Краткая историческая справка

Начиная с 80-х годов прошлого столетия во всем мире, в том числе и в России, развернулись широкие исследования по получению и изучению свойств высококремнеземных цеолитов. Благодаря своим уникальным физико-химическим и молекулярно-ситовым свойствам эти цеолиты обладали гораздо более высокой активностью и селективностью в процессах синтеза и превращения углеводородов, а также в конверсии метанола и других спиртов по сравнению с оксидными системами и природными цеолитами. В 1981 году цеолитной тематикой начали заниматься в Институте химии нефти СО АН СССР, для чего была организована научно-исследовательская группа деструктивных методов переработки сырья (ДМПС), которая в последствии расширилась до лаборатории. За короткое время была создана техническая база, необходимая как для синтеза цеолитов, так и для исследования их физико-химических и каталитических свойств. Сотрудники лаборатории изготовили уникальные лабораторные установки, некоторые из которых не имеют аналогов не только в Сибирском регионе, но и в России. Одной из них является установка для исследования реакции конверсии метанола в углеводороды, позволяющая оценить качество получаемых цеолитов и получить сведения о сроке службы катализаторов за короткое время испытаний (экспресс-метод).

В результате проведенных исследований удалось разработать новые методы синтеза высококремнеземных цеолитов с использованием недорогих и малотоксичных органических и неорганических добавок, таких как гексаметилендиамин, карбамид, бикарбонат аммония и др. Помимо этого были разработаны и освоены методы получения цеолитов, модифицированных ионами переходных металлов на стадии гидротермального синтеза. Полученные железоалюмосиликаты, в которых атомы железа введены непосредственно в решетку цеолитов, характеризовались высоким временем стабильной работы в реакции конверсии метанола, срок службы их составлял более 1500 ч. Кроме этого, были достигнуты определенные успехи в повышении активности, селективности и стабильности приготовленных катализаторов с помощью методов их предварительной обработки — термопаровая и механохимическая активация.

Разработанные катализаторы показали высокую эффективность в процессах облагораживания низкооктановых бензиновых фракций различного происхождения (газовые бензины, газовые конденсаты, нефти) и депарафинизации среднедистиллятных фракций нефти. В 1988 году для проведения крупномасштабных испытаний катализаторов в механических мастерских института силами сотрудников лаборатории и рабочих мехмастерских была изготовлена пилотная каталитическая установка блочно-модульного типа производительностью 200 л высокооктанового бензина в сутки. В 1989 году она была доставлена и размещена на промышленной площадке Лугинецкого газоконденсатного месторождения Томской области (НГДУ «Лугинецкнефть»). В конце этого же года и вначале следующего года совместно с сотрудниками Института катализа им. Г.К. Борескова СО АН СССР были проведены пилотные испытания катализатора в процессе превращения газового конденсата в высокооктановый бензин и дизельное топливо. Полученные продукты использовались в качестве горючего для местного автотранспорта.

В 1986 году в лаборатории ДМПС были начаты исследования по изучению процесса превращения низших алканов С₂-С₄ на цеолитсодержащих катализаторах. Цель этих работ — разработка эффективных катализаторов ароматизации низкомолекулярных парафиновых углеводородов, являющихся основными компонентами попутных нефтяных газов, сжигаемых на нефтепромыслах, и оптимизация процесса. В кратчайшие сроки сотрудниками лаборатории был создан катализатор на основе пентасила и предложено проведение его испытаний на реальном сырье — широкой фракции легких углеводородов (ШФЛУ), выделяемой на Лугинецком месторождении. Для этой цели был изготовлен каталитический реактор объемом 7,0 л, который установили на пилотную малогабаритную установку, а также проведена переобвязка технологической линии этой установки и установлено дополнительное оборудование, необходимое для переработки ШФЛУ. Катализатор для испытаний в необходимом для двух загрузок в реактор количестве произведен в лаборатории ДМПС. В 1990 году испытания катализатора были успешно проведены на Лугинецком газоконденсатном месторождении. Катализатор показал высокую активность и селективность в процессе получения ароматических углеводородов из ШФЛУ, наработанный ароматических концентрат использовался на месторождении как высокооктановая добавка к прямогонной бензиновой фракции газового конденсата.

В 2002 году на базе лаборатории каталитической переработки легких углеводородов (КПЛУ, бывшая лаборатория ДМПС) в институте были начаты работы по изучению процессов неокислительной конверсии метана и компонентов природного газа в ароматические соединения на бифункциональных цеолитных катализаторах. Эти исследования проводились в тесном сотрудничестве с учеными из Институтов катализа им. Г.К. Борескова, сильноточной электроники и физики прочности и материаловедения СО РАН, благодаря которым удалось получить совершенно новые катализаторы, детально изучить механизм реакций и свойства катализаторов на различных стадиях дезактивации. Выявленные взаимосвязи между строением активной поверхности катализаторов и их каталитическими свойствами и разработанные научные основы подбора катализаторов имеют большое фундаментальное значение для катализа на цеолитах типа ZSM-5

В настоящее время в лаборатории КПЛУ активно ведутся исследования по каталитическому гидрооблагораживанию (гидрообессеривание, гидрирование непредельных и полиядерных ароматических углеводородов, деазотирование) среднедистиллятных нефтяных фракций. Получены нанодисперсные каталитические системы на основе нанопорошков алюминия и никеля, которые характеризуются высокой активностью по отношению к азотистым и сернистым соединениям нефтяных фракций и нефтепродуктов, степень их деазотирования и обессеривания достигает 90%.

В лаборатории КПЛУ постоянно ведутся работы по улучшению свойств катализаторов с целью получения систем, характеризующихся более высоким временем стабильной работы и проявляющих повышенную активность и селективность в процессах ароматизации низкомолекулярных парафинов и облагораживания низкооктановых бензиновых фракций. Такими каталитическими системами являются элементоалюмосиликаты цеолитной структуры, которые позволяют получать максимально возможный, исходя из теоретических расчетов, выход целевых продуктов и сохраняют постоянную активность в течение длительного срока работы. Катализаторы испытываются на лабораторных и стендовых установках в процессах превращения различного по составу углеводородного сырья: попутный нефтяной газ, пропан-бутановая фракция, газы стабилизации газового конденсата С₁-С₆, прямогонные бензиновые и дизельные фракции, газовый конденсат. На основании полученных результатов разработаны и выданы исходные данные на проектирование пилотной, опытно-промышленной и промышленной установок получения высокооктановых компонентов моторных топлив из легкого углеводородного сырья производительностью соответственно 8, 12 и 80 тыс.тонн/год по сырью, заказчиком которых выступали компании ОАО «Томскгазпром» и ОАО «Севернефтегазпром», а также Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН.

Разработанные в ИХН СО РАН каталитические системы для процессов газо- и нефтепереработки, способы их получения и активации защищены авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации. Образцы катализаторов неоднократно демонстрировались на различных конкурсах и выставках, проводимых как у нас в стране, так и за рубежом, и отмечались наградами (дипломы, медали). За 40-летний период работы в институте по теме, связанной с синтезом, исследованием физико-химических свойств и применением высококремнеземных цеолитов и катализаторов на их основе, защищены 2 докторские и 12 кандидатских диссертаций.

Область исследований/направление исследований

Основными направлениями деятельности лаборатории являются фундаментальные и прикладные исследования в области создания научных основ получения материалов с заданными свойствами и разработки эффективных отечественных катализаторов для процессов нефтепереработки и нефтехимии. Исследования направлены на разработку эффективных катализаторов на основе цеолитов с иерархической системой пор и наноразмерных порошков металлов для процессов неокислительной конверсии низших алканов, в том числе термодинамически устойчивой молекулы метана, в ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилол), изомеризации прямогонных бензиновых фракций и депарафинизации дизельных фракций, а также новых каталитических систем на основе коммерческих крупнодисперсных порошков металлов и их производных для переработки нефтяных остатков. Ведутся активные исследования по созданию порошковых катализаторов гидродесульфирования топливных дистиллятов нефти и продуктов вторичной переработки, в том числе катализаторов на основе молибденита при его диспергировании в криогенных условиях в атмосфере аргона, водорода, гелия и азота. Создание композиционных материалов, содержащих ионные жидкости на основе имидазола, хлориды и трифторацетаты переходных металлов для экстракции и каталитического окислительного обессеривания топливных фракций нефти, также представляет большой интерес.

Основные решаемые задачи в рамках этих направлений:

Разработка методов гидротермального синтеза цеолитов структурного типа ZSM-5, способов их модифицирования и активации.

Изучение реакции дегидроароматизации метана в присутствии микро-, мезо- и макропористых высококремнеземных цеолитов, модифицированных переходными металлами.

Создание эффективные цеолитсодержащие катализаторы для процессов ароматизации низших алканов C₂-C₅ и облагораживания низкооктановых бензиновых фракций различного происхождения (газовые бензины, нефти, газовые конденсаты).

Создание катализаторов для селективного превращения метанола и алканов С₃-С₄ в низшие олефины — этилен, пропилен, бутены.

Разработка твердофазных подходов к приготовлению каталитических систем на основе порошков металлов микронных и субмикронных размеров для процессов безводородного крекинга и гидродесульфирования нефтяных топливных дистиллятов.

Получение нанокомпозитных каталитических систем на основе диоксида титана для процесса фотокаталитического обессеривания среднедистиллятных и остаточных фракций нефти.