В работе приведены результаты экспериментальных исследований способа разделения нефти, позволяющего повысить выход и нормативные показатели прямогонного бензина при воздействии матричных структур в наноструктурированной форме.
Ключевые слова: нефть, катализатор в наноструктурированной форме, матричные структуры, прямогонный бензин, октановое число.
Нефть — основной источник энергии. На энергоносителях, полученных из нефти, работают двигатели сухопутного, водного и воздушного транспорта, турбины тепловых электростанций.
Для повышения эффективности использования природных ресурсов, увеличение глубины переработки нефти — одна из важнейших задач современного человечества. Нефть — не возобновляемый природный ресурс, имеющий первостепенное значение в сфере энергетики.
Значительную долю в объемах производства продуктов нефтепереработки занимает автомобильный бензин, который играет важную роль в энергетическом обеспечении экономики страны. Рост цен на нефть в значительной степени влияет на объём производства автомобильного бензина. Поэтому перед нефтеперерабатывающими предприятиями стоит задача обеспечения выхода товарного продукта за счёт переработки низкосортных прямогонных бензинов, имеющих узкую область применения, в автомобильные бензины с нормативными показателями, отвечающими современным стандартам Евро.
Разработка способов получения прямогонного бензина с нормативными показателями высококачественного товарного продукта является первоочередной задачей, которая может быть решена за счет увеличения глубины первичной переработки нефти при реализации каталитического воздействия на сырую нефть матричных структур, нанокатализаторов [1].
Матрицы разборки нефти формируются на основе ее пепельной структуры. Матрицы сборки легких фракций (бензинов) аналогично нефти. Матрицы пепельных структур собираются на основе сырой нефти и дистиллята, полученных при их сжигании в муфельной печи при температуре 600ºС.
Полученные пепельные структуры после предварительного измельчения до размера 100 мкм подвергались рентгенофлуоресцентному анализу на элементный состав на спектрометре EDX3600B. Анализ на элементный состав образцов пеплов выполняется автоматически по заданной программе.
Результат рентгенофлуоресцентного анализа пепла нефти приведен в таблице 1.
Таблица 1
Основные элементы, входящие в состав пепла нефти, и их количество
|
Элемент |
Количество (%) |
|
Si |
6,6 |
|
S |
6,1 |
|
Na |
7,4 |
|
Mg |
9,3 |
|
Co |
3,8 |
|
Ni |
1,7 |
Результат рентгенофлуоресцентного анализа пепла дистиллята представлен в таблице 2.
Таблица 2
Основные элементы, входящие в состав пепла дистиллята и их количество
|
Элемент |
Количество (%) |
|
Si |
4,2 |
|
S |
2,1 |
|
Na |
6,0 |
|
Mg |
8,4 |
Данные по элементному составу сырой нефти и дистиллята являются отправной информацией для составления матриц разборки нефти и сборки бензинов. В матрицы для увеличения силы воздействия вводятся усилители — металлы в наноструктурированной форме:
1) Для сырой нефти — Ni, Co, Mg, Cr.
2) Для дистиллята — Si, S, Na, Mg.
Матрица разборки нефти готовится в муфельной печи при температуре 600ºС.
Матрица дистиллята готовится аналогично, но со своим набором усилителей.
Термокаталитичекое разделение нефти проводится без использования матриц и при их использовании:
1) структура матрицы № 1 — матрица сырой нефти;
2) структура матрицы № 2 — матрица сырой нефти с введенными усилителями — металлами в наноструктурированной форме;
3) структура матрицы № 3 — матрица разборки нефти № 2 совместно с матрицей сборки дистиллята
Разделение сырой нефти проводили без введения катализатора и с использованием трех вариантов структур матриц. Для процесса разделения нефти использовали установку для ее разгонки — АРН-2.
Разделению подвергали сырую нефть массой 100 грамм. Нагрев колбы осуществляли плавно до температуры 220°С с выходом на рабочую температуру в течение 30 минут. Первые капли конденсата легких фракций выпадали при 50°С, смесь выдерживали при температуре 220 °С пока не упадёт последняя капля дистиллята. После чего дистиллят взвешивали на электронных весах и определяли процент выхода светлых фракций разделении без введения катализатора.
Методика процесса разделения нефти с использованием структуры матрицы в целом повторяла методику разгонки нефти без их введения. Количество структур матриц, добавляемых в смолу составляло 0,1 г. Все разделения проводились при одинаковых условиях на одном аппаратном обеспечении для точной оценки их эффективности относительно друг друга.
Результаты процесса разделения нефти представлены в таблице 3.
Таблица 3
Выход светлых фракций в зависимости от структуры матрицы
|
Вид воздействия |
Выход легких фракций, % |
|||
|
1 |
2 |
3 |
Среднее |
|
|
Разделение без введения катализатора |
14,7 |
14,9 |
15,4 |
15 |
|
Структура матрицы № 1 |
25 |
25,7 |
25,2 |
25,3 |
|
Структура матрицы № 2 |
25,1 |
26,3 |
26 |
25,8 |
|
Структура матрицы № 3 |
28,1 |
27,7 |
28,5 |
28,1 |
В результате процессов разделения сырой нефти получены легкие фракции, состав которых анализировался методом газовой хроматографии. Результаты обработаны на аппаратно-программном комплексе “Хроматэк-Кристалл” на базе газового хроматографа “Хроматэк-Кристалл 5000” с применением программного обеспечения “Хроматэк Gasoline” (контроль состава бензиновой фракции).
Хроматограммы позволяют определить индивидуальный компонентный состав легких фракций, полученных при разделении сырой нефти, а также рассчитать такие нормативные показатели как октановое число (как по исследовательскому, так и по моторному методам) и давление насыщенных паров.
Полученные результаты последовательных экспериментов обрабатывали по методу наименьших квадратов и заносили в таблицу экспериментальных данных. Результаты расчетов на детонационную стойкость бензиновых фракций, полученных при разделении нефти по каждому из четырех вариантов, представлены в таблицах 4–5.
Таблица 4
Октановое число углеводородных фракций, полученных при разделении нефти без введения катализатора
|
Октановое число |
||
|
Группа |
Разделение нефти без введения катализатора |
|
|
Исследовательский метод |
Моторный метод |
|
|
Парафины |
0,433 |
1,076 |
|
Изопарафины |
2,064 |
2,461 |
|
Ароматика |
3,571 |
4,872 |
|
Нафтены |
1,663 |
1,894 |
|
Олефины |
2,092 |
3,991 |
|
Оксигенаты |
0,002 |
0,002 |
|
Неидентифицированные |
20,985 |
24,746 |
|
* |
16,479 |
17,657 |
|
Итого |
47,289 |
56,699 |
Таблица 5
Октановое число углеводородных фракций, полученных при разделении нефти с использованием структур матриц
|
Октановое число |
||||||
|
Группа |
Разделение нефти с введением структуры матрицы № 1 |
Разделение нефти с введением структуры матрицы № 2 |
Разделение нефти с введением структуры матрицы № 3 |
|||
|
Исследовательский метод |
Моторный метод |
Исследовательский метод |
Моторный метод |
Исследовательский метод |
Моторный метод |
|
|
Парафины |
0,757 |
1,743 |
0,899 |
1,045 |
0,963 |
1,938 |
|
Изопарафины |
3,548 |
2,504 |
3,671 |
2,617 |
3,666 |
2,878 |
|
Ароматика |
4,098 |
5,019 |
5,012 |
6,437 |
4,458 |
5,430 |
|
Нафтены |
2,176 |
2,101 |
2,133 |
2,537 |
2,257 |
2,764 |
|
Олефины |
4,875 |
5,111 |
5,092 |
5,872 |
4,012 |
3,968 |
|
Оксигенаты |
0,002 |
0,002 |
0,002 |
0,002 |
0,002 |
0,002 |
|
Неидентифицированные |
27,944 |
33,647 |
29,463 |
34,785 |
31,076 |
39,876 |
|
* |
14,657 |
21,663 |
16,719 |
21,509 |
18,678 |
24,749 |
|
Итого |
58,057 |
71,79 |
62,991 |
74,804 |
65,111 |
81,606 |
Давление насыщенных паров бензиновых фракций, полученных при разделении нефти по каждому из четырех вариантов, представлены в таблице 6.
Таблица 6
Давление насыщенных паров углеводородных фракций
|
Вид воздействия |
Давление насыщенных паров, кПа |
|||
|
1 |
2 |
3 |
Среднее |
|
|
Разделение без введения катализатора |
83 |
85 |
82 |
83 |
|
Структура матрицы № 1 |
64 |
64 |
65 |
64 |
|
Структура матрицы № 2 |
62 |
67 |
69 |
69 |
|
Структура матрицы № 3 |
60 |
62 |
61 |
61 |
Легкие фракции, полученные при разделении нефти с введением структуры матрицы № 3, имеют лучшие нормативные показатели: октановое число по моторному и исследовательскому методам соответственно равно 81 и 65 единиц, давление насыщенных паров — 61 кПа. Также увеличился выход светлых нефтепродуктов с 15 % без введения катализатора до 28 % при разделении нефти с использованием структуры матрицы № 3.
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о целесообразности применения матричных структур при проведении процесса первичной перегонки нефти с целью получения прямогонного бензина с высокими нормативными характеристиками.
Литература:
1. Леонтьева А. И. Получение дизельного топлива из печного топлива с использованием нанокатализаторов и матриц разборки и сборки (наноструктуры) / Леонтьева А. И., Орехов В. С., Выжанов А. В.// Ползуновский вестник «Исследования и достижения в области теоретической и прикладной химии». Выпуск 2: Барнаул 2012. — С.292–294.
