Катализаторы в химической промышленности. Краткий патентно-аналитический обзор

Катализаторы – ключевой элемент современной химической промышленности. Катализаторы применяются сейчас более чем в 90% промышленных химических процессов, по некоторым данным – около 95%. Они широко используются в производстве основных химических веществ (таких как аммиак, серная и азотная кислоты, метанол и т.д.), полимерных материалов, в фармацевтике, биотехнологии, нефтепереработке и многих других отраслях. Так, например, в нефтегазохимической промышленности они обеспечивают переработку углеводородного сырья, повышение выхода целевых фракций и достижение строгих экологических нормативов по качеству продукции и выбросам. Их применение охватывает как основные и вспомогательные процессы нефтепереработки, так и нефтехимию. Отдельным направлением стало применение катализаторов на стадии добычи, в том числе для повышения нефтеотдачи и разработки тяжёлых и высоковязких нефтей.

Промышленные катализаторы зачастую представляют собой гранулы или частицы на алюмооксидной или цеолитной основе, пропитанные растворами солей переходных металлов. Подобная архитектура обеспечивает развитую поверхность, механическую прочность и устойчивость к истиранию при циркуляции в химических реакторах, при этом важную роль играют пористость и распределение активной фазы, включая мезои микропоры, которые определяют диффузионные ограничения и селективность по целевым продуктам.

Современные направления патентования катализаторов включают создание наногетерогенных катализаторов, где активная фаза диспергирована в виде наночастиц в органической или неорганической матрице, что повышает активность и устойчивость к деактивации, а также катализаторов на основе мезопористых силикагелей и модифицированных цеолитов, позволяющих более гибко настраивать свойства под конкретные химические процессы.

Данный патентный анализ, проведённый на примере катализаторов для применения в нефтегазохимической промышленности, демонстрирует существенно выросший за предшествующее десятилетие и теперь устойчиво высокий интерес к их патентованию. Китай стал и остаётся основным разработчиком катализаторов для этой отрасли. Тем не менее в России активно развиваются собственное производство катализаторов, носителей и перевод химических технологий на них, причём стабильный рост в этой сфере возможен при тесном сотрудничестве коммерческих компаний и научно-исследовательских центров. Поэтому очень актуально патентование собственных разработок катализаторов, их носителей, а также технологий получения, применения, регенерации и переработки, адаптированных под российскую сырьевую базу.

Примеры важных изобретений иностранных патентообладателей

US2005239634A1 (Massachusetts Institute of Technology, US)
Мезоструктурированные цеолитные материалы и способы их изготовления и применения

Изобретение относится к мезоструктурированным цеолитам, способам их получения и применения, например в качестве катализаторов крекинга органических соединений, катализаторов деструкции полимеров, сорбентов для очистки воды, и обеспечивает получение цеолитных материалов с упорядоченной мезопористостью, дальним порядком кристалличности, практически одинаковыми площадями сечения мезопор и с регулируемым средним диаметром мезопор или толщиной стенки между мезопорами 1–5 нм, проявляющих более высокие степени конверсии.

US20160214093A1, 28.07.2016 (Battelle Memorial Institute, US)
Структура катализатора и способ синтеза Фишера – Тропша

Изобретение включает катализаторы Фишера – Тропша, способы их получения, процессы гидрирования монооксида углерода с их использованием и топливо, получаемое с помощью этих процессов, и обеспечивает возможность гидрирования CO с малым временем контакта, хорошими степенями конверсии и низкой селективностью по метану. В предпочтительном варианте катализатор изготавливается с использованием пенометаллической подложки.

CN105251527B, 26.06.2018 (China University of Petroleum Beijing, CN)
Композитное молекулярное сито и изготовленный с ним в качестве носителя катализатор гидрообессеривания

Изобретение предлагает композитное молекулярное сито и катализатор гидрообессеривания, изготовленный с его использованием в качестве носителя.
Композитное молекулярное сито Beta-FDU-12 имеет двухканальную структуру с микропорами Beta и мезопорами FDU-12, удельную площадь поверхности 800–1000 м²/г, диаметр пор 14–25 нм и объём пор 0,4–0,9 см³/г. Катализатор позволяет достичь выхода полученного каталитическим крекингом дизельного топлива более 99%, степени денитрификации более 98% и содержания серы менее 10 ppm.

CN106964391A, 21.07.2017 (INGEN GTL Ltd, GB)
Способы получения и формирования катализаторов и прекурсоров активных металлов на носителе

Предложены способ получения катализатора на носителе, включающий контактирование пористого носителя, содержащего каркас с пористой внутренней структурой и оснóвным осадителем внутри неё, с раствором или коллоидной суспензией, содержащей каталитически активный металл, так что при контакте с осадителем осаждаются частицы, содержащие каталитически активный металл, во внутренней пористой структуре каркаса носителя катализатора; полученные таким способом катализаторы и их применение в синтезе углеводородов способом Фишера – Тропша, что обеспечивает долгосрочную стабильность катализатора и позволяет избежать проблем, таких как спекание и миграция активных компонентов катализатора во время синтеза или использования, которые могут привести к деактивации катализатора.

Примеры некоторых значимых изобретений российских патентообладателей

RU2767882C1
Катализатор риформинга бензиновых фракций и способ его получения (2022, Роснефть)

Изобретение относится к получению катализатора риформинга бензиновых фракций в движущемся слое с его непрерывной регенерацией, на основе сферического алюмооксидного носителя, приготовленного методом углеводородно-аммиачного формования, содержащего платину, олово и хлор. Катализатор содержит, мас.%: платина 0,1–0,3, олово 0,1–0,4, хлор 1,0–1,1 и алюмооксидный носитель из смеси порошков гидроксида алюминия, содержащей гидроксид алюминия в виде 60 мас.% высокопористого бемита, имеющего объём пор 0,9–1,1 см3/г, и 40 мас.% малопористого псевдобемита, имеющего объём пор 0,5 см3/г – остальное, а также описан способ его получения. Технический результат – повышение механической прочности катализатора с минимальными потерями при истирании, гарантирующими высокую активность, селективность и стабильность работы катализатора при высокой жёсткости процесса.

RU2760552С1
Металлоустойчивый катализатор крекинга и способ его приготовления (2021, Газпромнефть-ОНПЗ)

Изобретение относится к металлоустойчивому катализатору крекинга и способу его получения. Катализатор включает ультрастабильный цеолит Y в катион-декатионированной форме, матрицу, состоящую из аморфного алюмосиликата, гидроксида алюминия и природной глины, и смешанный оксид магния-алюминия, причём в качестве компонентов матрицы используют каолиновую глину, гидроксид алюминия из продукта термохимической активации глинозёма и аморфный алюмосиликат, содержащий 1,5–3,5 мас. % оксида магния, а смешанный оксид магния-алюминия имеет мольное отношение магния к алюминию (5-7,5):1, и содержание указанных компонентов в катализаторе составляет, мас. %: цеолит Y 21–25; каолиновая глина 15–30; гидроксид алюминия 22–40; аморфный алюмосиликат 20–30, смешанный оксид магния-алюминия 2–3. Технический результат – высокая конверсия тяжёлого нефтяного сырья с повышенным содержанием металлов.