Создание новых управляемых способов переработки тяжелого углеводородного сырья

История создания Института химии нефти СО РАН начинается с 1970 года, когда на работу были приняты первые сотрудники.

Институт был организован после того, как в 1960-е — 1970-е годы в Западной Сибири были открыты крупные месторождения нефти. Его профилем стали комплексные исследования, повышающие эффективность разведки, добычи, транспортировки и переработки черного золота, а с конца 1980-х годов — и решение экологических проблем в районах нефтедобычи (уничтожение природы на нефтяных промыслах требовало срочных мер).

Член-корр. Г. Ф. Большаков докладывает о работе Института химии нефти.

Первым директором-организатором ИХН в 1970 году стал член-корреспондент АН СССР М. Ф. Шостаковский. После него сменилось несколько директоров и новый этап развития исследований начался с избранием в 1981 году директором института член-корреспондента АН СССР Г. Ф. Большакова. Геннадий Федорович — специалист в области химии топлив, человек с незаурядной работоспособностью, характерная личность, — многое успел сделать за те восемь с половиной лет, в течение которых он возглавлял институт. В 1989 году пост директора заняла профессор Е. Е. Сироткина, вняв убеждениям председателя Сибирского отделения РАН академика В. А. Коптюга, и институт в это трудное для страны и науки время сохранился, устоял. В 1997 году директором института избрана профессор Л. К. Алтунина. С 2017 года институт возглавляет доктор химических наук Александр Владимирович Восмериков.

Сегодня ИХН — единственный институт Сибирского отделения РАН, который охватывает весь комплекс проблем химии нефти. В частности, большие успехи достигнуты в разработке физико-химических методов повышения нефтеотдачи — учеными под руководством профессора Алтуниной Л.К. создано 11 промышленных технологий, использование которых за последние 10 лет привело к увеличению добычи нефти на два миллиона тонн. Разработанные в Томске технологии применяются не только в России, но и нефтяниками Омана, Китая, Вьетнама. Промышленное производство гелеобразующей композиции с красивым именем «ГАЛКА» налажено на московском химическом заводе им. Войкова.

В состав Института входит 7 лабораторий, научно-исследовательский информационный центр с музеем нефтей, химико-технологическая группа и научная библиотека, на территории института расположена кафедра высокомолекулярных соединений и нефтехимии ТГУ.

Лабораторию углеводородов и высокомолекулярных соединений нефти возглавляет доктор химических наук Головко Анатолий Кузьмич. Научные исследования ведутся по двум направлениям: установление закономерностей группового и индивидуального состава углеводородов и разработка научных основ новых интегрированных способов и технологий переработки тяжелых углеводородов.

Выявлена зависимость термодеструкции тяжелого углеводородного сырья различных типов от содержания смолисто-асфальтеновых веществ и структуры их молекул. Установлены основные химические связи в структурных фрагментах молекул смол и асфальтенов, ответственные за их деструкцию в различных температурных интервалах и образование легких углеводородов – компонентов моторных топлив. В интервале 160–300 ^оС деструкция происходит вследствие разрушения сульфидных и эфирных, а в диапазоне 300-450 ^оС – метиленовых и полиметиленовых мостиков, связывающих различные углеводородные и гетероорганические фрагменты с поликонденсированным ядром молекул. При температурах выше 450 ^оС идет глубокое разложение смол и асфальтенов за счет разрыва связей С-С и С-S в нафтеновых циклах ядра. Полученные результаты являются научной основой для создания новых управляемых способов переработки тяжелого углеводородного сырья.

На основе научных данных о зависимости термодеструкции смолисто-асфальтеновых веществ тяжелого углеводородного сырья от их содержания и структуры молекул предложены каталитические добавки для безводородного крекинга нефтяного остатка с температурой начала кипения 360 ^оС (мазута) на основе оксида меди и наноразмерного порошка (НРП) железа с размером частиц 20 – 100 нм. Введение каталитических добавок в сырьё в количестве 1-2 % мас. при температуре крекинга 450 ^оС позволяет получать свыше 60 % мас. фракций моторных топлив (НК - 360 ^оС), что на 25 - 27 % мас. больше, чем при крекинге без добавок. При этом образуется незначительное количество побочных продуктов: газообразных 0,6 - 2,6 % мас. и твёрдых («кокса») 1,0 - 6,2 % мас.

Также разработана каталитическая система для безводородного крекинга тяжелого углеводородного сырья, состоящая из мезопористого алюмосиликата с диаметром пор до 50 Å и газофазного нанопорошка никеля со средним размером частиц 20 нм. Наличие мезопористой структуры в синтезированном алюмосиликате обеспечивает доступность его активных центров, расположенных в объёме, для крупных молекул нефтяного сырья (смол и асфальтенов), где они подвергаются деструкции. Частицы металла способствует диспропорционированию и перераспределению водорода от высокомолекулярных соединений к компонентам бензиновых и дизельных фракций, при этом газо- и коксообразование минимально.Каталитические системы могут использоваться для переработки тяжёлого нефтяного сырья, где применение обычных катализаторов невозможно.

Лабораторией каталитической переработки лёгких углеводородов (КПЛУ) руководит профессор, директор института А.В. Восмериков. Исследования лаборатории направлены на решение важной проблемы утилизации попутного нефтяного газа (ПНГ), который, по-прежнему, сжигается в огромных количествах в факелах на месторождениях, нанося ощутимый ущерб не только экономике, но и экологическому состоянию окружающих территорий. Полученные экспериментальные данные позволяют создать технологию по каталитической переработке ПНГ, не имеющую аналогов ни в России, ни за рубежом. Она предполагает комплексное получение смеси ароматических углеводородов (высокооктановая добавка к бензинам), бензола (получение этилбензола, капролактама, фенола, нитробензола, кумола и др.) и сухого газа (получение тепла и электроэнергии).

Не менее востребованными являются исследования по улучшению эксплуатационных свойств автомобильных и дизельных топлив, к качеству которых сегодня предъявляются очень жёсткие экологические требования. С помощью разработанных в лаборатории КПЛУ катализаторов из прямогонных нефтяных фракций получают высокооктановые бензины и дизельные топлива с улучшенными экологическими характеристиками.

На протяжении многих лет сотрудники лаборатории тесно сотрудничают со специалистами ПАО «Новосибирский завод химических концентратов» и ООО «Ишимбайский специализированный химический завод катализаторов» (Республика Башкортостан), совместно внедряют научные разработки в промышленное производство, получая новые катализаторы для облагораживания низкооктановых бензиновых фракций, депарафинизации дизельных топлив, синтеза ароматических соединений из лёгких углеводородов. На сегодняшний день уже производятся опытно-промышленные партии катализаторов для этих процессов.

В лаборатории КПЛУ успешно развиваются исследования в области химии высоких энергий или плазмохимии, изучаются механизм и кинетика процессов превращения углеводородов различных классов в неравновесной плазме барьерного разряда. Эти исследования необходимы для создания физико-химических основ плазмохимических технологий переработки органического сырья, в частности, природного и попутного нефтяного газов в синтетические жидкие продукты, высокооктановые компоненты моторных топлив, ценные органические соединения. Технологии на основе барьерного разряда не требуют катализаторов, высоких температур и давлений, поэтому могут быть реализованы без крупных материальных затрат, в том числе непосредственно на нефтепромыслах.

Лаборатория гетероорганических соединений нефти под руководством д.х.н. Мин Р.С. занимается исследованием состава, строения и свойств серосодержащих соединений нефти, рассматривается химия донорно-акцепторных взаимодействий в неводных многокомпонентных органических смесях. Проведен широкий цикл исследований по созданию теоретических и практических основ применения галогенидов металлов для выделения компонентов нефти из сложных органических смесей и применению теоретических концепций комплексообразования в практике разделения и анализа нефтяных систем.

Лаборатория природных превращений нефти – заведующая д.х.н. Серебренникова О.В., работает над установлением молекулярного состава порфиринов, полициклических ароматических углеводородов, путей их образования и превращения в земной коре.

Учёные выявляют общие взаимосвязи между химическим составом порфиринов, полициклических ароматических углеводородов и условиями залегания и формирования залежей нефти. Установление роли вторичных процессов в изменении состава порфиринов нефтей, а так же разрабатывают новые геохимические критерии палеогеографических реконструкций, исследуют примеси химических загрязняющих веществ в воздушной и водных средах (приземные слои атмосферы и природные воды), в компонентах биосферы.

В результате работы получены методики количественного выделения из нефтей порфиринов, установлен индивидуальный состав порфиринов широкого круга нефтей, разработан новый комплекс геохимических параметров состава органического вещества, позволяющий:

- оперативно проводить диагностику и идентификацию нефтематеринских пород;

- оценивать потенциальные запасы нефти на исследованной территории и палеообстановку осадконакопления;

- проводить корреляции нефть-порода для уточнения геологического строения месторождений – распространения и гидродинамической связи отдельных пластов;

- осуществлять контроль за разработкой многопластовых месторождений (определение раздельных дебитов совместно эксплуатируемых пластов).

Разработан метод определения относительных дебитов нефтей двух совместно эксплуатируемых пластов, создана региональная база данных по органическим примесям в окружающей среде бассейна Средней Оби, разработаны методики дифференцированной оценки вкладов отдельных источников в суммарное загрязнение.

Лаборатория может выполнить комплекс геохимических исследований для оценки перспектив нефтегазоносности. Комитет природных ресурсов Томской области, ОАО «Востокгазпром» уже используют результаты исследований.

Лабораторией коллоидной химии нефти руководит д.т.н., проф. Алтунина Л.К. Лаборатория занимается развитием теоретических и практических основ увеличения нефтеотдачи пластов физико-химическими методами. Семь технологий сданы Ведомственным комиссиям и рекомендованы для промышленной реализации. Технологии повышения нефтеотдачи пластов защищены патентами России, на их использование продано 8 лицензий.

Лаборатория реологии нефти (заведующая к.т.н. Юдина Н.В.) занимается разработкой научных основ технологии регулирования реологических свойств высоковязких и высокозастывающих нефтей.

Лаборатория физико-химических методов исследования под руководством заведующего к.т.н. Великов А.А. разрабатывает научные основы инструментальных методов анализа, занимается созданием автоматизированных приборов для научных исследований и контроля качества нефти и продуктов ее переработки.

Институт химии и нефти СО РАН выполняет поставленные задачи, ищет новые перспективы, регулярно участвует и побеждает в конкурсах различных научных Фондов и Федеральных целевых программах. Институт для государства необходим, надо сохранить его кадровый состав и научную базу. Институт химии нефти СО РАН активно ведет поиск потенциальных клиентов, ищет новые возможности для развития.