На главную

 
Научные подразделения Центра
Научная библиотека
Научные советы
Издательская деятельность
История ИК СО РАН
Версия для печати | Главная > Центр > Научные советы > Научный совет по катализу > ... > 2018 год > № 88

№ 88

 

Содержание

  • Центр коллективного пользования «СКИФ» (Сибирский кольцевой источник фотонов)
  • Вторая школа молодых учёных «Новые каталитические процессы
    глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы»
  • Проф. Е.З. Голосман.
    О проблемах индустриализации, реиндустриализации
    и инженерном химическом образовании в стране
  • За рубежом
    (к Международному году периодической таблицы химических элементов)
  • Приглашения на конференции



Центр коллективного пользования «СКИФ»

Подробнее


Вторая школа молодых учёных «Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы»

Вторая школа молодых учёных
«Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы»

24-25 сентября 2018 г., Томск, Россия

http://www.catalysis.ru/resources/science/conferences/newcat_2018/index.html

С 24 по 25 сентября 2018 года в Малом зале Научной библиотеки Томского государственного университета прошла Вторая школа молодых учёных «Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы». Организаторами школы выступили Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Российский научный фонд, Национальный исследовательский Томский государственный университет и АО «Газпромнефть - Омский нефтеперерабатывающий завод». Школа проводится ежегодно в рамках выполнения проекта Российского научного фонда.

 


 

В работе школы приняли участие около 60 ведущих специалистов и молодых ученых, среди которых было 11 пленарных лекторов и 50 слушателей из Новосибирска, Томска, Красноярска, Омска, Твери, Иваново, Казани, Москвы, Кемерово и Санкт-Петербурга.

 


 

Открывал пленарную сессию председатель школы академик РАН Валентин Николаевич Пармон (Институт катализа СО РАН), лауреат премии «Глобальная энергия» за 2016 год. Валентин Николаевич прочитал лекцию «Каталитические процессы в условиях сильных физических воздействий», раскрыв суть протекающих процессов на наиболее ярких практических примерах, таких как термокаталитические циклы «ЕВА-АДАМ» и «ИКАР» для конверсии ядерной и солнечной энергии в химическую. Суть процессов заключается в преобразовании первичной формы энергии в химическую с помощью обратимых химических реакций термокаталитических циклов либо квантового (фотокаталитического) преобразования энергии.

Термокаталитический цикл «ЕВА-АДАМ» разрабатывался для сглаживания суточной нагрузки на ядерный реактор путем конверсии ядерной энергии в химическую. В цикле «ЕВА-АДАМ» запасание энергии происходит в смеси СО и Н2, получаемой в паровой конверсии метана в синтез-газ, а выделение энергии – путем метанирования синтез-газа до метана и воды. Основным недостатком цикла «ЕВА-АДАМ» является малая удельная энергонапряженность (УЭН) установок с теплообменниками, составляющая всего 1/40-1/20 от УЭН ядерного реактора. Особенностью цикла «ИКАР» (разработка ИК СО РАН) является подвод энергии к катализатору в виде ионизирующего излучения без промежуточных теплообменников, что обеспечивает повышение УЭН в 40 раз по сравнению с циклом «ЕВА-АДАМ». В.Н. Пармон отметил, что возможность высокоэффективного преобразования солнечной энергии в химическую была экспериментально подтверждена при испытаниях опытных установок разной мощности. К примеру, к.п.д. опытной установки с полезной мощностью около 2 кВт достигал 43% для преобразования солнечной энергии и 20% – для полного цикла аккумулирование-выделение энергии. Достоинством фотокаталитических методов преобразования является отсутствие необходимости предварительной концентрации солнечного света. В лекции были также рассмотрены вопросы инициирования процессов каталитического превращения тяжелых углеводородных нефтяных остатков при высокоинтенсивном воздействии на них ионизирующим и электромагнитным излучением.

Следующим выступил заместитель директора по научной работе Института углехимии и химического материаловедения Федерального исследовательского центра угля и углехимии СО РАН к.х.н. Алексей Петрович Козлов – специалист в области углехимии и химии углеродных материалов. Алексей Петрович прочитал пленарную лекцию «Научные основы производства игольчатого кокса и углеродных сорбентов из нефтяного сырья и из ископаемых углей». Он рассказал, что игольчатый кокс это высокотекстурированный углеродный материал, используемый для получения крупногабаритных графитированных электродов, применяемых при выплавке стали в электродуговых печах. Основным условием получения высококачественного игольчатого кокса является квалифицированный подбор и подготовка исходного сырья коксования. В качестве сырья традиционно используются малосернистые остатки термодеструктивного происхождения: дистиллятные крекинг-остатки, смолы пиролиза, тяжелые газойли каталитического крекинга с современных установок FCC.

В лекции было отмечено, что Россия располагает огромными запасами каменных углей битуминозного типа (Ж, Д, Г, ГЖ, ОС, КС) в Кузбассе. Также в районе Кузбасса имеются мощные производства каменноугольных пеков. Поэтому именно на этой сырьевой базе и была начата разработка отечественной углепековой технологии получения активных углей с использованием метода парогазовой активации, что безусловно даст мощный толчок развитию производительных сил и обеспечению эффективной защиты окружающей среды.

Лекцию «Катализаторы для гидрогенизационных процессов переработки нефтяных фракций: существующий уровень и перспективы развития» прочитал заведующий Лабораторией катализаторов нефтепереработки Института катализа СО РАН к.х.н. Олег Владимирович Климов. Гидрогенизационные каталитические процессы развиваются опережающими темпами по сравнению с другими группами процессов нефтепереработки. Причинами этого являются как повышенные выходы целевых светлых нефтепродуктов, так и их качество, удовлетворяющее современным и перспективным стандартам, недостижимые без использования гидрогенизационных процессов.

Постоянное возрастание экологических и химмотологических требований к качеству получаемых нефтепродуктов; необходимость увеличения выходов целевых продуктов; постоянное увеличение глубины переработки нефти, обуславливающее необходимость вовлечения в переработку все больших количеств труднопревращаемых вторичных фракций; необходимость снижения энергоёмкости гидрогенизационных процессов – все вышеперечисленные факторы приводят к тому, что происходит постоянное совершенствование катализаторов гидрогенизационных процессов.

В лекции были рассмотрены современные отечественные катализаторы гидроочистки дизельного топлива, вакуумного газойля и бензина каталитического крекинга, а также катализаторы первой и второй стадий гидрокрекинга вакуумного газойля, проведено сопоставление эксплуатационных характеристик этих катализаторов с промышленными образцами ведущих мировых производителей и определены основные направления дальнейшего совершенствования катализаторов.

Продолжила пленарную сессию лекция «Роль каталитических процессов в ключевых стадиях промышленного синтеза капролактама», представленная ведущим научным сотрудником лаборатории каталитических исследований Томского государственного университета д.х.н. Эльдаром Мусаевичем Дахнави. Несмотря на некоторые достижения в области усовершенствования, производство капролактама все еще остается очень энергоемким с высокими расходными нормами сырья и c образованием большего количества побочных и сопутствующих продуктов. Все российские производственные мощности по капролактаму базируются на технологии промежуточного образования циклогексанона (Анон) из циклогексана (ЦГ), с его дальнейшим оксимированием и перегруппировкой получаемого оксима в капролактам. Общий выход капролактама на поданный бензол, в среднем, составляет около 70 %, что свидетельствует о невысоком уровне данного промышленного процесса. Наиболее «слабым звеном» в рассматриваемой технологической цепочке является стадия окисления циклогексана, и для увеличения эффективности всего производства необходимо улучшить показатели синтеза и выделения Анона из реакционной массы.

В процессе окисления циклогексана в качестве катализатора, в основном, используется нафтенат кобальта. Основная проблема, возникающая при использовании данного катализатора, заключается в том, что в условиях промышленного процесса он выпадает в осадок в виде адипината кобальта с дальнейшим осмолением стенок реакторов и трубопроводов, а целевые продукты (Анол, Анон и ГПЦГ) образуются в «неудобных» соотношениях для получения Анона с максимальным выходом. По этой причине ведущие мировые производители капролактама отказались от нафтената кобальта или вовсе перешли на некаталитическое окисление циклогексана. В настоящее время разрабатываются различные катализаторы селективного окисления циклогексана, наиболее перспективными являются бинарные каталитические системы. В их присутствии конверсия циклогексана за проход достигается более 10 % с обеспечением селективности по целевым продуктам на уровне 90 % ÷ 95 %, что вселяет надежду на коренные улучшения производства капролактама.

В лекции было отмечено, что замена одного катализатора на другой не решает существующие проблемы производства, для их успешного решения такая замена должна сопровождаться комплексным использованием новых инжиниринговых подходов. Большое внимание было уделено результатам лабораторных исследований и вопросам селективного окисления циклогексана в присутствии различных каталитических систем, моделированию и масштабированию ключевых стадий, а также поиску путей достижения высоких показателей производства капролактама.

Далее выступил ведущий научный сотрудник Лаборатории каталитических методов преобразования солнечной энергии Института катализа СО РАН, д.х.н. Владимир Викторович Чесноков – специалист в области механизмов образования углерода из углеводородов на катализаторах различной природы, синтеза углеродных наноматериалов, новых каталитических процессов глубокой переработки углеводородного сырья. Лекция «Каталитические методы обезвреживания хлорпроизводных углеводородов» была посвящена проблеме утилизации или уничтожения отходов, содержащих хлорпроизводные углеводороды. Актуальность данной темы обусловлена в первую очередь необходимостью защиты окружающей среды от вредных промышленных отходов. Исследование новых каталитических систем в данной области могло бы позволить разработать новый способ разложения хлоруглеводородов не только с целью утилизации, но и для получения из них ценных химических продуктов. В лекции были представлены результаты работы по разработке каталитических методов обезвреживания хлорпроизводных углеводородов.

Опираясь на знания о механизме «карбидного цикла» образования углеродных нановолокон (УНВ), был разработан метод обезвреживания хлорпроизводных углеводородов. Было установлено, что переработку хлоруглеводородов и их смесей на катализаторах, содержащих металлы подгруппы железа, возможно осуществлять в двух различных технологических режимах: 1) в режиме разложения по механизму «карбидного цикла» до УНВ и HCl (в условиях стехиометрического количества Н2) и 2) в режиме гидродехлорирования (в условиях избытка Н2) с получением HCl и смеси углеводородов, не содержащих хлор. Показана применимость метода для утилизации как алифатических, так и ароматических хлорпроизводных углеводородов.

Первый рабочий день школы молодых ученых завершала лекция «Сжигание в кипящем слое катализатора – универсальная технология переработки органического сырья», прочитанная к.х.н. Юрием Владимировичем Дубининым – научным сотрудником Лаборатории каталитических процессов переработки возобновляемого сырья Института катализа СО РАН. По наблюдениям докладчика, общим недостатком всех традиционных способов сжигания топлива является высокая температура процесса, что приводит к загрязнению атмосферы токсичными продуктами сгорания. Кроме того, в настоящее время большой интерес вызывает включение в топливные ресурсы не использовавшихся ранее низкокачественных топлив, в том числе техногенных отходов и возобновляемой биомассы. Использование таких материалов сильно затруднено или невозможно вследствие их свойств (низкая калорийность, высокая влажность) и высокой экологической опасности процесса их переработки. Таким образом, необходима современная технология утилизации различного рода топлив и отходов, сочетающая в себе высокую эффективность и соответствие всем существующим экологическим стандартам.

Для решения этой проблемы в Институте катализа СО РАН разработан нетрадиционный способ сжигания жидких, газообразных и твердых топлив в присутствии катализаторов, который позволяет ликвидировать многие недостатки высокотемпературного сжигания топлив. Каталитическое горение принципиально отличается от горения в традиционном понимании, так как органические вещества окисляются на поверхности твердых катализаторов без образования пламени.

Метод низкотемпературного каталитического окисления различных топлив и отходов в псевдоожиженном слое позволяет исключить большинство недостатков традиционных способов сжигания. В том числе: проводить процесс в автотермическом режиме, т.е. без затрат дополнительного топлива; снизить габариты и металлоемкость аппаратов более чем в 15 раз; ликвидировать или резко уменьшить образование газовых выбросов, загрязненных токсичными органическими веществами, в том числе диоксинами, оксидами углерода, азота и серы.

Технология сжигания в кипящем слое катализатора была успешно применена на пяти различных котельных мощностью от 1 до 6 Гкал/час и зарекомендовала себя как эффективный и экологически безопасный способ получения тепла.

Второй рабочий день мероприятия был открыт лекцией «Процессы и катализаторы конверсии природных углеводородных газов в практически важные продукты». Докладчиком выступил директор Института химии нефти СО РАН, специалист в области нефтехимии, катализа, газо- и нефтепереработки д.х.н. Александр Владимирович Восмериков. Работы А.В. Восмерикова посвящены решению одной из важнейших народно-хозяйственных задач – разработке и созданию высокоэффективных катализаторов для процессов переработки углеводородного сырья. В лекции обсуждались вопросы переработки природного газа, считающегося перспективным источником энергии на фоне острой необходимости замены нефти на альтернативные источники углеводородов.

Сегодня природный газ в основном используется как топливо. Однако потенциальная его ценность как химического сырья существенно выше, чем как энергоносителя. Он может служить базой для производства большинства органических соединений, получаемых при переработке нефти. В то же время современные методы его переработки оказываются недостаточно эффективными для реализации этого потенциала. Другим перспективным источником углеводородов является попутный нефтяной газ (ПНГ). Помимо метана он содержит широкую фракцию легких углеводородов – смесь этана, пропана, бутанов, пентанов и т.д., поэтому рассматривается как важный ресурс для газохимии.

Перспективным направлением рационального использования природных углеводородных газов представляется одностадийный каталитический синтез из них ароматических соединений. Процесс получения жидких продуктов из углеводородных газов протекает на цеолитсодержащих катализаторах и включает ряд параллельных и последовательных реакций: крекинга, дегидрирования, олигомеризации, диспропорционирования, циклизации и другие.

Состав получаемых продуктов, а также закономерности его изменения в зависимости от условий проведения реакции указывают на то, что образование ароматических углеводородов проходит через несколько стадий. На первой стадии протекают реакции крекинга и дегидрирования, приводящие к образованию стабильных продуктов – метана, этана и водорода, а также низших олефинов, которые вступают в дальнейшие превращения с образованием ароматических углеводородов и поликонденсированных соединений (кокса).

Низшие олефиновые мономеры – этилен и пропилен – относятся к числу наиболее важных и востребованных рынком химических продуктов. Метод пиролиза, которым традиционно получают основное количество низших олефинов, обладает целым рядом существенных недостатков. Альтернативным способом получения низших олефинов является превращение газообразных углеводородов на катализаторах, приготовленных на основе цеолитов различного структурного типа. Проведение процессов в их присутствии позволяет достигать более высокого выхода целевого продукта, при этом температура проведения реакции, как правило, существенно ниже, чем для традиционного пиролиза. Модификация цеолитов позволяет существенно повысить выход целевого продукта и снизить образование нежелательных продуктов.

В лекции был сделан вывод о том, что наиболее перспективными направлениями использования низших алканов являются как комплексное получение одновременно смеси ароматических углеводородов, бензола и сухого газа, так и этилена с пропиленом. Промышленная реализация способов каталитической переработки природных углеводородных газов обеспечит не только высокий экономический эффект и способствует удовлетворению растущих потребностей рынка в указанных продуктах, но также приведет к улучшению экологической обстановки в регионах их добычи и производства.

Далее выступила к.х.н. Светлана Анатольевна Яшник (старший научный сотрудник Лаборатории экологического катализа Института катализа СО РАН) с лекцией «Подходы к регулированию каталитических свойств Cu-замещенных цеолитов в пероксидном окислении органических экотоксикантов и функционализации метана». Медь-замещенные цеолиты интенсивно изучаются в силу широкого спектра их практического применения, включающего как процессы очистки газовых выбросов и водных стоков от экотоксикантов, так и синтеза востребованных органических соединений. Каталитические характеристики Cu-содержащих цеолитов в реакциях глубокого и селективного окисления органических соединений контролируются окислительными свойствами Cu-структур, зависящими от электронного состояния иона меди, наличия в Cu-структурах реакционноспособного кислорода или способности к его активации, взаимодействия Cu-структур с каркасом цеолита, условиями процесса.

Представленные в лекции подходы к регулированию каталитических свойств Cu-замещенных цеолитов основаны, преимущественно, на химических аспектах регулирования структуры медьсодержащих центров в ходе синтеза Cu-цеолитов и экспериментальной информации о взаимосвязи структуры центров с их свойствами.

Многообразие структурных типов цеолита, различающихся пространственной организацией и размером каналов, а также химический состав каркаса цеолита и размер его кристаллитов (для одного структурного типа) определяют специфичность взаимодействия комплексов меди с обменными ионами цеолита, кислотные свойства, доступность формирующихся структур меди для реагентов, а, следовательно, дают еще одну возможность регулирования функциональных свойств Cu-цеолитов. Выбор оптимальных реакционных условий, в частности рН среды, тоже позволяет контролировать окислительные свойства Cu-замещенных цеолитов.

Старший научный сотрудник Лаборатории каталитических методов преобразования солнечной энергии Института катализа СО РАН к.х.н. Дмитрий Александрович Булушев продолжил научную программу школы с выступлением на тему «Получение водорода из муравьиной кислоты на гетерогенных катализаторах». Получение водорода из муравьиной кислоты вызывает особый интерес в связи с тем, что эта кислота может быть использована для хранения водорода и получена из биомассы или гидрированием СО2 при низких температурах. Было рассмотрено газофазное разложение муравьиной кислоты. Для этой реакции необходимы катализаторы и условия, которые определяют высокие скорости и селективности процесса по отношению к водороду и CO2. Перспективными носителями являются углеродные пористые материалы, поскольку их поверхность высока и они инертны по отношению к кислым и щелочным средам. Кроме того, имеется возможность их допирования кислородом или азотом с целью изменения активности катализатора.

В работе было рассмотрено влияние природы активного металла и носителей катализаторов на каталитические свойства. Предложены пути увеличения активности и селективности через допирование углеродного носителя азотом, а катализаторов – ионами щелочного металла. Рассмотрены механизмы допирования.

Муравьиная кислота также может быть использована в качестве донора водорода вместо молекулярного водорода для различных реакций. Хранение кислоты, ее транспортировка и использование не требуют таких сложных подходов, как для молекулярного водорода. В докладе была также показана возможность применения муравьиной кислоты для синтезатоплив.

Лекция «Получение малотоннажных химических продуктов и биотоплив из древесины» была прочитана заведующим лабораторией комплексной переработки биомассы Института химии и химической технологии СО РАН (Красноярск) д.х.н. Валерием Евгеньевичем Тарабанько, в основную сферу интересов которого входят исследование топлив из возобновляемого растительного сырья; химия древесины; исследование процессов переработки углеводов и лигнинов в ценные химические продукты. Цель доклада заключалась в оценке современного состояния исследований и перспектив развития процессов переработки растительного сырья в биотоплива, а также такие продукты как фурфурол, левулиновая кислота и другие продукты тонкого органического синтеза.

Очевидно, что применение даже самых простых технологий переработки растительного сырья в биотоплива сдерживается их высокой стоимостью по сравнению с ценами нефтепродуктов и других традиционных энергоносителей. Вторая почти столь же очевидная проблема – масштаб необходимых ресурсов сырья. С этих позиций перспективны процессы переработки древесины в более дорогие малотоннажные продукты. Среди них можно отметить такие традиционные продукты, как ванилин и сиреневый альдегид из лигнина, левулиновую кислоту из целлюлозы и фурфурол из пентозных гемицеллюлоз. За исключением ванилина, получение этих продуктов целесообразно только из древесины или иного растительного сырья. Другая возможность переработки древесины, сочетающая моторные топлива в качестве цели и высокую рентабельность процессов – получение дорогих топливных присадок, синтез которых из нефти может быть менее экономичен. Среди них можно отметить этилфурфуриловый эфир и фурфуриламин, разветвленные углеводороды для зимнего дизельного топлива и др.

Основная часть лекции была посвящена развитию новых эффективных методов прямой, двухступенчатой переработки древесины в перечисленные выше ванилин, сиреневый альдегид, левулиновую кислоту и фурфурол. Принципиальный результат проведенных исследований состоит в том, что найдены компромиссные условия получения и ванилина, и целлюлозы в каталитическом процессе окислительной делигнификации древесины. На примере одного и того же ферментного комплекса показано, что целлюлоза, продукт разработанного процесса окисления древесины в ванилин, гидролизуется в глюкозу намного легче по сравнению как с исходной древесиной, так и промышленными видами целлюлозы.

Продолжила тему биопереработки старший научный сотрудник Лаборатории каталитических методов преобразования солнечной энергии Института катализа СО РАН к.б.н. Ксения Николаевна Сорокина с лекцией «Перспективные источники возобновляемого сырья и их биотехнологическая переработка в востребованные продукты».

В связи с увеличением в последние десятилетия мирового энергопотребления и ограниченностью запасов природного ископаемого сырья, возникает потребность в использовании новых возобновляемых источников энергии. В числе перспективных видов сырья для получения биотоплива и химических веществ в настоящее время используются энергетические сельскохозяйственные культуры, а также продукты и отходы переработки биомассы.

Для получения сахаров используется ряд подходов, позволяющих эффективно гидролизовать предварительно активированную растительную биомассу с использованием как химических, так и биологических катализаторов (ферментов целлюлаз). В работе были рассмотрены свойства различных биотехнологических методов ферментации деполимеризованной биомассы. Результатом ферементации является получение ряда веществ, применяющихся в качестве биотоплива (этанол, н-бутанол, изобутанол), а также химических веществ (2,3-бутандиол, молочная и янтарная кислоты). Показано, что подход, связанный с консолидированной переработкой биомассы (CBP) в востребованные вещества является перспективным для прямого получения химических веществ путем ферментации биомассы, но пока уступает другим способам переработки по свой эффективности.

Другим перспективным видом возобновляемого сырья являются микроводоросли. Этот источник сырья обладает большой скоростью воспроизводства и способностью накапливать значительное количество высокоэнергетических липидов за счет высокой фотосинтетической активности. Несмотря на высокий уровень накопления липидов микроводорослями, производство биодизельного топлива на их основе пока остается нерентабельным из-за высокой стоимости получения липидов. Применение как химических, так и биологических катализаторов обеспечивает высокий выход метиловых эфиров жирных кислот из масла микроводорослей. Другим перспективным продуктом, получаемым из биомассы микроводорослей, являются углеводы (в том числе крахмал). Обработка биомассы микроводорослей с использованием ферментов или прямая ферментация углеводов с использованием микроорганизмов позволяет получать этанол, также применяющийся в качестве биотоплива.

Развитие методов генетической инженерии микроорганизмов и применение методов системной биологии в будущем приведут к разработке более совершенных биотехнологических процессов, позволяющих получать биотопливо и мономеры для химического синтеза.

 

 

В 2018 году школа молодых ученых «Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы» проводилась как сателлитное мероприятие V Между­народной научной школы-конференции молодых ученых «Катализ: от науки к промышленности». Организационный комитет выражает благодарность сотрудникам Томского государственного университета за помощь и содействие в организации работы школы молодых ученых.

В рамках проекта РНФ планируется проведение Третьей школы молодых ученых «Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы» осенью 2019 года.

Материал подготовили
С.А. Яшник, С.С. Логунова, М.С. Суворова
Фото: Е.Н. Дубинина
(Институт катализа СО РАН, Новосибирск)


О проблемах индустриализации, реиндустриализации и инженерном химическом образовании в стране

Подробнее


За рубежом

Подробнее


Приглашения на конференции

Подробнее



Copyright © catalysis.ru 2005–2024
Политика конфиденциальности в отношении обработки персональных данных