Разработка и исследование катализаторов и процессов переработки природного газа и широкой фракции легких углеводородов в востребованные химические продукты

Природный газ является одним из наиболее важных источников углеводородного сырья, потребление которого неуклонно увеличивается последние десятилетия. С развитием технологии сжижения природного газа его доступность и масштабы использования будут и далее возрастать. На сегодня природный газ преимущественно используется для энергетических нужд. Применение природного газа в химической промышленности в основном ограничивается получением синтез-газа для производства водорода, синтеза метанола и аммиака. При этом, существующие технологические процессы рентабельны на крупных масштабах производства (0,5-1 млн.т./г) и включают большое количество каталитических стадий. Поэтому разработка катализаторов для создания новых и модификации существующих процессов переработки природного газа в востребованные химические продукты является актуальной задачей, особенно с учетом наличия крупных газовых месторождений в Российской Федерации. В рамках выполнения работ по проекту предполагается проведение комплексных фундаментальных исследований, направленных на создание новых катализаторов для цепочки существующих процессов получения метанола, для перспективных процессов селективного окисления и оксигалогенирования метана и карбонилирования метанола и его производных. Проблемы, возникающие при глубокой переработке природного газа, связаны, в частности, с загрязнением окружающей среды. Это определяется выбросами в атмосферу соединений серы, оксидов азота, аммиака, парниковых газов (в первую очередь метана и углекислого газа), а также наночастиц сажи в отработанных газах промышленных предприятий, мобильных и стационарных источников, включая установки термического обезвреживания отходов. Решение этих проблем остается актуальным. В части разработки процессов каталитической конверсии сероводорода в элементарную серу существует проблема переработки реального газового сырья, в состав которого наряду с основным компонентом – H2S входит целый «набор» сопутствующих сернистых компонентов, таких как меркаптаны и серооксид углерода. В настоящее время такая проблема решается путем создания специализированных промышленных установок (например, процесс Merox, основной Лицензиар - компания Merichem Company, США). Эти процессы весьма затратны и характеризуются низкой экологической эффективностью и образованием токсичных сульфидных стоков. Отдельного рассмотрения заслуживает вопрос рациональной переработки газов, содержащих сероводород и аммиак. Такие газы образуются в результате глубокой гидроочистки сырьевых углеводородных потоков (процессы гидрообесссеривания и гидродеазотирования). Также на повестке стоит усовершенствование технологий утилизации парниковых газов и переработки химического сырья для снижения антропогенного воздействия на окружающую среду и более рационального использования природных ресурсов. Для процессов парциального окисления, паровой, углекислотной и автотермической конверсии метана и его гомологов в синтез-газ требуется создание устойчивых к зауглероживанию структурированных нанокомпозитных катализаторов, оптимизация рабочих параметров соответствующих процессов на основе детальных кинетических исследований и математического моделирования. Актуальным является приготовление и исследование катализаторов для получения ценных углеводородов и спиртов из синтез-газа. Для энергетических приложений необходима разработка и исследование материалов твердооксидных топливных элементов и электролизеров, функциональных слоев асимметричных нанесенных кислород- и протонпроводящих мембран. Это неразрывно связано с развитием методов охарактеризования проводимости, кислородной и водородной подвижности материалов. Олефиновые и диолефиновые углеводороды находят широкое применение в различных химических производствах, таких как получение синтетических каучуков, пластмасс, компонентов автомобильного топлива и других ценных химических продуктов. Значительный запас низших парафинов в нашей стране делает проблему их эффективной переработки в ценные продукты еще более актуальной. Из всех существующих методов получения олефинов значительная доля приходится на методы каталитического дегидрирования парафинов. Разработка новых типов катализаторов, активных и селективных в дегидрировании широкого спектра легких углеводородов, является актуальной задачей. В настоящее время постоянно ведется поиск новых альтернативных источников энергии и способов ее преобразования, запасания и использования. Одним из перспективных подходов является применение фотокатализа на полупроводниках для трансформации солнечной энергии в энергию химических связей. Фотокаталитические процессы с использованием полупроводниковых материалов могут быть задействованы не только для получения водорода, но и химических трансформаций различных соединений (в том числе основных и побочных продуктов переработки природного газа и легких углеводородов) в мягких условиях.