научная статья по теме ВЛИЯНИЕ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2011, № 5, с. 67-72

УДК 662.642

ВЛИЯНИЕ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

О 1

КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ1

© 2011 г. Ма Фэн-Юнь*, М. И. Байкенов**, Ш. К. Амерханова**, Р. М. Шляпов**, А. С. Уали**

* Синьцзянский университет, КНР ** Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова, Казахстан E-mail: amerkhanova_sh@mail.ru Поступила в редакцию 12.01.2011 г.

Изучено влияние кавитационного воздействия в присутствии псевдогомогенных каталитических добавок (ПГКД) на химический состав первичной каменноугольной смолы. Установлено, что при введении в смолу солей металлов происходит их восстановление с последующим сульфидиро-ванием, образованные сульфиды железа и никеля имеют форму, близкую к сферической.

При термической обработке углей в интервале температур 400—600°С выделяются первичные смолы [1]. Выход первичной смолы из углей Шу-баркольского разреза (Центральный Казахстан) составляет 9—12% на сухую массу исходного вещества. В отличие от первичных смол высокотемпературная каменноугольная смола обладает более высокой плотностью >1160 кг/м3 и представляет собой смесь многоядерных ароматических соединений, первичные смолы содержат большое количество фракций, выкипающих до 170°С, и фенолы (15—20%) [1]. Однако в отличие от переработки смол высокотемпературного коксования промышленные технологии переработки первичных смол с получением товарной продукции в настоящее время в СНГ отсутствуют.

К перспективным направлениям в разработке нетрадиционных методов переработки тяжелого и твердого углеводородного сырья (уголь, высоковязкая нефть, нефтяные остатки и каменноугольная смола) относится использование различных физических воздействий; к числу таких методов можно отнести и кавитацию [2]. Известно [2, 3], что использование кавитации в переработке углеводородного сырья в результате возникающих в системе динамических нагрузок и ударных волн приводит к разогреву вещества и возрастанию давления и тем самым увеличивает энтропию [4], это и обусловливает эффективность данного метода.

1 Работа выполнена по проекту "Технология переработки уг-

лей Центрального Казахстана и северного подножия горы

Тянь-Шань Синьцзяна Китая в жидкие и газообразные продукты путем кавитационной активации органической массы пастоообразователя угля" (№ СК4-09) в рамках двустороннего научно-технического сотрудничества Республики Казахстан с Китайской Народной Республикой.

Цель работы — изучение влияния кавитацион-ного воздействия в присутствии псевдогомогенных каталитических добавок (ПГКД) на химический состав первичной каменноугольной смолы.

Экспериментальная часть

В качестве объекта исследования были использованы товарные пробы первичной каменноугольной смолы (КС) АО "Сары-Арка Спецкокс" объемом 0.5 л, из которой предварительно были удалены фенолы экстракцией низшими спиртами; плотность КС составляла

d420 = 1042 кг/м3.

Индивидуальный химический состав первичной смолы и гидрогенизата, полученного путем кавитационно-каталитической обработки первичной КС, определяли с помощью хро-мато-масс-спектрометрии (Agilent, США). Условия хроматографирования: колонка ДВ-5, 30 м х 0.25 мм х 0.5 мкм, газ — гелий со скоростью подачи 0.8 мл/мин; термостат 50°С — 4 мин; 50— 150°С - 10°С/мин; 150-300°С-10°С/мин, 300°С/4 мин; испаритель 250°С. Идентификацию индивидуальных химических веществ проводили с использованием масс-спектральных библиотечных данных NIST98 и NIST27LIB. Индивидуальный химический состав первичной каменноугольной смолы представлен в табл. 1, где не показаны соединения, содержание которых составляет менее 1%.

Для кавитирования смолы был использован вихревой кавитационный нагреватель топлива марки ВКНТ-4.0/0.1-Д с насосом НМШ 5-254.0/25 производства ООО "КПМ" (г. Челябинск, РФ).

67

5*

В качестве каталитической добавки использовали кристаллогидрат сульфата железа ^е804 • • 7Н20) (х. ч.) и кристаллогидрат сульфата никеля (№804 • 6Н20) (х. ч.) в виде водных растворов с концентрациями 1 и 2%, соответственно. Количество катализатора составляло 3% на исходную массу первичной КС. Продолжительность кави-тационной обработки КС составляла 1—7 мин. Условия проведения опытов приведены в табл. 2.

Обсуждение результатов

Результаты, приведенные в табл. 3, показывают, что с повышением температуры с 60 до 70°С без

добавки воды в КС увеличивается суммарная концентрация нафтеновых и ароматических углеводородов с 35.5 до 72.09% и наблюдается резкое снижение полиароматических соединений с 54.5% в исходной КС до 17.92% в гидрогенизате. Это, по-видимому, обусловлено деструкцией полициклических углеводородов. В [1] показано, что гидрогенизация полициклических углеводородов сопровождается реакциями деструкции. Например, нафталин и его гомологи превращаются тремя путями: деметилирование (нафталин из метил- и диметилнафталинов), гидрирование и деструкция (образуется моноциклическая арома-тика), а также происходит ступенчатая деструкция антрацена:

-00-0

Необходимо отметить, что полученные нами результаты согласуются с результатами работы [1]. Снижение концентрации нафтеновых и моноароматических углеводородов может быть следствием диссоциации воды и развития реакции их вторичной окислительной деструкции с выделением газообразных продуктов [1].

Добавление воды в количестве 10% к КС и возрастание времени кавитационной обработки с 3 до 7 мин увеличивает концентрацию полициклических углеводородов, приводит к значительному уменьшению суммарной концентрации циклоал-

Таблица 1. Индивидуальный химический состав первичной каменноугольной смолы

Соединение Время выхода на хрома-тограмме, мин Относительное содержание, мас. %

1,3-Диметилциклогексан 3.92 4.3

Этилбензол 5.04 7.0

Октагидро-1Н-инден 8.35 3.6

1,2,3-Триметилбензол 9.17 20.6

Изохинолин 16.60 7.8

1,2-Метилнафталин 20.19 17.0

4-Метилдифенил 25.99 13.3

Изопропил нафталин 26.88 6.3

Флуорен 28.76 6.3

Фенантрен + антрацен 33.95 3.7

канов и однокольчатых ароматических углеводородов с 72.1 до 52.9% и увеличению концентрации полиароматических веществ с 17.9 до 48.9%, соответственно.

Как видно из табл. 4, с увеличением времени кавитационной обработки первичной смолы от 1 до 5 мин концентрации нафталина и метилнафта-лина незначительно возрастают.

Зависимость выхода этилнафталина и 2,6-ди-метилнафталина от продолжительности кавита-ционной обработки носит экстремальный характер, содержание указанных веществ достигает максимального значения при времени обработки 4 мин 2.5% для этилнафталина и 3 мин 7.2% для 2,6-диметилнафталина.

Влияние времени обработки в интервале от 1 до 5 мин на концентрацию полициклических углеводородов типа дифенил, аценафтен, дибензо-фуран и флуорен показывает, что их концентрация существенно не меняется. Суммарный выход нафталина и его производных от времени обработки возрастает с 49.1 до 50.5%. Наличие в полученных гидрогенизатах после кавитационной обработки первичной смолы высоких концентраций нафталина и его производных (табл. 4) позволяет, по-видимому, отметить конкуренцию между процессами крекинга и поликонденсации исходных веществ, входящих в состав смолы, за счет влияния катализаторов сульфата железа и сульфата никеля. Из литературы [5—7] известно, что водные растворы соли сульфата никеля способствуют гидрогенизационному разложению и обладают высококислотными свойствами. Сопоставление данных табл. 3, 4 позволило установить

Таблица 2. Условия проведения экспериментов по кавитационной обработки КС

№ Т, °С Время обработки, мин Вода, мас. % Катализатор, мас. %

1% FeSO4 ■ 7Н20 2% №Я04 ■ 6Н20

1 60 7 - - -

2 70 5 - - -

3 60 3 10 - -

4 60 7 10 - -

5 70 3 10 - -

6 70 1 10 3 -

7 70 2 10 3 -

8 70 3 10 3 -

9 70 4 10 3 -

10 70 5 10 3 -

11 60 7 10 - 3

12 70 1 10 - 3

13 70 2 10 - 3

14 70 3 10 - 3

15 70 4 10 - 3

16 70 5 10 - 3

сходство влияния двух катализаторов, но и существенное различие в поведении катализаторов в процессе обработки первичной смолы с помощью волновой кавитации. Сходство заключается в том, что катализаторы подтвердили ступенча-

тость деструкции в смеси антрацена и фенантрена и других полициклических углеводородов. Литературные источники показывают, что нафталин и фенантрен подвергаются термолизу по следующей схеме:

Моноциклические ароматические углеводороды

н

По-видимому, при кавитационной обработке первичной смолы водные растворы солей металлов железа и никеля закипают, при этом начинается интенсивное испарение воды из раствора и кристаллизация соли, в свою очередь в работе [8]

показано, что по мере удаления воды образуются глобулы. В процессе кавитации в присутствии ПГКД глобулы солей металлов восстанавливаются и сульфидируются с образованием сульфидов металлов железа и никеля. В процессе кавитаци-

Таблица 3. Химический состав и концентрация соединений в исходной КС и гидрогенизатах смолы, полученных после кавитационной обработки в присутствии катализатора FeSO4 ■ 7Н20 (по данным хроматографическо-го анализа)

№ пика Соединение Структурная формула Относительное содержание, мас. % к сумме идентифицированных, при условиях (табл. 2, № эксперимента)

исходная КС 6 7 8 9 10

2 1,3-Диметилциклогексан 4.3 10.7 8.9 5.1 5.8 5.3

3 Этилбензол 7.0 14.9 12.6 8.2 9.3 8.6

9 Октагидро-1Н-инден со CH3 1 3 3.6 5.5 4.9 4.3 4.4 4.5

10 1,2,3-Триметилбензол ¿С 20.6 41.0 36.8 33.5 34.5 34.5

17 Изохинолин со. 7.8 7.6 6.7 7.2 7.0 7.0

18 1,2-Диметилнафталин оУ 17.0 10.3 10.0 16.4 15.6 15.8

23 4-Метилдифенил СНз 13.3 10.3 10.0 12.9 11.7 12.5

24 Изопропилнафталин ссУ4 6.3 - 5.0 6.1 5.7 5.8

25 Флуорен 6.3 - 5.3 6.3 6.1 6.0

26 Антрацен + фенантрен 3.7

Таблица 4. Химический состав и выход соединений в гидрогенизатах смолы в присутствии катализатора №£04 ■ 6Н20 и различном времени кавитационной обработки при температуре 70°С (по данным хроматографического анализа)

№ пика Название соединения Структурная формула Относительное содержание веществ в КС до и после кавитации, % к сумме идентифицированных, при условиях (табл. 2, № эксперимента)

11 12 13 14 15 16

2 Нафталин 15.4 10.5 9.7 9.8 10.0 15.3

3

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