Разработка материалов для сорбционно-каталитических процессов в газохимии

Ежегодно в Российской Федерации добывается более 600 млрд.м3 природного газа. При этом химической переработке в аммиак, метанол и другие продукты подвергается менее 5 % добываемого природного газа (около 26 млрд.м3). Развитие газохимии в России является одной из ключевых задач химической промышленности с учетом имеющейся ресурсной базы. Поэтому разработка и развитие отечественных газохимических технологий является актуальной задачей в ближайшие годы. Водород и олефины, в частности пропилен, являются одними из наиболее маржинальных полупродуктов, получаемых из природного и попутного нефтяного газов. В технологических цепочках их получения одними их ключевых стадий являются процессы паровой конверсии СО и дегидрирования пропана, соответственно. Максимальный выход продуктов этих реакций ограничен термодинамикой, что существенно снижает эффективность и усложняет их технологическую реализацию. Разработка решений, позволяющих преодолеть термодинамические ограничения, позволит увеличить эффективность процессов и является важной научной проблемой. В настоящем проекте для преодоления термодинамических ограничений предлагается проводить процессы паровой конверсии СО и окислительного дегидрирования пропана в сорбционно-каталитическом режиме в присутствии гетерогенных катализаторов и адсорбентов (поглотителей), химически поглощающих побочные продукты реакций (СО2 и Н2, соответственно) и тем самым увеличивающих потенциально достижимую равновесную глубину превращения реагентов. Это в свою очередь требует разработки специфических материалов – поглотителей побочных продуктов реакций, которые были бы стабильны, работоспособны и регенерируемы в условиях проведения соответствующих каталитических реакций. Для реакции окислительного дегидрирования пропана предлагается разработка сорбционных материалов MOx@SiO2 (M = Cu, V, Mn, Fe, Ni) со структурой типа “yolk-shell” для окисления водорода, выделяющегося в качестве продукта дегидрирования. Оксидное ядро выступает в качестве источника кислорода для окисления водорода, а узкопористый слой диоксида кремния ограничивает диффузию углеводородов во внутреннее пространство микросфер, снижая вероятность нежелательного контакта молекул пропилена с поверхностью частиц MOx и увеличивая устойчивость адсорбционного материала к зауглероживанию. MOx@SiO2 материалы в восстановленной форме могут быть регенерированы кислородом воздуха. Реакцию дегидрирования предполагается проводить на слоистой или смешанной загрузке сорбента и традиционных Pt-Sn/Al2O3 и Cr/Al2O3 катализаторов дегидрирования. Для реакции паровой конверсии СО предлагается разработка среднетемпературных адсорбентов СО2 на основе MgO, допированного нитратами щелочных металлов и другими легкоплавкими компонентами. Предлагаемые сорбенты поглощают СО2 при 250 – 300 °С, т.е. в области рабочих температур для реакции паровой конверсии СО. Модифицирование сорбентов легкоплавкими полярными компонентами необходимо для снятия с поверхности MgO ингибирующего адсорбцию СО2 слоя карбоната магния. Реакцию паровой конверсии СО предполагается проводить на слоистой или смешанной загрузке сорбента и Pt/СexZr1-xO2 и Cu-ZnO-Al2O3 катализаторов. Научная значимость проблемы, решаемой в рамках проекта, определяется отсутствием в научной литературе данных о действительно эффективных материалах для сорбционно-каталитических процессов паровой конверсии СО и дегидрирования пропана. Практическая важность проекта определяется значением процессов получения водорода и пропилена как базовых для азотной и нефтехимической промышленности России.