научная статья по теме ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСТВОРЕНИЕ КАШПИРСКОГО СЛАНЦА БЕНЗОЛОМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ПРИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСТВОРЕНИЕ КАШПИРСКОГО СЛАНЦА БЕНЗОЛОМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ПРИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2008, № 1, с. 14-18

УДК 662.67+665.452

ТЕРМИЧЕСКОЕ РАСТВОРЕНИЕ КАШПИРСКОГО СЛАНЦА БЕНЗОЛОМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ПРИ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ1

© 2008 г. Ю. Ф. Патраков*, Е. С. Павлуша*, Н. И. Фёдорова*, Ю. А. Стрижакова**

* Институт угля и углехимии СО РАН, Кемерово E-mail: chem@kemnet.ru ** Самарский государственный технический университет E-mail: nich@samgtu.ru Поступила в редакцию 09.04.2007 г.

Приведены результаты термического растворения горючего сланца в среде бензола на проточной установке при сверхкритических условиях. Установлено, что при увеличении давления растворителя с 5 до 15 МПа степень конверсии органического вещества горючего сланца в жидкие продукты возрастает в 2.5 раза.

Высокое содержание водорода (Н/С > 1.0) в органическом веществе (ОВ) горючих сланцев позволяет считать их перспективным сырьем для получения жидких углеводородов. В настоящее время уже выявленные и геологически разведанные запасы сланцев России исчисляются десятками миллиардов тонн. Сдерживающими факторами широкого использования сланцев являются их значительная зольность, а также химическая и физическая неоднородность даже в пределах одного месторождения, что требует особого подхода к использованию данного вида углеводородного сырья. Существующие углехимические технологии энергозатратны, характеризуются относительно невысокой производительностью и низкой степенью конверсии ОВ горючих сланцев в жидкие продукты, что стимулирует поиск новых, высокоэффективных методов их переработки [1, 2].

Одной из перспективных технологий получения жидких продуктов из твердых горючих ископаемых (ТГИ) может быть экстракция при сверхкритических (СК) условиях (СКФЭ) [3-6]. Поскольку сверхкритические флюиды обладают высокой, подобно жидкостям, плотностью и низкой, как у газов, вязкостью и коэффициентами диффузии на два порядка выше, чем у жидкости, они должны обеспечить эффективное разделе-

1 Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ < 07-08-96019 и интеграционной программы Сибирского Отделения РАН по проекту < 118 "Нетрадиционные ресурсы полезных ископаемых Сибири как резерв энергетики будущего: геология и переработка".

ние тонкодисперсных частиц (непревращенное органическое вещество, минеральная часть) и экстракта [7-10]. Кроме того, за счет уникальных свойств растворителей при СК условиях возможно не только более интенсивное растворение находящихся в порах органических соединений (би-тумоидов), но и уменьшение прочности донорно-акцепторных взаимодействий между отдельными фрагментами полимерной матрицы ОВ [7], что будет способствовать более мягким условиям термической деструкции. Следовательно, можно ожидать увеличение общей степени конверсии ОВ горючего сланца и расширение спектра получаемых продуктов.

Цель данной работы - изучить влияние давления растворителя на выход жидких продуктов в процессе высокотемпературной проточной экстракции горючего сланца сверхкритическим бензолом в неизотермических условиях.

В качестве объекта исследования использовали образец горючего сланца Кашпирского место-

2

рождения , характеристика которого приведена в таблице.

Термический анализ проводили на термоанализаторе фирмы Нвггъск 5ТЛ 409, масса образца 50 мг, тигель - платиново-иридиевый, нагрев до 1000°С со скоростью 10°С/мин в среде гелия.

Высокотемпературную СКФЭ осуществляли на лабораторной полупроточной установке (рис. 1). Для уменьшения влияния диффузионных

2 Образец горючего сланца предоставил д.х.н., проф.

В.Ф. Третьяков (ИНХС им. А.В. Топчиева РАН).

11

и —

Газ

Отбор проб

Рис. 1. Принципиальная схема установки экстракции при сверхкритических условиях: 1 - емкость с растворителем; 2 -насос; 3 - манометр; 4 - подогреватель растворителя; 5 - реактор; 6 - фильтрующие перегородки; 7 - печь; 8 - образец; 9 - холодильник; 10 - температурный программатор; 11 - регистратор температуры; 12 - термопара; 13 - регулирующий вентиль.

процессов и вторичного крекинга образующихся жидких продуктов использовали оригинальную конструкцию экстракционного аппарата. Образец горючего сланца (фракция крупностью 0.0630.1 мм) в количестве 5 г загружали тонким слоем (2-3 мм) в кольцевое пространство между двумя коаксиально расположенными цилиндрическими пористыми перегородками, помещаемыми в реактор высокого давления. В качестве фильтрующего материала использовали металлокерамиче-скую пластину толщиной 0.25 мм с размером пор 5-10 мкм, что практически исключало унос твердых частиц образца потоком растворителя. Насосом высокого давления растворитель подавали со скоростью 2.5 мл/мин, и после предварительного нагревателя он поступал равномерно по всей высоте загрузки от горячих стенок через слой образца к центру реактора и далее в холодильник, чем обеспечивалось быстрое (15-20 с) удаление раствора из высокотемпературной зоны. Нагрев реактора проводили в термопрограммируемых условиях от комнатной температуры до 500°С со скоростью 2.5°С/мин. Отбор экстрактов осу-

ществляли в интервале температур от 200 до 500°С через каждые 25°С.

В качестве растворителя использовали бензол как относительно термически стабильное и химически инертное вещество, что обеспечивает протекание процесса СКФЭ при минимальном химическом взаимодействии растворителя и исследуемого образца. Кроме того, одно из важнейших преимуществ бензола - относительно мягкие условия его критического состояния (Гкр = 288.9°С, Ркр = 4.83 МПа) [11, 12].

Отличительной особенностью СКФЭ горючего сланца оказалось выделение в растворенном виде высокомолекулярных компонентов - преас-фальтенов, нерастворимых в бензоле при обычных условиях. После отделения фильтрованием преасфальтенов, выпавших при охлаждении раствора в осадок, экстракт разделяли на асфальте-ны и мальтены по методике, описанной в [13].

Выход жидких продуктов в каждой точке исследуемого интервала температур (а) определяли посредством отношения суммы масс экстраги-

Характеристика горючего сланца Кашпирского месторождения

Технический анализ, % (со2)м общ Элементный состав, % на 4а/ Атомное отношение Выход экстракта, % Смоло- отдача, %

Ша л4 С Н 0 + N Н/С 0/С

1.0 48.4 11.0 5.2 65.4 7.8 26.8 1.4 0.3 4.2 22.0

3

2

Потеря массы, % 100

80

60

40

0 200 400 600 800 1000

Температура, °С

Рис. 2. Результаты термогравиметрического анализа горючего сланца Кашпирского месторождения: 1 -кривая потери массы исходного образца; 2 - кривая потери массы обеззоленного образца; Тн, Тк - начальная и конечная температуры основного разложения ОВ горючего сланца; Ткр - критическая температура бензола.

Степень конверсии, % ОВ 80 г

60-

40-

20-

5 10 15

Давление, МПа

Рис. 3. Изменение общей степени конверсии ОВ (1), суммарного выхода жидких (2) и газообразных продуктов (3) от давления растворителя при СКФЭ горючего сланца.

руемых продуктов (преасфальтенов - тпр, ас-фальтенов - тасф и мальтенов - тмал) в выбранной точке к органической массе исходной навески образца (т0):

а;

_ X (т

пр + тасф + тмал

тп

100%.

газообразные продукты может быть рассчитана по зольности исходного образца (Л1) и твердого

остатка после экстракции (Лк) по формуле [14]. Однако, в связи с тем, что горючий сланец имеет высокое содержание карбонатов (табл.) и в исследуемом интервале температур не происходит их разложение (рис. 2), общую степень конверсии ОВ горючего сланца при конечной температуре процесса рассчитывали с учетом карбонатной составляющей минеральной части исходного сланца (СО^ 0) и твердого остатка после экстракции (СО2 к) по формуле:

1 -

ап =

(Л Ч + СО 2о)

( л 1 + со2 ^)

1 - (Л 1 + СО 2п)

100%.

При термическом разложении ТГИ общая степень конверсии органической массы в жидкие и

Суммарный выход газообразных продуктов определяли по разнице общей степени конверсии ОВ и выхода жидких продуктов при конечной температуре процесса. Погрешность однотипных определений составляла ±1.5-2%.

Результаты термического растворения горючего сланца (рис. 3) демонстрируют, что с ростом давления увеличиваются как общая степень конверсии (с 65 до 80% на ОВ), так и суммарный выход жидких продуктов (с 20 до 55% на ОВ) при одновременном снижении количества газообразных веществ (с 45 до 25% на ОВ).

На рис. 4 приведены зависимости выхода жидких продуктов от температуры процесса при разных давлениях растворителя. Кривые имеют ин-дентичную и характерную для неизотермического метода форму, асимптотически приближаясь к максимально возможным значениям а^ в данных условиях. Процесс термического растворения ОВ горючего сланца в исследованном интервале температур можно разделить на две стадии, которые определяются как физико-химическими свойствами растворителя, так и свойствами ОВ сланца. Первая (I), до температур порядка 275-300°С, - докритическая экстракция, где термическое разложение ОВ горючего сланца незначительно (рис. 2) и происходит преимущественно извлечение бензолрастворимых веществ, адсорбированных в полимерной матрице ОВ. Следует отметить, что при давлениях растворителя 5 и 10 МПа выход жидких продуктов не превышает выхода спиртобензольного экстракта (таблица), а при давлении 15 МПа экстрагируется уже мак-

симально возможное их количество (до 10%). Вероятно, это связано с более глубоким проникновением растворителя при данном давлении в пористую структуру ОВ сланца и соответствует более полному извлечению битумоидных веществ.

Вторая стадия (II), в интервале температур 300-500°С, характеризуется двумя основными процессами: началом основного термического разложения ОВ горючего сланца (рис. 2) и переходом растворителя в сверхкритическое (флюидное) состояние.

При давлении растворителя 5 МПа (граница дои сверхкритической области) суммарный выход жидких продуктов не превышает 20% (рис. 3, 4), что практически соответствует количеству смолы пиролиза сланца в инертной атмосфере (таблица). Таким образом, можно полагать, что растворитель в данных условиях еще не обладает свойствами СК-флюида, а находится в состоянии перегретого пара и по своим свойствам близок к инертному газу. Общая степень конверсии ОВ при этом составляет 65%, выход газообразных продуктов

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком