CC BY
21
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2016, Т. 2, №1
УДК 627.8
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВВЕДЕНИЯ РАСТВОРИТЕЛЯ УЗКОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО СОСТАВА И КАТАЛИЗАТОРОВ В НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЙ ФОРМЕ НА ВЫХОД БЕНЗИНОВОЙ ФРАКЦИИ ПРИ ПЕРЕГОНКЕ ТЯЖЁЛОЙ НЕФТИ ХАРЬЯГИНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ Н.Н. Балобаева, А.В. Выжанов
EXPERIMENTAL STUDY OF THE EFFECT OF THE INTRODUCTION OF A
HYDROCARBON SOLVENT, A NARROW COMPOSITION AND NANOSTRUCTURED CATALYSTS IN THE FORM ON THE YIELD OF THE GASOLINE FRACTION FROM THE DISTILLATION OF HEAVY OIL KHARYAGA
N.N. Balobaeva, A.V. Vyzhanov
Аннотация. В статье приведены результаты экспериментальных исследований влияния ввода в тяжёлую высокосмолистую нефть Харьягинского месторождения катализаторов в наноструктурированной форме и нефраса на процесс перегонки нефти с получением бензиновой фракции. Рассмотрен возможный способ повышения выхода светлой фракции при перегонке нефти с применением растворителя узкого углеводородного состава (нефраса) в комплексе с катализаторами в наноструктурированной форме. В ходе выполнения работы был изучен групповой углеводородный состав бензиновой фракции нефти Харьягинского месторождения, на основании полученных данных осуществлялся выбор растворителя. Данное исследование представляет практический интерес.
Ключевые слова: нефть; атмосферная перегонка; вакуумная перегонка; бензин; хроматографический анализ; компонентный состав; фракционный состав; катализ; термокаталитическая деструкция; катализаторы в наноструктурированной форме; нефрас; нефтяные дисперсные структуры; ассоциаты; карбоиды; кавитация; ультразвук; вибрационная обработка.
Abstract. The results of experimental studies of the effect of entry into the heavy oil vysokosmolistuyu Kharyaga nanostructured catalysts in form and Nefras the process of distillation of petroleum to produce gasoline fractions. A possible way to increase the yield of light oil fraction from distillation using a hydrocarbon solvent narrow composition (Nefras) in conjunction with a catalyst in a nanostructured form. In the course of the work it has been studied group hydrocarbon composition of petroleum fractions Kharyaga field, based on the obtained data the choice of solvent. This study is of practical interest.
Key words: oil, atmospheric distillation, vacuum distillation, gasoline, chromatographic analysis, component structure, fractional composition, catalysis, catalytic thermal degradation of the catalysts in a nanostructured form nefras, oil dispersed structure associates karboidy, cavitation, ultrasound, vibration treatment.
Введение
Нефть Харьягинского месторождения — тяжёлая, высоковязкая структура, проявляющая при температурах до +35 0С реологические свойства неньютоновской жидкости. Эти свойства вызывают трудности при ее транспортировке и термической деструкции при переработке. Проявление вышеуказанных свойств нефти связывается с наличием в ней нефтяных дисперсных структур.
http://vestnik-nauki.ru/
Основные продукты переработки нефти - моторные топлива и масла. На фоне сокращения запасов нефтяного сырья одна из основных задач - повышение выхода товарных продуктов и сокращение объема отходов производства, чего можно достигнуть повышением глубины переработки нефтяного сырья при разрушении нефтяных дисперсных структур.
Краткий обзор видов нефтяных дисперсных структур и методов их разрушения
Доказано существование в нефти нефтяных дисперсных структур (далее НДС), представляющих собой агломераты молекул углеводородов различного химического состава [1]:
• газовые — скопления лёгких низкокипящих насыщенных и ненасыщенных углеводородов, существующие в нефти в виде пузырьков газа, легко поддающихся разрушению и извлечению при помощи нагрева и перемешивания;
• ассоциаты циклических и алифатических углеводородов, представляющие собой коллоидную систему, в некоторых случаях поддающуюся разрушению в результате внешнего воздействия большой интенсивности;
• карбоидные структуры, практически неразрушающиеся в процессе атмосферной и атмосферно-вакумной перегонки нефти, даже при предварительной её обработке (мазут).
Существуют различные способы подготовки нефти к перегонке и разрушения НДС, с целью повышения выхода лёгких фракций [2]:
• струйно-кавитационная обработка, вызыввющая дробление углеродной структуры сырой нефти;
• ульразвуковая обработка (с испольованием погружного или проточного ультразвукового излучателя);
• трансзвуковая струйная обработка, заключающаяся в локальном высокоинтенсивном воздействии на поток обрабатываемой среды различных полей в совокупности с мгновенным перепадом давления;
• воздействие физическими полями (магнитная виброструйная активация );
• введение в сырьё растворителя;
• применение катализаторов.
В данном экспериментальном исследовании рассматривается влияние ввода растворителя узкого углеводородного состава и металлического катализатора в наноструктурированной форме.
Результаты экспериментального исследования
Состав НДС зависит от химического состава нефти и термодинамических условий несущего нефтяного пласта. Для определения химического состава бензиновой фракции, полученной при первичной перегонке нефти Харьягинского месторождения использовали газовый хроматорграф "Хроматэк-Кристалл 5000". Результаты анализа группового углеводородного состава прямогонного бензина в массовой, объёмной и мольной долях приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Групповой состав прямогонной бензиновой фракции нефти Харьягинского
Масса, %
Группа Парафины Изо- парафины Ароматика Нафтены Олефины Окси-генаты Итого
1 0,008 0,000 0,000 0,000 0,000 0,045 0,053
2 0,024 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,024
3 0,045 0,000 0,000 0,000 0,000 0,017 0,063
http://vestnik-nauki.ru/
Продолжение таблицы 1
4 0,007 0,006 0,000 0,000 0,020 0,000 0,033
5 0,005 0,008 0,000 0,000 0,525 0,000 0,537
6 3,384 0,005 0,080 0,177 0,163 0,000 3,809
7 4,222 2,665 0,862 4,916 0,278 0,000 12,942
8 4,499 3,497 1,771 1,258 0,000 0,000 11,024
9 3,913 5,657 0,975 2,301 0,710 0,000 13,556
10 0,109 1,078 0,022 0,000 0,000 0,000 1,209
11 0,059 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,059
12 0,015 0,000 0,035 0,000 0,000 0,000 0,050
13 0,466 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,466
14 0,018 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,018
Итог 16,773 12,916 3,744 8,652 1,696 0,062 43,843
Объем,%
Группа Парафины Изопарафины Ароматика Нафтены Олефины Окси-генаты Итого
1 0,021 0,000 0,000 0,000 0,000 0,045 0,066
2 0,049 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,049
3 0,064 0,000 0,000 0,000 0,000 0,015 0,079
4 0,008 0,008 0,000 0,000 0,024 0,000 0,040
5 0,005 0,009 0,000 0,000 0,557 0,000 0,572
6 3,619 0,006 0,064 0,167 0,172 0,000 4,028
7 4,355 2,788 0,701 4,526 0,279 0,000 12,649
8 4,516 3,510 1,437 1,148 0,000 0,000 10,612
9 3,846 5,519 0,796 2,094 0,730 0,000 12,985
10 0,105 1,035 0,018 0,000 0,000 0,000 1,158
11 0,056 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,056
12 0,014 0,000 0,027 0,000 0,000 0,000 0,042
13 0,435 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,435
14 0,017 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,017
Итог 17,110 12,874 3,044 7,936 1,762 0,060 42,787
Моли, %
Группа Парафины Изопарафины Ароматика Нафтены Олефины Окси-генаты Итого
1 0,048 0,000 0,000 0,000 0,000 0,156 0,205
2 0,080 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,080
3 0,104 0,000 0,000 0,000 0,000 0,029 0,133
4 0,012 0,011 0,000 0,000 0,036 0,000 0,059
5 0,006 0,011 0,000 0,000 0,757 0,000 0,775
6 3,971 0,006 0,104 0,213 0,196 0,000 4,490
7 4,262 2,690 0,946 5,064 0,286 0,000 13,247
8 3,983 3,096 1,687 1,134 0,000 0,000 9,901
9 3,086 4,461 0,821 1,843 0,569 0,000 10,780
10 0,077 0,766 0,016 0,000 0,000 0,000 0,860
11 0,038 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,038
12 0,009 0,000 0,022 0,000 0,000 0,000 0,031
13 0,256 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,256
14 0,009 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,009
Итог 15,942 11,042 3,595 8,254 1,845 0,185 40,862
Из результатов хроматографического анализа следует, что в её составе преобладают парафины, изопарафины, нафтеновые и ароматические углеводороды, высокое содержание которых в нефти обуславливает образование НДС по типу ассоциатов. Таким образом, для
Вестник науки и образования Северо-Запада России
http://vestnik-nauki.ru/ -------
~~^ --2016, Т. 2, №1
разрушения ассоциатов перед перегонкой нефти предлагается ввести в данное нефтяное сырье растворитель с преобладающим содержанием алифатических и ароматических углеводородов, которые повлияют на разрушение парафиновых и нафтеновых ассоциатов, что позволит снизить плотность сырья. В качестве растворителя используется нефрас типа «А», полученный при перегонке нефти с отбором фракции, выкипающей при температурах от 130 до 150 0С, содержащего ароматические углеводороды бензольного ряда с небольшим содержанием нафтенов, парафинов и непредельных циклических углеводородов.
В качестве катализатора процесса используется металлы в наноструктурированной форме - Ni, Cr, Cu, Fe. Размер частиц металлов в наноструктурированной форме от 15 до 50 нм. Размер частиц, их структура и гранулометрический состав наноструктурированных металлов определялись при помощи двухлучевого электронно-ионного микроскопического комплекса Neon 40 (Carl Zeiss, Германия).
Для увеличения поверхности контакта сырья с порошковым катализатором предлагается предварительно диспергировать катализатор в растворителе и ввести в сырье при механическом перемешивании полученную суспензию. Полученная смесь подвергается атмосферной перегонке.
При перегонке нефти Харьягинского месторождения без применения катализаторов наблюдается низкий выход бензиновой фракции - 19..22 %. Экспериментально установлено увеличение бензиновой фракции до 25..27% при введении в сырьё суспензии катализатора в наноструктурированной форме в нефтяном растворителе. Эффект увеличения выхода бензиновой фракции связан с частичным разрушением парафиновых и нафтеновых ассоциатов при введении в сырьё алифатического растворителя.
Поскольку при введении в сырье растворителя изменяются его реологические свойства, следует ожидать изменения интенсивности процесса перегонки. При экспериментальном исследовании также были зафиксированных параметры изменения температуры паров бензиновой фракции при перегонке нефти до и после введения растворителя и катализатора. На рисунках 1 и 2 представлены кинетические кривые изменения температуры паров бензиновой фракции и динамика процесса её извлечения в массовом выражении соответственно, характеризующие процесс перегонки нефти в отсутствии растворителя и катализаторов.
I 250
I 200
з
£ 150
LLI
| 100 1= (П
£ 50
н-ъ
I о
¡j 1 2 3 4 5 6 7 3 9 10 11 ^ время, мин
Рисунок 1 - Изменение температуры паров бензиновой фракции во времени при перегонке нефти
На рисунках 3 и 4 представлены кинетические кривые изменения температуры паров бензиновой фракции и динамика ее прироста в массовом выражении соответственно, характеризующие процесс перегонки нефти при введении растворителя и катализаторов.
http://vestnik-nauki.ru/
16.000
3= 14.000
О. 12,000
га" 10.000
гт: 8.000
и I- 6.000
Ч 4.000
га о 2,000
га 5 0.000
15 20 25 30 35 40 45 50 время, мин
Рисунок 2 - Прирост массы дистиллята во времени при перегонке нефти
сц аз
=Г
га о.
о
га 1= га ¡п.
I—
га
ш 1=
20 25 время, мин
Рисунок 3 - Изменение температуры паров бензиновой фракции во времени при перегонке нефти с использованием растворителя и катализаторов
18.000 = 16.000 | 14.000 12,000 ЬЕ 10.000 | 8.000 | 8.000 2 4.000
о 2,000 = 0.000
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 время, мин
Рисунок 4 - Прирост массы дистиллята во времени при перегонке нефти при введении растворителя и катализаторов
По результатам исследования интенсивности протекания и энергозатратности процесса перегонки выявлено повышение интенсивности процесса термической деструкции сырья, обусловленное понижением вязкости сырья вследствии частичного разрушения НДС при введнии в сырьё растворителя. При исследовании перегонки нефти также рассчитывались энергозатраты на процесс путем регистрации мгновенной мощности электронагревателя.
Кривая энергопотребления нагревательного прибора при пергонке до и после введения растворителя и катализаторов в наноструктурированной форме представлены на рисунках соответственно 5 и 6.
http://vestnik-nauki.ru/
и
га х х
ш
3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 51 55 59 63 67 71 75 79 83 87 91 95 99 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97
время, сек
Рисунок 5 - Кривая энергопотребления нагревательного прибора при перегонке нефти без ввдения растворителя и катализаторов в наноструктурированной форме.
о X
га х
X X
ш
3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 51 55 59 63 67 71 75 79 83 87 91 95 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93
время, сек
Рисунок 6 - Кривая энергопотребления электрического нагревательного прибора при перегонке нефти при ввдении растворителя и катализаторов в наноструктурированной форме.
При анализе кривых энергопотребления нагревательного прибора в процессе перегонки нефти до и после введения растворителя и катализаторов в наноструктурированной форме и расчёта суммарного потребления энергии за время процесса выявлено снижение энергозатрат после введения растворителя и катализаторов на 5%.
Заключение
Исследовано влияние введения растворителя узкого углеводородного состава в комплексе с катализаторами в наноструктурированной форме на выход бензиновой фракции и энергозатраты на процесс перегонки нефти. Выявлено повышение выхода бензиновой
Вестник науки и образования Северо-Запада России
-http://vestnik-nauki.ru/ -------
--2016, Т. 2, №1
фракции, увеличение интенсивности процесса при снижении энергозатрат на процесс перегонки нефти.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Ткачев С.М. Технология переработки нефти и газа. Процессы глубокой переработки нефти и нефтяных фракций. М.: УО «ПГУ», 2006. 345 с.
2. Ахметов Б.Р., Евдокимов И.Н., Елисеев Н.Ю.Некоторые особенности надмолекулярных структур в нефтяных средах // Химия и технология топлив и масел, 2002. № 4. С. 41-43.
3. Выжанов А.В. Способ термокаталитического получения дизельного топлива из печного топлива с использованием структур матриц нанометаллов // Сборник материалов II Международной заочной научной конференции для молодых ученых, студентов и школьников «Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы». Саратов: ФГБОУ ВПО «СГТУ им. Гагарина», 2013. С. 205-212.
4. Богачев Д. А. Каталитическое разделение сырой нефти под воздействием матричных структур // Молодой ученый, 2013. № 9. С. 40-43.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Балобаева Нина Николаевна ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбов, Россия, аспирант кафедры «Химия и химическая технология» E-mail: nina_balobaeva@mail.ru
Balobaeva Nina Nikolaevna FSEI HPE «Tambov State Technical University», Tambov, Russia, graduate student of «Chemistry and chemical technology»
E-mail: nina_balobaeva@mail.ru
Выжанов Алексей Валерьевич ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», г. Тамбов, Россия, аспирант кафедры «Химия и химическая технология». E-mail: alex666.1989@gmail.com
Vyzhanov Alexey Valer'evich FSEI HPE «Tambov State Technical University», Tambov, Russia, graduate student of «Chemistry and chemical technology»
E-mail: alex666.1989@gmail.com
Корреспондентский почтовый адрес и телефон для контактов с авторами статьи: 392036, Тамбов, улица Ленинградская 1, ТГТУ, корпус «Л», каб. 117. Балобаева Н.Н.
8(4752) 63-89-56,
