Кавитационная переработка каменноугольной смолы присутствий нанокаталический добавки никеля
Автор: Мусина Г.Н., Жорабек А.А., Рахимбаева Г.Ж.
Журнал: Форум молодых ученых @forum-nauka
Статья в выпуске: 11-2 (27), 2018 года.
Бесплатный доступ
Работа посвящена изучению влияния роторно-пульсационной кавитации на деструкцию каменноугольной смолы. В данной статье рассмотрено влияние нанокатолических добавок на каменноугольной смолы.
Ключeвыe cлoвa: нанокаталическая добавка, кaмeннoугoльнaя cмoлa, кавитационная переработка
Короткий адрес: https://sciup.org/140289761
IDR: 140289761
Текст научной статьи Кавитационная переработка каменноугольной смолы присутствий нанокаталический добавки никеля
В Республике Казахстан и за рубежом химические продукты из углей получают в основном с использованием процессов термической деструкции -коксования и полукоксования. Каменноугольная (коксохимическая) смола, состоящая в основном из конденсированных ароматических углеводородов и др. высокомолекулярных соединений, является наиболее трудно перерабатываемым высококипящим углеводородным сырьём [1].
Первичная каменноугольная смола имеет сложный химический состав: ароматические, гетероциклические соединения и их производные, выкипающие в широких пределах температур. Кроме того, смола содержит некоторое количество непредельных соединений и предельных углеводородов жирного и гидроароматического рядов. Состав каменноугольной смолы разных заводов однотипен, зависит не от состава угля, а от режима процесса. В настоящее время из каменноугольной смолы выделено более 400 индивидуальных соединений.
Первичная переработка каменноугольной смолы осуществляется на коксохимических заводах. Смолу подвергают разгонке на узкие фракции (таблица 1) на установках, включающих трубчатую печь и ректификационные колонны для разделения погона на фракции. Из фракций каменноугольной смолы индивидуальные вещества извлекают кристаллизацией, либо обработкой реактивами (например, раствором щёлочи при извлечении фенолов).
Таблица 1 – Состав каменноугольной смолы
|
Фракция |
Выход, масс. % |
Температурный интервал кипения, °С |
Плотность (при 20 °C), кг/м3 |
Выделяемые вещества |
|
Лёгкая |
0,2-0,8 |
н.к.-170 |
900-960 |
Бензол и его гомологи |
|
Фенольная |
1,7-2,0 |
170-210 |
1000-1010 |
Фенолы, пиридиновые основания |
|
Нафталиновая |
8,0-10,0 |
210-230 |
1010-1020 |
Нафталин, тионафтен |
|
Тяжёлая (поглотительная) |
8,0-10,0 |
30-270 |
1050-1070 |
Метилнафталины, аценафтен |
|
Антраценовая |
20,0-25,0 |
270-360 (и до 400) |
1080-1130 |
Антрацен, фенантрен, карбазол и др. |
|
Пек |
50,0-65,0 |
Выше 360 |
1200-1300 |
Пирен и др. высококонденсирован ные ароматические соединения |
Гидрогенизационные процессы тяжёлого углеводородного сырья (ТУС) проводятся в присутствии отечественных и зарубежных стационарных катализаторов на основе соединений Со, Мо, Ni, Fe и др. В промышленности применяются катализаторы А1-Со-Мо и Al-Ni-Mo (ТУ-38-101194-77), опытные образцы широкопористых катализаторов, синтезированные в Институте катализа СО РАН, и катализаторы фирмы «Халдор Топсе» (Дания). Установлено, что лучшие катализаторы – вещества с более или менее кислотными свойствами.
Жидкие продукты гидрогенизации ТУС содержат в своем составе помимо гетероциклических соединений значительное количество ароматических углеводородов.
В качестве объекта исследования была использована каменноугольная смола, полученная на предприятии ТОО «Сары-Арка Спецкокс». Выход каменноугольной смолы при производстве спецкокса составляет 6,6 % от сухого угля.
Физико-химические характеристики каменноугольной смолы, полученной при производстве спецкокса, представлены в таблице 10.
Таблица 2 – Техническая характеристика первичной КС ТОО «Сары-Арка Спецкокс»
|
Показатель |
Первичная каменноугольная смола |
|
Объёмная доля воды, % |
10,4 |
|
Плотность при 20 ºС, кг/м3 |
1042 |
|
н.к.- 180 ºС |
3 |
|
180-230 ºС |
7,2 |
|
230-270 ºС |
15,1 |
|
270-300 ºС |
17,1 |
|
300 ºС - к.к. |
6,2 |
|
всего отгона, % |
48,9 |
|
Температура конца кипения, ºС |
|
|
в парах |
315 |
|
в жидкости |
390 |
|
Выход пека, % |
50 |
|
Массовая доля веществ, нерастворимых в толуоле, % |
3,8 |
|
Массовая доля веществ, нерастворимых в хинолине, % |
Отсутствует |
|
Зольность, % |
0,1 |
|
Содержание фенолов, % |
> 20 |
|
Содержание нафталина, % |
Следы |
«Сары – Арка Спецкокс» до оптимальной величины (7 - 8 %) улучшило механическую прочность и физико - химические свойства кокса. Повышение выхода летучих веществ с 3,0 до 7,0 % не только увеличивает выход спецкокса на 2,5 %, но и улучшает извлечение паров первичной каменноугольной смолы в процессе полукоксования угля.
Уровни факторов определяют область факторного пространства. Критерием полноты протекания кавитационной обработки смолы является выход фракции н.к. - 270 оС. Данный критерий – зависимая величина (функция Y 1 -выход фракции н.к. - 270 оС в присутствии ПГКД - сульфата железа, Y 2 - выход фракции н.к. - 270 оС в присутствии ПГКД - сульфата никеля).
Уровни и интервалы варьирования изучаемых факторов представлены в таблице 3.
Таблица 3 – Уровни изучаемых факторов
|
Факторы |
Уровни |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
Х 1 -Температура, оС |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
|
Х 2 - Количество добавляемой воды в смолу, % |
4,0 |
6,0 |
8,0 |
10,0 |
12,0 |
|
Х 3 - Радиус капель эмульсии, мкм |
0,5 |
1,0 |
1,5 |
2,0 |
2,5 |
|
Х4 - количество добавляемой ПГКД FeSO 4 ∙ 7Н 2 О, NiSO 4 ∙ 6Н 2 О, % |
1,0 |
2,0 |
3,0 |
4,0 |
5,0 |
|
Х5 - продолжительность кавитационной обработки смолы, мин |
1,0 |
3,0 |
5,0 |
7,0 |
9,0 |
По результатам полученного массива экспериментальных данных выхода фракции н.к. - 270 оС из первичной каменноугольной смолы проводится выборка согласно плану – матрице (таблица 4).
Таблица 4 – План и результаты эксперимента по кавитационно – каталитической обработке первичной КС
|
№ |
Х 1 |
Х 2 |
Х 3 |
Х 4 |
Х 5 |
Y 1 , FeSO 4 ∙7Н 2 О |
Y 2 , NiSO 4 ∙6Н 2 О |
|
1 |
30 |
4 |
0,5 |
1,0 |
1,0 |
30,7 |
36,5 |
|
2 |
30 |
6 |
1,0 |
2,0 |
3,0 |
55,4 |
43,4 |
|
3 |
30 |
8 |
1,5 |
3,0 |
5,0 |
60,2 |
55,6 |
|
4 |
30 |
10 |
2,0 |
4,0 |
7,0 |
40,4 |
47,6 |
|
5 |
30 |
12 |
2,5 |
5,0 |
9,0 |
53,4 |
33,8 |
|
6 |
40 |
4 |
0,5 |
3,0 |
7,0 |
47,8 |
44,6 |
|
7 |
40 |
6 |
1,0 |
4,0 |
9,0 |
54,5 |
50,1 |
|
8 |
40 |
8 |
1,5 |
5,0 |
1,0 |
58,4 |
47,6 |
|
9 |
40 |
10 |
2,0 |
1,0 |
3,0 |
59,3 |
46,4 |
|
10 |
40 |
12 |
2,5 |
2,0 |
5,0 |
62,1 |
58,4 |
|
11 |
50 |
4 |
0,5 |
5,0 |
3,0 |
57,4 |
51,7 |
|
12 |
50 |
6 |
1,0 |
1,0 |
5,0 |
48,4 |
43,6 |
|
13 |
50 |
8 |
1,5 |
2,0 |
7,0 |
61,4 |
52,6 |
|
14 |
50 |
10 |
2,0 |
3,0 |
9,0 |
56,7 |
45,7 |
|
15 |
50 |
12 |
2,5 |
4,0 |
1,0 |
55,5 |
56,7 |
|
16 |
60 |
4 |
0,5 |
2,0 |
9,0 |
52,3 |
48,6 |
|
17 |
60 |
6 |
1,0 |
3,0 |
1,0 |
45,3 |
47,1 |
|
18 |
60 |
8 |
1,5 |
4,0 |
3,0 |
55,2 |
48,8 |
|
19 |
60 |
10 |
2,0 |
5,0 |
5,0 |
44,2 |
47,4 |
|
20 |
60 |
12 |
2,5 |
1,0 |
7,0 |
32,3 |
42,3 |
|
21 |
70 |
4 |
0,5 |
4,0 |
5,0 |
50,1 |
46,7 |
|
22 |
70 |
6 |
1,0 |
5,0 |
7,0 |
53,2 |
48,6 |
|
23 |
70 |
8 |
1,5 |
1,0 |
9,0 |
40,6 |
45,4 |
|
24 |
70 |
10 |
2,0 |
2,0 |
1,0 |
33,4 |
40,7 |
|
25 |
70 |
12 |
2,5 |
3,0 |
3,0 |
55,7 |
48,6 |
Радиус капель эмульсии (р-р первичной КС с водой) рассчитывали по уравнению Стокса исходя из скорости оседания водных капель.
Экспериментальные и расчётные значения частных функций для оптимизации процесса каталитическо-кавитационной обработки КС по выходу фракции н.к. - 270 оС приведены в таблицах 4 - 8.
Частные зависимости выхода фракции н.к. - 270оС в присутствии различных катализаторов изображены на рисунках 6,7.
В таблицах 9 и 10 приведены коэффициенты корреляции R и их значимости tR для частных функций выхода из первичной КС фракции н.к.-270 оС.
Таблица 5 - Экспериментальные значения (катализатор FeSO4 ∙ 7Н2О)
|
Функция |
Уровень |
Среднее значение |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
|
Y 1 |
48,02 |
56,42 |
55,68 |
45,9 |
46,6 |
50,5 |
|
Y 2 |
47,7 |
51,4 |
55,2 |
46,8 |
51,6 |
50,5 |
|
Y 3 |
51,6 |
48,7 |
47,6 |
51,0 |
53,9 |
50,5 |
|
Y 4 |
42,3 |
52,9 |
53,1 |
51,1 |
53,3 |
50,5 |
|
Y 5 |
44,5 |
56,6 |
53,0 |
47,0 |
51,5 |
50,5 |
Таблица 6 – Расчётные значения частных функций выхода фракции н.к.- 270 оС (катализатор FeSO 4 ∙ 7Н 2 О)
|
Функция |
Уровень |
Среднее значение |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
|
Y 1 =(0,558-0,0081 х -0,0032 х 2) х - 1 |
51,3 |
56,0 |
55,4 |
52,1 |
47,9 |
52,5 |
|
Y 2 =49,2exp(0,0032 х ) |
49,8 |
50,2 |
50,5 |
50,8 |
51,1 |
50,5 |
|
Y 3 =56,51-12,4 х +4,6 х 2 |
51,5 |
48,7 |
48,3 |
50,1 |
54,3 |
50,5 |
|
Y 4 =34,96 +10,18 х -1,36 х 2 |
43,8 |
49,9 |
59,5 |
53,9 |
51,9 |
51,8 |
|
Y 5 =22,4+12,1 х -1,5 х 2 |
33,0 |
45,2 |
45,4 |
33,6 |
9,8 |
33,4 |
Таблица 7 – Экспериментальные значения (катализатор NiSO 4 ∙6Н 2 О)
|
Функция |
Уровень |
Среднее значение |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
|
Y 1 |
43,4 |
49,4 |
50,1 |
46,8 |
46,0 |
47,1 |
|
Y 2 |
45,6 |
46,6 |
50,0 |
45,6 |
47,9 |
47,1 |
|
Y 3 |
47,6 |
47,5 |
48,1 |
47,2 |
45,3 |
47,1 |
|
Y 4 |
42,8 |
48,7 |
48,3 |
49,9 |
45,8 |
47,1 |
|
Y 5 |
45,7 |
47,8 |
50,3 |
47,1 |
44,7 |
47,1 |
Таблица 8 – Расчётные значения частных функций выхода фракции н.к. - 270 оС (катализатор NiSO 4 ∙ 6Н 2 О)
|
Функция |
Уровень |
Среднее значение |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
|
Y 1 =16,9-1,28 х -0,013 х 2 |
43,96 |
47,9 |
49,4 |
48,3 |
44,8 |
46,9 |
|
Y 2 =45,68exp(0,0039 х ) |
46,4 |
46,8 |
47,1 |
41,5 |
41,9 |
44,7 |
|
Y 3 =46,1-3,4 х +1,46 х 2 |
47,7 |
47,9 |
48,1 |
47,0 |
45,4 |
47,2 |
|
Y 4 =35,96 +8,45 х -1,3 х 2 |
44,1 |
47,7 |
49,7 |
49,1 |
45,9 |
47,3 |
|
Y 5 =43,4+2,5 х -0,26 х 2 |
45,6 |
48,5 |
49,3 |
48,0 |
44,6 |
47,2 |
Таблица 9 – Коэффициенты корреляции и их значимости (катализатор FeSO4 ∙ 7Н 2 О)
|
Функция |
R |
t R |
Значимость функции |
|
Y 1 |
0,769 |
3,27 |
Значима |
|
Y 2 |
0,820 |
4,520 |
Значима |
|
Y 3 |
0,959 |
20,68 |
Значима |
|
Y 4 |
0,901 |
8,33 |
Значима |
|
Y 5 |
0,442 |
1,22 |
Незначима |
Таблица 10 – Коэффициенты корреляции и их значимости (катализатор NiSO 4 ∙ 6Н 2 О)
|
Функция |
R |
t R |
Значимость функции |
|
Y 1 |
0,839 |
4,89 |
Значима |
|
Y 2 |
0,721 |
2,4 |
Значима |
|
Y 3 |
0,942 |
14,5 |
Значима |
|
Y 4 |
0,918 |
10,1 |
Значима |
|
Y 5 |
0,915 |
9,73 |
Значима |
Условия ККО первичной КС в присутствии ПГКД - FeSO4 ∙ 7Н2О: температура - 40 - 45 оС; количество добавляемой воды – 11 - 12 об. %; радиус капли эмульсии - 2,0 - 2,5 мкм; количество добавляемого ПГКД 3,0 -3,5 об. %; продолжительность обработки - 3,0 - 4,0 мин; в присутствии ПГКД - NiSO 4 ∙6Н 2 О : температура - 50 - 55,0 оС; количество добавляемой воды 7,0 - 8,0 об. %.; радиус капли эмульсии - 1,5 - 1,7 мкм; количество добавляемого ПГКД - 3,0 - 4,0 об. %; продолжительность обработки - 5,0 мин. Установлено, что при каталитическо-кавитационной обработке первичной КС происходит изменение направления реакций деструкции и гидрирования, связанные с разрушением ароматических структур и образованием гидроароматических углеводородов и выделением активных радикалов атомов водорода, которые повышают реакционную способность первичной смолы
Список литературы Кавитационная переработка каменноугольной смолы присутствий нанокаталический добавки никеля
- Байкенов М.И., Мусина Г.Н., Амерханова Ш.К., Жубанов К.А., Тулебаева Б.Б., Байкенова Г.Г. Каталитическая гидрогенизация угля в атмосфере шахтного метана // Перспективы развития химической переработки горючих ископаемых (ХПГИ-2006) Сб.тезисов материалов конференции. Санкт-Петербург 2006. - С. 218.
- Кузнецов П.Н., Торгашин А.С., Кузнецова Л.И., Жижаев А.М., Колесникова С.М. Изменение рентгеноструктурных параметров органической массы бурого угля в процессе низкотемпературной гидрогенизации в тетралине // Химия твердого топлива. - 2006. - № 5. - С. 3-10.
- Бесков В.С. Общая химическая технология. Учебник для вузов. - М.: Академкнига, 2006.
- Мaлoлeтнeв, A.C. Пoлучeниe тoвaрных фeнoлoв при гидрoгeнизaции углeй Кaнcкo-Aчинcкoгo бacceйнa / A.C. Мaлoлeтнeв, М.A. Гюльнaлиeвa // Химия твёрдoгo тoпливa. - 2007. - № 3. - C.21-29.
- Пoкoпoвa, Ю.В. Химия и тeхнoлoгия cлaнцeвых фeнoлoв / Ю.В. Пoкoпoвa, В.A. Прocкурякoв, В.И, Лeвaнoвcкий. - Л.: Нaукa, 1979. - 157 c.
- Гaврилoв, Ю.В. Пeрeрaбoткa твёрдых прирoдных энeргoнocитeлeй / Ю.В. Гaврилoв, Н.В. Кoрoлёвa, C.A. Cиницин. - Мocквa, 2001. - 160 c.
- Мaлoлeтнeв, A.C. Пoлучeниe cинтeтичecкoгo жидкoгo тoпливa гидрoгeнизaциeй углeй / A.C. Мaлoлeтнeв, A.A. Кричкo, A.A. Гaркушa. - М.: Нeдрa. - 1992. - 128 c.
