а также существенно упростить и удешевить каталитические реактора и их теплообменную обвязку, и таким образом снизить их капитальную стоимость до экономически приемлемого уровня. Основным методом синтеза разрабатываемых структурированных микроволокнистых катализаторов является метод вакуумного нанесения и высокодисперсного напыления раствора прекурсора активного компонента катализатора. В качестве активных компонентов катализаторов будут рассматриваться различные композиции на основе переходных металлов, в первую очередь – никеля (для стадии паровой конверсии и метанирования ГК), а также на основе благородных металлов, в частности, платины (для стадии паровой/кислородной конверсии). Метод позволит нанести частицы активного компонента на поверхность стекловолокнистого материала без вторичного носителя в вакуумной камере, исключая появление примесей, и получить тонкие плёнки толщиной ~30 нм с высокой адгезией и однородностью по составу. Метод дает возможность относительно просто варьировать состав плёнки активного компонента на поверхности носителя и достаточно точно контролировать толщину, что исключает перерасход материала. При этом также реализуется возможность синтеза активного компонента в виде мелкодисперсных поверхностных частиц, отличающихся высокой удельной каталитической активностью [7-11]. Важным достоинством этого метода также является его безотходность и возможность использования в качестве носителя недорогих и доступных силикатных стеклотканей [12]. В рамках данного проекта предполагается решить три основных задачи: 1. Разработать и оптимизировать принципиально новые конструкции каталитических картриджей, химических реакторов на их основе, в том числе с использованием методов гидродинамического и теплофизического моделирования тепловых и реакционных процессов с помощью программного комплекса мультифизического моделирования ANSYS FLUENT; 2. Провести верификацию результатов гидродинамического и теплофизического моделирования структурированного стекловолокнистого катализатора, конструкции каталитических картриджей и реакторов на их основе, оптимизированных на нано- и микроуровне; 3. Разработать теоретические основы нового процесса конверсии ГК в транспортируемые компоненты ПГ, конструкции каталитических картриджей и реакторов на их основе, оптимизированных на мили- и мезоуровне. В итоге выполнения работ будет получен комплекс научной и технической информации – от фундаментальных знаний в сфере катализа, поверхностной химии и теоретических основ химической технологии до практических рекомендаций по производству катализатора и разработке промышленных технологий конверсии ГК в транспортируемые компоненты ПГ. В работе будут широко задействованы методы и подходы из разных областей науки – катализа, физической химии, механики сплошных и дисперсных сред, гидродинамики, тепло- и массообмена, теплофизики, математического моделирования, инженерных наук, что обеспечивает очевидно мультидисциплинарный характер исследования. Концептуальная новизна подхода базируется на идее многоуровневого структурирования каталитических систем, в которой оптимизация на каждом масштабном уровне (от нанометров до метров) с учетом межмасштабного взаимодействия между этими уровнями, обеспечивает достижение максимально возможного эффекта. Литература: 1. Выбросы метана в нефтегазовой отрасли. Аналитический центр при правительстве РФ. Энергетический бюллетень. Июль 2020. 28 с. 2. Glass-fiber catalysts: Novel oxidation catalysts, catalytic technologies for environmental protection / B.S.Balzhinimaev, E.A.Paukshtis, S.V.Vanag, A.P.Suknev, A.N.Zagoruiko // Catalysis Today, 2010, v.151, pp.195-199; 3. Структурированный стеклотканный катализатор ИК-12-С111 для глубокого окисления органических соединений. Катализ в промышленности / С.А. Лопатин, П.Г. Цырульников, Ю.С. Котолевич, П.Е. Микенин, Д.А. Писарев, А.Н. Загоруйко // 2015, № 3, с.67-72; 4. Каталитический процесс дожига отходящих газов с использованием платинового стекловолокнистого катализатора ИК-12-С102 / А.Н.Загоруйко, С.А.Лопатин, Б.С.Бальжинимаев, Н.Р.Гильмутдинов, Г.Г.Сибагатуллин, В.П.Погребцов, И.Ф.Назмиева // Катализ в промышленности, 2010, №2, с.28-32; 5. Pressure drop and mass transfer in the structured cartridges with fiber-glass catalyst / S.Lopatin, P.Mikenin, D.Pisarev, D.Baranov, S.Zazhigalov, A.Zagoruiko // Chemical Engineering Journal, 2015, v.282, pp.58-65; 6. Novel structured catalytic systems ‐ cartridges on the base of fibrous catalysts / A.N.Zagoruiko, S.A.Lopatin, P.E.Mikenin, D.A.Pisarev, S.V.Zazhigalov, D.V.Baranov // Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2017, v.122, pp.460-472; 7. Elyshev A., Larina T., Cherepanova S., Mikenin P., Lopatin S., Zazhigalov S., Pisarev D., Baranov D., Zagoruiko A. Physical and chemical properties of CuCr2O4-based glass fiber catalyst synthesized by surface thermo-synthesis method. In proc. of II Scientific Technological Symposium “Catalytic Hydroprocessing In Oil Refining”, Belgrade, Serbia, April 17 23, 2016, pp.113-114; 8. Elyshev A., Larina T., Cherepanova S., Mikenin P., Lopatin S., Zazhigalov S., Pisarev D., Baranov D., Zagoruiko A. Physical and chemical properties of FeOx-based glass fiber catalyst synthesized by surface thermo-synthesis method. In proc. of II Scientific Technological Symposium “Catalytic Hydroprocessing In Oil Refining”, Belgrade, Serbia, April 17 23, 2016, pp.115-116; 9. А.В.Елышев, Д.В.Баранов, С.А.Лопатин, Д.А.Писарев, С.В.Зажигалов, П.Е.Микенин, А.Н.Загоруйко. Состояние активных оксидных компонентов в стекловолокнистых катализаторах со вторичным носителем. В сб. материалов 2-ой международной Российско-Казахстанской научно-практической школы-конференции «Химические технологии функциональных материалов», Алматы, Казахстан, 26-27 мая 2016 г., стр.123-125; 10. S.Zazhigalov, A.Elyshev, S.Lopatin, T.Larina, S.Cherepanova, P.Mikenin, D.Pisarev, D.Baranov, A.Zagoruiko. Copper-chromite glass fiber catalyst and its performance in the test reaction of deep oxidation of toluene in air. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 2017, 120(1), pp.247-260; 11. P.Mikenin, S.Zazhigalov, A.Elyshev, S.Lopatin, T.Larina, S.Cherepanova, D.Pisarev, D.Baranov, A.Zagoruiko. Iron oxide catalyst at the modified glass fiber support for selective oxidation of H2S. Catalysis Communications, 2016, v.87, pp.36–40. 12. Receiving thin films of active component on surface of glass-fiber catalysts by method of reactive magnetron sputtering / Elyshev A.V., Yu Udovichenko S., Bobylev A.N., Matigorov A.V., Zagoruiko A.N. // Journal of Physics: Conference Series. 2019. С. 012013