КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 15-13-00123

НазваниеСоздание наноразмерных каталитических систем для гидропереработки углеводородов газойлевых фракций тяжелых нефтей в сларри-реакторах

РуководительМаксимов Антон Львович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2015 г. - 2017 г. 

Конкурс№6 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ

Ключевые словананоразмерные каталитические системы, гидропереработка тяжелых нефтей, газойлевая фракция, сларри-реактор, структура наноразмерных катализаторов, бифункциональные гетерогенные катализаторы, гидрирование, гидрокрекинг, дендример, ионная жидкость, эмульсия, суспензия, углеводороды

Код ГРНТИ31.15.28


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Цель проекта - разработка научных основ процесса гидрокрекинга тяжелых углеводородных фракций (вакуумных газойлей, тяжелых газойлей каталитического крекинга и др.), катализируемого наночастицами в углеводородной среде в сларри-реакторах. Постепенное истощение ресурсов легких и средних нефтей с соответствующим снижением их добычи приводит к неизбежной необходимости наращивания добычи и переработки тяжелых нефтей, отличающихся существенно меньшим содержанием светлых нефтепродуктов (бензина и дизельного топлива), высокой вязкостью, делающей проблемным их перекачку в существующей трубопроводной системе, высоким содержанием серы и азота, тяжелых металлов, что сильно снижает стоимость смесевой нефти, перекачиваемой по трубопроводам и осложняет, а некоторых случаях делает невозможной, ее переработку на действующих нефтеперерабатывающих заводах. Традиционно используемые для этого процессы гидроконверсии и гидрокрекинга предполагают применение пористых гетерогенных катализаторов для которых характерно быстрое отравление благодаря отложению металлов и продуктов уплотнения. Методы, применяемые для снижения скорости отравления и увеличения степени превращения тяжелых углеводородов, смолистых и асфальтеновых соединений, конденсированных сероорганических соединений (высокие давления водорода (более 15 МПа), специальные типы носителей, деметаллизация и способы удаления полиароматических продуктов и др.) ведут к существенному удорожанию процесса и не позволяют решить задачу полного превращения тяжелых фракций в мягких условиях. Решение проблемы возможно на пути создания и исследования соответствующих ультрадисперсных и наноразмерных катализаторов, обеспечивающих глубину переработки углеводородных ресурсов более 90%. Для этого в рамках проекта будут: - разработаны методы синтеза в углеводородной среде новых наноразмерных каталитических систем для проведения гидропроцессов (гидрирование поликонденсированных соединений, гидрокрекинг тяжелых углеводородов) на основе наночастиц сульфидов элементов 6Б группы Периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева (вольфрам, молибден), модифицированных металлами 8Б группы, и новых бифункциональных нанокатализаторов на основе различных типов кислотных компонентов (наночастицы алюмосиликатов, оксидов алюминия, циркония, титана, кислые ионные жидкости). В качестве метода синтеза будет использовано формирование наночастиц из обратных эмульсий и модификация соответствующих наноразмерных систем in situ в углеводородной среде. Причем впервые будет подробно и систематически изучена возможность синтеза широкого спектра бифункциональных наноразмерных катализаторов не только с использованием водных растворов, но и из эмульсий в углеводородах, диметилсульфоксида, ионных жидкостей, сверхкритических спиртов. - исследованы закономерности превращения модельных тяжелых углеводородов различных типов, установлены особенности протекания гидропроцессов (гидрирование поликонденсированных соединений, гидрокрекинг тяжелых углеводородов) с использованием наноразмерных каталитических систем с применением различных типов тяжелого сырья (вакуумный газойль, тяжелый газойль гидрокрекинга и др.). Будут выявлены факторы, влияющие на стабильность, активность и селективность таких систем; на основе полученных закономерностей будут предложены наиболее эффективные наноразмерные каталитические системы для превращения тяжелых углеводородов в легкие продукты в мягких условиях; - исследованы достоинства и недостатки двух подходов для выделения и последующего повторного использования полученных наноразмерных катализаторов (каталитических систем): концентрирование наночастиц в тяжелой фракции при удалении легких углеводородов; использование двухфазных систем на основе высокомолекулярных инертных соединений или ионных жидкостей и экстракция наночастиц. На основании полученных данных будут развиты научные основы технологии гидрокрекинга и гидропереработки тяжелых углеводородных фракций в среднедистиллятные продукты в сларри-реакторах при давлении водорода до 10 МПа с использованием синтезированных наноразмерных катализаторов.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта будут получены следующие результаты. На основе проведенных систематических исследований впервые будут разработаны методы синтеза наноразмерных каталитических систем на основе наночастиц сульфидов элементов 6Б группы (вольфрам, молибден), модифицированных металлами 8Б группы из обратных эмульсий диметилсульфоксида, ионных жидкостей, сверхкритических растворителей для проведения гидропроцессов (гидрирование поликонденсированных соединений, гидрокрекинг тяжелых углеводородов) . Будут разработаны методы синтеза новых бифункциональных нанокатализаторов на основе различных типов кислотных компонентов (наночастицы алюмосиликатов, оксидов алюминия, циркония, титана, кислые ионные жидкости). Для всего спектра катализаторов будут получены закономерности превращения модельных тяжелых углеводородов различных типов и образцов тяжелого сырья (вакуумный газойль, тяжелый газойль гидрокрекинга и др.) в сларри-реакторах, предложены подходы к повышению стабильности, активности и селективности наноразмерных суспензионных каталитических систем и разработаны эффективные наноразмерные бифункциональные каталитические системы для превращения тяжелых углеводородов в легкие продукты в мягких условиях. На основе полученных данных будут выбраны наиболее подходящие подходы для создания метода повторного использования для наиболее перспективных наноразмерных каталитических систем. В результате будет существенно расширено понимание особенностей формирования различных типов наноразмерных катализаторов гидрокрекинга и гидропереработки в углеводородной среде in situ; закономерностей каталитических превращений тяжелых углеводородов с применением наноразмерных систем и внесен существенный вклад в решение ключевой проблемы «П5-3-3 Разработка гетерогенного катализа наночастицами, взвешенными в углеводородной среде в сларри-реакторах. Создание наноразмерных каталитических систем и реакционных аппаратов для превращения тяжелых углеводородов в легкие продукты в мягких условиях, обеспечение сохранения стабильности и активности таких систем. Выделение, реактивация и повторное использование наноразмерных катализаторов конверсии тяжелых нефтей и их остатков» Задачи П5-3. "Повышение глубины переработки тяжелых нефтей с получением ценных продуктов". Результаты по формированию катализаторов также внесут вклад в решение проблем П5-3-1 и П5-3-2 в части комплексного изучения структуры наноразмерных катализаторов и способов конверсии на этих катализаторах различных типов тяжелых дисперсных углеводородных систем и разработки методов формирования наноразмерных частиц катализаторов из микроэмульсий растворов прекурсоров в тяжелых нефтях и остатках. Будет создана научая база для последующего проведения прикладных исследований гидрокрекинга тяжелых нефтей и нефтяных фракций. Результаты исследований по проекту будут способствовать созданию основ технологии превращения тяжелых углеводородов в легкие продукты в мягких условиях, обеспечению сохранения стабильности и активности таких систем.и решению одной из важнейших задач современной нефтеперерабатывающей отрасли – существенному повышению эффективности использования тяжелых нефтей и нефтяных остатков.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Получены данные по формированию эмульсий в углеводородах с использованием ДМСО и воды и закономерностях формирования суспензий оксидов и сульфидов, в том числе и в условиях реакции с использованием в качестве прекурсоров соединений вольфрама и молибдена (молибдаты и вольфраматы аммония; тиовольфраматы и молибдаты аммония; гетерополимолибдаты и гетерополивольфраматы; соли, содержащие комплексы никеля с лимонной кислотой и гетерополикислоты; маслорастворимые прекурсоры, такие как карбонил молибдена, вольфрама, этилгексаноат никеля). Показано, что для в эмульсий «вода в масле» наилучшая стабильность была достигнута для образцов, содержащих от 3 до 5% Span 80. Размер частиц составлял от 50 до 150 нм Показано, что оптимальное значения концентрации Span 80 составляет 2,5 масс. % Установлено, что для получения эмульсий возможно использование сополимера малеинового ангидрида с октадеценом. Установлено, что при получении сульфидов из маслорастворимых прекурсоров размер частиц составлял около 100 нм, доля никеля в NiWS или NiMoS фазе около 65-70%, доля сульфида – 65-80%. Показано, что при применении для синтеза тиовольфраматов или тиомолибдатов и использовании суспензий при добавлении серы доля сульфида составляет около 70% при степени промотирования 15-25%. Изучены фазовые диаграммы трехкомпонентных систем ДМСО-толуол-гексан и ДМСО–2-метилнафталин–гексан. Диаграммы характеризуется достаточно большой двухфазной областью, обращенной в сторону, противоположную вершине, соответствующей толуолу. Установлено, что для стабилизации эмульсий наиболее подходящим является Span 20 (ГЛБ 8,6). Введение полиизобутилена приводит к существенному сужению однофазной области, стабилизация эмульсий вдоль границ расслоения диаграммы достигается использованием 8 % Span 20 и 5-6% Span 80. Установлено, что при синтезе сульфидов из солей с анионами [Ni(WS4)2]2– и [Ni(MoS4)2]2–, а также растворов тиовольфрамата и молибдата аммония вместе с избытком нитрата никеля (двукратный по отношению к вольфраму) в ДМСО возможно получение частиц размером от 200 до 400 нм при концентрации 7% Span 80. Для получения сульфидов с высокой долей сульфидной фазы и высокой степенью промотирования никелем необходимо введение дополнительной серы в виде диметилдисульфида. Установлено, что при применении в качестве дисперсионной среды ионных жидкостей (тетрабутилфосфоний трифторметансульфонат и 1-бутил-1-метилпиперидиний трифторметансульфонат [BMPip]CF3SO3) при 350 ºС в среде водорода из солей [BMPip]2Ni(WS4)2 и [BMPip]2Mo(WS4)2 образуются сульфиды с размером частиц агрегатов 100-250 нм. Добавление сульфидной ионной жидкости позволяет уменьшить длину слоев сульфидов и увеличить степень промотирования сульфидной фазы никелем и доли сульфидной фазы. Показано, что при использовании сшитых дендримеров как носителей для тиовольфраматных о оксовольфраматных прекурсоров возможно получение наноразмерных оксидов и сульфидов при их гидрокрекинге в условиях реакции. При использовании нанесенных тиосолей в отсутствии серосодержащих соединений доля сульфидной фазы составляла около 40 % при степени промотирования 32%. Установлено, что все полученные сульфидные системы являются активным в превращении ряда субстратов: нафталина, 1- и 2-метилнафталинов, различных диметилнафталинов в растворах бензола и гексадекана (температура от 350 до 420 ºС; давление 5 МПа, содержание вольфрама от 0.5 до 2 %). В случае использования гетерополикислот и оксо-солей наилучшие результаты были достигнуты при 400 ºС за 2 часа при использовании эмульсии цитратного комплекса состава Ni1,7WMo3 – выход тетралина составил 50%. На примере Ni-W-S катализатора, полученного in situ путем разложением прекурсора [BMPip]2Ni(WS4)2 показано, что после удаления воды из эмульсий и получения суспензии твердых частиц прекурсора в углеводородном сырье возможно образование активных катализаторов, обеспечивающих количественное превращение нафталина и высокие конверсии для превращения 1-метилнафталина и 2-метилнафталина. Для достижения высокой степени превращения необходимо использованием ДМДС. Найдено оптимальное мольное отношение Ni к W для этих систем (1:1). Показано, что для достижения высокой активности систем, содержащих эмульсии ДМСО с растворенным в нем тиовольфраматом аммония с добавкой никеля или [BMPip]2Ni(WS4)2 в ДМСО, необходим источник серы. Показано, что в этом случае достигается количественная конверсия нафталинов, причем первая каталитическая система была существенно более активна, позволяя получать до 50% декалинов за 10 часов. Катализатор обеспечивает селективность по декалинам более 50% при количественных конверсиях. При применении в качестве прекурсоров для образования катализаторов гексакарбонила вольфрама в сочетании с этилгексаноатом никеля возможно создание высокоактивных систем для гидрирования. Установлено, что оптимальное мольное отношением W:Ni составляет 1:2 с достижением 99 % конверсии нафталина при высокой селективности по декалинам (количественный выход тетралина достигается уже за 2 часа). Показано, что для достижения высокой эффективности необходимо добавление в систему диметилдисульфида или его смеси с ДМСО. Определены основные закономерности превращения замещенных метил, диметил- и триметилнафталинов. Установлено, что при использовании катализатора, полученного путем разложения суспензии частиц прекурсора в углеводородном сырье, конверсия изменяется от 6 до 100 %. Для катализаторов, полученных разложением маслорастворимых прекурсоров, конверсия всех рассмотренных диметилзамещенных нафталинов при проведении реакции в течение 10 часов достигает 93-100% при высокой доле декалинов. Скорость превращения субстратов с учетом удельной каталитической активности систем меняется в порядке (ДМН – диметилнафталин, ЕН-этилнафталин, ТМН-триметилнафталин): 1,8-ДМН > 2,6 - ДМН > 1,4 - ДМН >> 1,6-ДМН > 1-МН ≈ 1,3-ДМН ≈ 2,7-ДМН > 2,3,6 - ТМН ≈ 2 - МН ≈ 2-ЕН >> 2,3-ДМН > 1,5 - ДМН (для катализаторов, полученных из эмульсий); 1,5 - ДМН > 2,7-МН > 2,6 - ДМН >1,8-ДМН > 2,3,6 - ТМН > 2 - ЕН > 2,3-ДМН > 1,6-ДМН > 1,4 - ДМН >> 1,3 - ДМН >> 1,5 – ДМН (для катализаторов, полученных маслорастворимых прекурсоров). Получены данные по гидроконверсии специально синтезированных фракций диалкилнафталинов с содержанием смеси бутиламил-, гексиламил- и диамилметилнафталинов (основная фракция указанных нафталинов характеризуется температурами кипения 420-500 ºС) в присутствии использованных сульфидных систем, формирующихся in situ. Показано, что используемые катализаторы обеспечивают при 380-400 ºС исчерпывающее гидрирование и гидрокрекинг указанных субстратов с конверсией до 90% и с выходом продуктов крекинга до 25%. Показано, что при применении катализаторов на основе дендримерных сеток. количественные конверсии нафталина достигается уже при 350 ºС, причем активность системы в присутствии ДМДС была несколько ниже, чем в присутствии серы (52% за 5 часов против 89%). Для гидрирования ароматических соединений в ионных жидкостях, показано, что максимальная активность систем достигается при дополнительном добавлении никеля до соотношения W:Ni 1 к 1. При конверсии 92 % основным продуктом реакции является (также как и при других отношениях) тетралин, селективность по декалинам составляет 2 %, соотношение цис- и транс-декалинов − 1/2. Как метилнафталины, так и диметилнафталины, гидрируются до соответствующих тетралинов (доля декалинов не превышает 5%). Скорость гидрирования падала в следующем ряду: 1,8-ДМН > 2,7 - ДМН > 1 - МН ≈ 2,3-ДМН > 2,3,6 - ТМН >1,6-ДМН ≈ 2 - МН ≈ 2,6 - ДМН > 1,3-ДМН ≈ 1,4-ДМН > 2 - ЕН > 1,5 - ДМН Показано, что изменение активности определяется как снижением концентрации субстрата в ионной жидкости, так и специфическими взаимодействиями между катионами ионной жидкости и субстратом. Установлено, что при добавлении сульфидных ионных жидкостей ее оптимальная концентрация для достижения максимальной конверсии составляет 10% . Для формирования активного катализатора, обеспечивающего высокий выход декалинов, необходима активация в течение 10 часов. Результаты, полученные на данном этапе частично представлены в 2 статьях, которые выходят из печати в начале 2016 года. Кроме того, по полученному материалу готовится еще 4 статьи для публикации в следующем году. Результаты представлены на двух международных конференциях. Таким образом, запланированные на 2015 годы работы выполнены полностью.

 

Публикации

1. Сизова Ирина Александровна, Куликов Альберт Борисович, Онищенко Мария Игоревна, Сердюков Сергей Иванович, Максимов Антон Львович Синтез сульфидного никель-вольфрамового катализатора гидродеароматизации разложением маслорастворимых прекурсоров журнал «Нефтехимия», Т.56, №1, С.52-58 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.7868/S0028242115060179

2. Сизова Ирина Александровна, Сердюков Сергей Иванович, Максимов Антон Львович Получение NiW-катализаторов разложением обратных эмульсий или суспензий прекурсора в углеводородном сырье для гидрирования ароматических углеводородов журнал «Нефтехимия», Т.56, №2, С.150-157 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.7868/S0028242116020131


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Исследованы процессы формирования in situ сульфидных катализаторов в эмульсиях с добавлением источников кислых оксидов и наноразмерных оксидов. Показано, что при формировании in situ сульфидных катализаторов в эмульсиях с добавлением водорастворимых солей (нитрат алюминия и оксинитрат циркония) в сульфидирующей атмосфере вместе с активной сульфидной фазой (промотированные никелем сульфиды молибдена и вольфрама) образуются частицы соответствующих аморфных оксидов размером от 100 нм до 1 мкм. Установлено, что процесс образования оксидов существенно влияет на морфологию и степень осернения образующихся из маслорастворимых и водорастворимых прекурсоров частиц NiWSx и NiMoSx фаз. Наряду с уменьшением доли сульфидной и существенным ростом доли оксисульфидной фазы, до 90% снижается степень промотирования сульфида молибдена или вольфрама никелем и число слоев сульфида. Установлено, что в случае применения в качестве прекурсоров оксидов растворимых в органических средах алкоксидов (с эквимолярным количеством воды для их гидролиза) степень сульфидирования формирующейся сульфидной фазы снижается не столь значительно в процессе образования аморфных оксидов (размер частиц от 10 до 500 нм); среднее число слоев фазы уменьшается до двух. Среди модифицирующих добавок наибольшей эффективностью обладает элементная сера, использование которой обеспечивает увеличение доли сульфидной фазы до 50%. Показано, что при использовании в качестве источников кислого компонента наноразмерных частиц оксидов титана, алюминия возможен синтез катализаторов, характеризующихся как высокой степенью сульфидирования, так и высокой степенью промотирования поверхности сульфида никелем в случае его использования. Сульфид образуется как на поверхности оксидов, так и в растворе, причем наблюдается некоторое увеличение доли оксисульфидной фазы и уменьшение числа слоев сульфида (с 2.7 до 2 для маслорастворимых прекурсоров и с 3 до 2.3 для водорастворимого). Установлено, что синтез сульфидных катализаторов в присутствии нанокристаллитов цеолитов Y (модуль равен 60–80) и бета (модуль равен 38) позволяет получать при использовании добавок серы катализаторы со степенью промотирования до 70–75%. Частицы формируются как на поверхности цеолита, так и в растворе, причем число слоев в сульфидах составляло от 2 до 3 нм при средней длине частиц около 5 нм. Исследование процесса формирования in situ наночастиц оксидов и сульфидов в углеводородной среде с использованием сверхкритического метанола. Установлено, что в случае применения сверхкритического метанола для получения in situ частиц оксидов алюминия (титана) и сульфидов вольфрама (молибдена) в углеводородной среде образуются преимущественно наноразмерные оксиды, а сульфидирование формирующихся оксидов молибдена и вольфрама затруднено. Показано, что использование добавки серы и маслорастворимых прекурсоров позволяет повысить долю сульфида и сформировать двухфазную систему (метанол-углеводород) с катализатором, находящимся в полярной фазе. Исследована модификация системы сульфид-наноразмерный кислый оксид в углеводородах тетраалкоксисиланом или тетраалкоксицирконием Установлено, что наличие уже образовавшегося сульфида препятствует модификации. Показано, что наиболее предпочтительным способом модификации, обеспечивающим сохранение высокой степени сульфидирования, является ее проведение с одновременным формированием сульфида из маслорастворимых прекурсоров (карбонил вольфрама + этилгексаноат никеля) в серосодержащей среде. Исследован процесс формирования наноразмерных сульфидных каталитических систем в углеводородах с использованием кислых ионных жидкостей. Показано, что формирование сульфидных частиц при 350°С из ([BMPip]2Ni(WS4)2 сопровождается частичным разложением ионной жидкости. Предложен новый прекусрор – специально синтезированная впервые соль [(Ph)3S]2Ni(WS4)2, разложение которой возможно при более низких температурах. Показано, что в ионных жидкостях за счет структурообразования частицы сульфидного катализатора достигают значительной длины (10–15 нм), число слоев составляет от 3 до 4. Разложение [(Ph)3S]2Ni(WS4)2 обеспечивает формирование активного компонента, для которого более 60 % вольфрама на поверхности катализатора находится в сульфидной форме, 40 % вольфрама находится в кислородном окружении. Продемонстрировано, что использование полифениленсульфида в сочетании с карбонилом вольфрама и этилгексаноатом никеля позволило синтезировать сульфидный катализатор в углеводородной среде (н-гексадекан – метилнафталин) со средним размером частиц от 50 до 200 нм, степенью сульфидирования более 65% и степенью промотирования никелем более 70% Исследование процесса гидрокрекинга модельных алкилароматических, нафтеновых и полиароматических модельных субстратов на синтезированных при реализации проекта каталитических системах. Показано, что последние обладают активностью в гидрировании-гидрокрекинге модельных субстратов (гексадекан, тетралин, нафтали, замещенные нафталины, замещенные алкилбензолы и алкилнафталины) при давлении водорода 2.0-5.0 МПа и температуре 380-420 °С. Наиболее активным в гидрировании нафталина среди водорастворимых прекурсоров является катализатор на основе прекурсора Mo1,7WNi-C18-ПМА. Установлено, что добавки водо- или маслорастворимых прекурсоров оксидов алюминия или циркония, ведущие к образованию фазы оксид-сульфидный компонент, приводили лишь к снижению активности в реакциях гидрирования и мало влияли на гидрокрекинг конкретных субстратов. При использовании карбонилов как источников вольфрама (молибдена) и источников кислых оксидов (алюминия (Al[OCH(CH3)2]3 и титана (Ti[OCH(CH3)2]4) возможно достижение высокой степени превращения н-С16Н34 при температуре выше 410 °С, сопровождающееся снижением активности в отношении гидрирования нафталина. Сходный эффект имело использование титансодержащего прекурсора. При использовании добавок в виде коммерческих наноразмерных оксидов наибольшей активностью в отношении гидрирования обладала система TiO2 + Mo(CO)6 + 2.5% S Заметный гидрокрекинг парафинов начинается при температуре выше 400 оС. Показано, что модификация оксидов с использованием тетраалкосисилана и тетралкоксициркония с одновременным синтезом активной сульфидной фазы приводит к повышению доли продуктов крекинга и лишь небольшому снижению активности в отношении гидрирования. Установлено, что применение цеолитов в качестве добавок приводило к резкому росту скорости крекинга алкана – н-гексадекана при сохранении высокой степени гидрирования нафталинов и аклилнафталинов и появлении в продуктах алкилбензолов Показано, что гидрирование в кислых ионных жидкостях на синтезированных in situ сульфидных катализаторах ведет к образованию наряду с продуктами гидрирования смеси алкилбензолов. Установлено, что использование [(Ph)3S]2Ni(WS4)2.не требует добавок серы для получения катализатора с высокой долей сульфидной фазы и активностью. Указанный прекурсор позволяет получать сульфидные системы, обеспечивающие конверсию ароматических субстратов, близкую к 100%, и в случае нафталина – с образованием наряду с тетралинами продуктов исчерпывающего гидрирования. Установлено, что при использовании вольфрам- и молибденсодержащих катализаторов, синтезируемых в присутствии полифениленсульфида, достигается количественная конверсия нафталина при селективности по декалинам более 45%, для 2-метилнафталина при количественной конверсии доля декалинов составляла 19%. Катализаторы на основе маслорастворимых прекурсоров W(CO)6 или Mo(CO)6 обеспечивают высокую конверсию монозамещенных бензолов с заместителями – неразветвленными алканами C13-C16. (температура начала кипения исследованной смеси 285 °С, более 75 масс. % выкипает при температуре более 360 °С) с образованием до 74 % продуктов крекинга и степени гидрирования 79 %. Установлено, что введение наночастиц оксидов и цеолитов приводило к существенному росту как доли продуктов крекинга (в том числе образующегося циклогексанового фрагмента), так и гидрирования. Сходные закономерности найдены для гидрирования смеси С5-С7-алкилнафталинов с использованием различных систем на основе маслорастворимых прекурсоров. Наряду с гидрированием ароматического фрагмента протекает гидрокрекинг образующихся продуктов (доля продуктов гидрокрекинга от 35 до 75%). Изучено превращение различных гетероароматических конденсированных субстратов и модельных смесей на сульфидных и кислых сульфидных каталитических системах. Установлено, что предлагаемые системы обеспечивают конверсию ДБТ и 2-МДБТ от 95 до 99 % с образованием в качестве основного продукта циклогексилбензола. Показано, что добавки оксида алюминия несколько увеличивают, а оксида титана – уменьшают активность в превращении дибензотиофенов. Добавление наноразмерных цеолитов существенно увеличивает конверсию. Исследован процесс гидрокрекинга высокоароматических газойлей с использованием полученных in situ наноразмерных сульфидных катализаторов в реакционной среде. Показано, что маслорастворимые прекурсоры обеспечивают получение высокоактивного катализатора гидрокрекинга-гидродеароматизации легкого газойля каталитического крекинга (содержание ароматических углеводородов в сырье 55%). В оптимальных условиях содержание серы в продукте не превышает 60 мг/кг, а содержание ароматических углеводородов – 28%. Установлено, что использование кислотных компонентов обеспечивает резкий рост эффективности гидрооблагораживания ЛГКК наряду с увеличением доли продуктов гидрокрекинга. Наиболее значительное снижение содержания ароматических углеводородов и остатка, выкипающего выше 360 °С, и увеличение доли керосиновой и бензиновой фракций наблюдалось при использовании цеолита Y(60). Доля моноароматических продуктов в конечных продуктах не превышает 27%. Результаты, полученные на данном этапе, частично представлены в 4 статьях, которые опубликованы в 2016 году или выходят из печати в начале 2017 года. Кроме того, по полученному материалу 2 статьи отправлены в печать для публикации в следующем году и подана заявка на патент по получению катализаторов гидрооблагораживания ароматических газойлей на основе сульфониевых солей тиокомплексов. Результаты представлены на международных и российских конференциях в устных и стендовых докладах. Таким образом, запланированные на 2016 год работы выполнены полностью.

 

Публикации

1. Петрухина Н.Н., Сизова И.А., МаксимовА.Л. Никель- и кобальтмолибденовые сульфидные катализаторы гидрирования и гидрообессеривания, полученные in situ из биметаллических прекурсоров Катализ в промышленности, - (год публикации - 2017)

2. Сизова И.А., Антонов С.В., Сердюков С. И., Максимов А.Л. Naphthalene Hydrogenation over Nickel–Tungsten Sulfide Catalysts Synthesized In Situ from DMSO–Hydrocarbon Medium Emulsions Petroleum Chemistry, Vol. 57, No. 1, pp. 66–70 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S0965544117010121

3. Сизова И.А., Куликов А.Б., Золотухина А.В., Сердюков С.И., Максимов А.Л., Караханов Э.А. Synthesis of Ni–W Aromatic Hydrocarbon Hydrogenation Catalysts by the Ex Situ and In Situ Decomposition of a Precursor Based on a Dendrimer Network Petroleum Chemistry, Vol. 56, No. 12, pp. 1107–1113 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1134/S0965544116120112

4. Сизова И.А., Максимов А.Л. Hydrofining of Light Cycle Oil over in situ Synthesized Nickel–Tungsten Sulfide Catalysts Petroleum Chemistry, Vol. 56, No. 6, pp. 510–521 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1134/S0965544116060098

5. Тополюк Ю.А., Максимов А.Л., Колягин Ю.Г. Catalytic Activity of In Situ Synthesized MoWNi Sulfides in Hydrogenations of Aromatic Hydrocarbons Russian Journal of Physical Chemistry A, - (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S0036024417020327

6. Максимов А.Л., Сизова И.А., Сердюков С.И., Куликов А.Б., Хаджиев С.Н. Катализатор гидропереработки нефтяных фракций (варианты) -, 2016139240 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Исследован гидрокрекинг газойля каталитического крекинга (ГКК) и вакуумного газойля (ВГО) на катализаторах, полученных из маслорастворимых прекурсоров и их комбинациях с наноразмерными оксидами (алюминия, титана) и алюмосиликатами. Для гидропревращения ГКК установлено оптимальное содержание вольфрама (4.2 мас.%), цеолита и элементной серы (2,5 мас.%) в реакционной среде. Показано, что в условиях реакции обеспечивается высокая степень гидрообессеривая ГКК и содержание серы в продуктах 60 мг/кг. Определено, что использование кислотных добавок обеспечивает рост скорости гидрирования, степени гидродеароматизации и гидрокрекинга ГКК. Установлено, что при 380°С степень превращения ГКК – 96%, выход фракции (180-360ºС) равный 53% и исчерпывающее гидрирование поли- и бициклических ароматических углеводородов наблюдается при использовании цеолита Y(60). Предположено, что рост активности катализаторов в присутствии Y(60) объясняется протеканиям реакций гидродециклизации и деаликлирования замещенных ароматических соединений. На примере 2-метилнафталина продемонстрировано, что в присутствии описанного катализатора происходит образование продуктов гидрокрекинга и изомеризации н-гексадекана, а также продуктов гидрирования 2-метилнафталина и деалкилированного гомолога – соотвествующих тетралинов. Установлено формирование промотированных никелем наночастиц сульфида вольфрама, содержащих более 60% Ni-W-S фазы, локализованных как на поверхности цеолита, так и изолированных. Установлено, что рост температуры процесса превращения ГКК приводит образованию преимущественно легкокипящих бензиновых и керосиновых фракций, а увеличение времени приводит к облегчению фракций продуктов конверсии. Доказано, что введение в реакционную среду (при 380 ºС) комбинации прекурсоров – карбонилов молибдена и вольфрама в присутствии цеолита Y(60) позволяет варьировать состав получаемых продуктов. Отмечено, что гидрокрекинг ВГО при 380-400°С на наноразмерных сульфидных Ni-W катализаторах протекает и в отсутствие добавок оксидов или алюмосиликатов. Показано, что в условиях реакции формируются наноразмерные (4 нм) преимущественно однослойные частицы сульфида вольфрама, промотированные никелем с долей Ni-W-S фазы 48%. Установлено, что добавка цеолита Y(5.2) к системе, сформированной из карбонила вольфрама и этилгексаноата никеля (II), обеспечивает степень превращения ВГО во всем изученном интервале температур. Определено, что фракционный состав продуктов конверсии ВГО меняется с увеличением времени эксперимента. Показано, что активность полученного катализатора в гидрообессеривании увеличивается с ростом времени контакта с сырьем, а влияние температуры реакции незначительно. Установлено, что при двукратном уменьшении концентрации компонентов (цеолита, никеля и вольфрама) конверсия ВГО снижается в среднем в полтора раза, степень гидродеароматизации увеличивается с ростом содержания никеля и вольфрама и достигает 95%. Отмечена более низкая каталитическая активность в присутствии добавок цеолита Beta (38), что может быть связано с особенностями текстуры цеолита. С применением комплекса методов физико-химического анализа показано формирование объединенных в агломераты пластинок WS2, локализованых не только на поверхности кристаллитов цеолитов, но и отдельно в растворе. Определено содержание промотированной Ni-W-S фазы, что составляет 53 и 42% для катализаторов с добавкой цеолитов Y и Beta, соответственно. Показано, что добавки аморфного алюмосиликата ASA и наноразмерного оксида титана позволяют получать in situ катализатор гидрокрекинга ВГО, активность которого сопоставима с системой, содержащей цеолит Y. Определено, что при росте температуры возрастает доля бензиновой фракции. Показано незначительное влияние температуры на активность систем в гидрообессеривании. Показано, что степень гидродеароматизации на катализаторе с ASA увеличивается с ростом времени реакции, но снижается при увеличении температуры до 400°С. Методом ПЭМ доказано распределение промотированных частиц сульфида вольфрама (средняя длина 3 нм, число слоев в мультислойном агломерате - 2) только на поверхности алюмосиликата. Установлено формирование на поверхности 28% и 53% никель-вольфрам сульфидной фазы, соответственно для систем с АSA и TiO2. Показана невысокая активности системы с добавками ASA в гидрировании ароматических соединений. Установлено, что для систем с наноразмерным Al2O3 активность в гидрокрекинге существенно зависит от температуры процесса. Установлено, что низкое содержание на поверхности активной в гидрировании смешанной никель-вольфрам сульфидной фазы (33%) не обеспечивает высокой активности катализатора в гидродеароматизации. Определена морфология сульфидных частиц, сходная с образцом, полученным в присутствии TiO2 (средняя длина 3 нм, среднее число слоев – 2). Показаны варианты выделения и регенерации каталитических систем. Определено, что катализаторы, не содержащие добавок наноразмерных оксидов или цеолитов, легко редиспергировались в сырье и практически сохраняли активность в четырех повторных циклах использования для обоих типов газойлей. Установлено, что высокая дисперсность сульфидных частиц сохраняется, а фазовый состав поверхности катализаторов меняется незначительно. Показано наименьшее влияние длительности использования катализатора для систем с добавками наноразмерных окисей алюминия и титана. Установлено изменение фазового состава поверхности катализаторов в сторону небольшого увеличения содержания фаз, содержащих кислород. Показано, что изменение состава сырья определяет возможность повторного использования катализаторов. К четвертому циклу превращения ГКК (380°С, 5 ч) в присутствии добавок Y(60) снижение значений конверсии и выхода фракций составляет около 9%, процесс гидропревращения ВГО (390°С, 5 ч) сопровождается существенным падением активности на втором цикле использования регенерированного катализатора, что обусловлено формированием продуктов уплотнения и углеродных отложений. Показано, что происходит и небольшое окисление поверхности катализаторов. Установлено снижение активности систем в гидрообессеривании. Установлена возможность использования катализатора, сформированного из тионильной соли [(Ph)3S]2Ni(WS4)2, на протяжении 8 циклов в оптимальных условиях проведения процесса на примере модельной смеси 10% р-ра нафталина в н-гексадекане. Показано сохранение 100%-ной степени превращения нафталина на протяжении 8 циклов. Установлено, что начиная с четвертого цикла снижается селективность по транс-декалину и увеличивается доля тетралина. Введение элементной серы на 7 цикле позволило увеличить долю декалинов до 60%. Показано формирование преимущественно 5-слойных нано частиц (7 нм) и сохранение их морфологии после многократного использования катализатора. Показана возможность регенерации катализаторов, сформированных в углеводородной среде из водных растворов гидролизованных сополимеров малеинового ангидрида с октадеценом (ПМА), метилвинилового эфира (МВЭ), солей никеля, вольфрама и молибдена с добавками элементной серы. Отмечено сохранение стабильной работы на протяжении 3-4 циклов в гидрировании нафталина и 2,6-диметилнафталина. Конверсия нафталина составляла 100% при селективности по декалинам 60 и более %. Установлено, что катализатор на основе сполимера метилвинилового эфира характеризуются меньшей активностью в гидрировании нафталина и 2,6-диметилнафталина, но большей стабильность. Установлено сохранение сложной текстуры шарообразных частиц с локализованными внутри пластинками сульфидов. Определены оптимальные условия процесса гидрокрекинга - 380°С при давлении водорода 5.0-7.0 МПа. Показано, что оптимальный катализатор формируется из карбонила вольфрама, этилгексаноата никеля (II) и добавок цеолита Y(60) или Y(5.2) в случае ГКК и ВГО, соответственно. Установлено образование продукта гидрокрекинга ГКК, содержащего не более 60 мг/кг серы, не более 20% моноароматических углеводородов и 60% бензин-керосиновой фракции. Определены оптимальные условия гидрокрекинга ВГО в сларри-системе - 400°С при давлении водорода 5.0-7.0 МПа. Установлено образование продукта гидрокрекинга ВГО, содержащего не более 400 мг/кг общей серы, содержащего не менее 55% среднедистиллятной фракции. Результаты, полученные на данном этапе, частично представлены в трех опубликованных в 2017 году статьях и одной статье, которая выйдет в печать в начале 2018 года. Две статьи подготовлены к печати и проходят рецензирование. Результаты представлены на международных и российских конференциях в пленарном, устном и стендовых докладах. Таким образом, запланированные на 2017 год работы выполнены полностью.

 

Публикации

1. Захарян Е.М., Онищенко М.И., Максимов А.Л. Promoted Catalysts for Hydrogenation of Bicyclic Aromatic Hydrocarbons Obtained in situ from Molybdenum and Tungsten Carbonyls Petroleum Chemistry, - (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S0965544118010164

2. Максимов А.Л., Сизова И.А., Хаджиев С.Н. Catalysis in a dispersion medium for the hydrogenation of aromatics and hydrodearomatization in oil refining Pure and Applied Chemistry, V.89, I. 8, P. 1145 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1515/pac-2016-1202

3. Онищенко М.И. , Куликов А.Б., Максимов А.Л. Application of Zeolite Y-Based Ni–W Supported and In Situ Prepared Catalysts in the Process of Vacuum Gas Oil Hydrocracking Petroleum Chemistry, Vol. 57, No. 14, pp. 1225–1232 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S0965544117140079

4. Сизова И.А., Максимов А.Л. Nickel–Molybdenum Sulfide Naphthalene Hydrogenation Catalysts Synthesized by the In Situ Decomposition of Oil-Soluble Precursors Petroleum Chemistry, Vol. 57, No. 7, pp. 595–599 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S096554411707009X


Возможность практического использования результатов
Результаты исследований, проведенных в рамках выполнения проекта, способствуют формированию научных основ экологически чистых, ресурсосберегающих и энергоэффективных процессов переработки тяжелого углеводородного сырья и повышения эффективности глубокой переработки углеводородов. Существенно расширено понимание особенностей конверсии тяжелых углеводородов с применением каталитических наноразменых и дисперсных систем, выявлены закономерности изменения катализаторов при повторном использовании. Предложены научные основы технологии гидропревращения тяжелых углеводородных фракций в среднедистиллятные продукты в сларри-реакторах при давлении водорода не превышающем 10 МПа с использованием полученных наноразмерных катализаторов. Создана научная база для последующего проведения прикладных исследований в области превращения тяжелых нефтей и нефтяных фракций. Полученные результаты лягут в основу разработки технологий использования диспесных катализаторов для гидроконверсии газойлей каталитического крекинга в дизельные топлива и авиакеросины высокой плотности.