Geum.ru

Воздействие высоковольтного электрогидравлического разряда на физико-химические свойства нефти и нефтепродуктов

Вид материалаАвтореферат диссертации

Содержание


Количественно показано увеличение констант при воздействии ВКЭГР от 0,0275 до 0,04 моль/л·с для диэтилоксалата и от 0,0094 до 0,
Основные результаты и выводы
Подобный материал:
1   2

Количественно показано увеличение констант при воздействии ВКЭГР от 0,0275 до 0,04 моль/л·с для диэтилоксалата и от 0,0094 до 0,0122 моль/л·с для этилацетата.


В пятой главе работы теоретически и экспериментально показана возможность формирования катализаторов переработки нефти под воздействием электрогидравлического разряда с целью повышения их каталитической активности в процессе приготовления и применения катализаторов.

В общем виде катализаторы представляют собой многокомпонентные системы из металлов, их солей, оксидов и т.д., наносимых на твердые металлические (оксидные) подложки или в виде сложных композитов «металл-полимерная матрица», «металл-силикатная матрица» и т.д. От однородности, величины, гранулометрического состава входящих в катализатор неорганических порошков, равномерности их распределения в каталитической системе принципиально зависят эксплуатационные свойства катализаторов.

Поэтому решение одной из задач диссертации было посвящено получению мелкодисперсных порошков неорганических соединений с равномерным их распределением по составу и концентрации в различных матрицах-носителях.

При этом нами выбирались соединения, которые могли бы найти применение не только в каталитических системах, но, например, в материалах электронной техники. Это давало возможность, с одной стороны, расширить область применения полученных веществ, а с другой – увеличить инструментальную базу их физико-химического анализа и рассмотреть их свойства с различных сторон.

Поэтому детальное рассмотрение деформации «аморфного» стекла является, по нашему мнению, хорошей моделью для изучения механизма дробления твердых веществ в поле ЭГ- разряда.

Полученное стекло анализировалось с помощью петрографического анализа с целью определения кристаллической фазы, размера частиц стекла, наполнителя и их соотношения (до и после выжигания органической связки); с помощью рентгенофазового анализа для определения типа кристаллической фазы; дифференциально-термического анализа для выявления характеристических температур; полного количественного химического анализа.

Механический помол стекла осуществлялся в планарной мельнице сухим и мокрым (в изопропиловом спирте) способами. В нашу задачу входило рассмотреть механизм размола стеклопорошков с дополнительной их обработкой в поле ВКЭГР.

Для этой цели из полученных гранул нами была выбрана самая низкая по гранулометрическому составу фракция 5-1 мкм, из которой, в свою очередь анализировались образцы стеклопорошков методом просвечивающей микроскопии.

Экспериментальные данные показали следующее.

Внешний вид частиц стеклопорошков механического помола мало отличается вида частиц после воздействия ЭГ-разряда. С повышением времени помола (до десятка часов) размер частичек уменьшается. Количество импульсов разряда меняет картину гранулометрического состава. Статистический просмотр микрофотографий показал, что пятидесятичасовой планарный помол с большой вероятностью эквивалентен воздействию ЭГР с напряжением возбуждения 20-25 кВ, с количеством импульсов разряда ≈ 20-25.

Более детальный анализ поверхностей стеклопорошков дает основание сделать следующее заключение. При любом дроблении на поверхности порошка явно видны трещины различной протяженности и глубины. Однако частички стекла, подвергнутые воздействию ЭГР, кроме глубоких и четко рельефных трещин имеют хорошо заметную поверхностную сетку, т.е. результат деформации поверхности стеклопорошка. По-видимому, эта сетка становится основой для появления других трещин – мест дальнейшего дробления. Таким образом, наличие поверхностной сетки стеклопорошка при воздействии ЭГР отличает результат дробления частичек стекла при механической деформации.

В качестве твердокристаллических соединений дробления нами были выбраны магнитожесткие (магнитотвердые) сплавы, в частности, Nd-Fe-B.

Для того, чтобы величина средних размеров частиц металлов и их оксидов лежала в пределах 5-7 мкм, необходимо осуществить их обработку электрогидравлическим разрядом рабочим напряжением 20-50 кВ, с длительностью импульса 5-7 мкс в реакторе с диэлектрическими стенками и конструкцией электродов «острие-дно». При этом существенным является варьирование количества разрядных импульсов.

«Сэндвичи» – последовательно нанесенные слои многокомпонентных порошков металлов и/или их оксидов в неорганических матрицах являются типичной конструкцией каталитических систем. Экспериментально показано, что короткоимпульсное высоковольтное электрогидравлическое воздействие на многокомпонентные гетерогенные порошки в неорганических оксидных матрицах (цементах) стабилизирует их по гранулометрическому составу и по однородности распределения твердых частиц в массе композита. Данный эффект достигается дополнительным дроблением твердых частиц, а также за счет возникновения в массе композита кавитации (ультразвуковых колебаний) и высокого короткоимпульсного сжатия. Важным является и то обстоятельство, что ВКЭГР способствует дополнительному газоотделению в массе готовой композиции.

Если в первом случае частицы металлов вводились непосредственно в матрицу, то дальнейшие исследования осуществлялись методом химического синтеза металлов и их оксидов непосредственно в полимерной матрице. В качестве примера использован синтез наноразмерных (≈10-100 нм) металлических порошков железа и никеля из их карбонилов и ацетатов.

Было установлено, что под воздействием ВКЭГР процесс их седиментации и агрегации протекает значительно медленнее (более 100 ч) и хорошо воспроизводим. Это объясняется тем, что каждая твердая частица обволакивается системой газовых пузырьков, которые длительное время держат «на плаву» твердую частицу, не давая ей агломерировать с другими. Этот факт объясняет равномерность распределения нанопорошков в полимерной матрице, например, полиэтилена.

В конце каждой главы диссертации приведены расширенные выводы, поэтому общее заключение по работе отсутствует.


Основные результаты и выводы

1. На основе теоретических и экспериментальных данных выявлены закономерности в изменении физико-химических свойств нефти и некоторых нефтепродуктов при различных условиях их обработки высоковольтным электрогидравлическим разрядом, позволившие направленно интенсифицировать крекинг-процессы. В частности, установлено, что наиболее эффективным является увеличение рабочего напряжения в межэлектродном зазоре с корректировкой количества разрядных импульсов. Так, например:

- до 20 кВ выход светлых фракций из товарной нефти повышается на 4-6%; изменяются реологические параметры (плотность, вязкость), что может иметь значение при ее транспортировке и дальнейшем фракционировании;

- при ≥40 кВ увеличивается выход бензиновой фракции, выкипающей до Т=150С, и дизельной фракции, выкипающей в интервале Т≈150-350С;

- при 50 кВ, начиная с Т≈180С, увеличивается выход светлых фракций, что объясняется большей интенсификацией крекинг-процессов и, как следствие, значительным концентрированием в газовой фазе лёгких углеводородов.

2. Экспериментально подтверждено, что наиболее экономически выгодной является электрогидравлическая обработка товарной нефти с содержанием 10 об. % мазута, в результате которой увеличивается объем дистиллята с 57 до 75,5 об. % (при Т» 340-350С). При этом выход керосиновой фракции (Т=150-320°C) повышается на 7,5 об. %, бензина (выкипающего до Т=150С) – на 2 об. % соответственно.

3. Барботирование газа (кислорода воздуха или углекислого газа) через рабочую среду исходной нефти и ее смеси с мазутом в область межэлектродного зазора инициирует электрический пробой и, как следствие, снижается (до 30%) величина пробойного напряжения; сокращает время (на 10-15 мин.) достижения температуры начала кипения нефти; сохраняется выход светлых фракций керосина и газойля (температуры кипения 150-320 и 320-350С соответственно); снижается (с 4,845 до 3,978 мм2/с) вязкость нефти вследствие более эффективного разрушения в ней существующих тяжелых фракций и нефтяных ассоциатов.

4. Экспериментально показано, что электрогидравлическое воздействие (рабочим напряжением до 9 кВ) на систему «нефть-вода» приводит к множественному дроблению капель жидкости и образованию стойкой водонефтяной эмульсии. Обратное разложение эмульсии на нефть и воду происходит при повышенном напряжении (20-40 кВ). При этом вода удаляется при разгонке вместе с бензиновой фракцией до Т=140°С, образуя мутный раствор, спонтанно разлагающийся на бензин и воду. В дальнейшем отмечается закономерное увеличение температуры начала кипения нефтеэмульсии и уменьшается выход светлых фракций, выкипающих до Т=280°С.

5. На основе экспериментальных данных при обработке электрогидравлическим разрядом системы «нефть-сланцы» предложено использовать нефть в качестве дешевого экстрагента органической части горючих сланцев, что подтверждается увеличением выхода светлых фракций в процессе ректификации товарной нефти на 4 об. % и нефтяных экстрактов сланцев, в среднем, на 17 об. %. Применение в данных условиях цеолитного катализатора NaY увеличивает выход дизельной фракции на 8 об. %.

6. На примерах н-декана и бензола экспериментально подобраны режимы и предложены механизмы их глубокого разложения. Установлено, что н-декан разлагается поэтапно через н-гептан (что свидетельствует о возможности применения метода в качестве крекирующего средства) до элементарного углерода. Разложение бензола носит «взрывной» характер, без образования промежуточных органических соединений с получением уникальной по гранулометрическому составу и свойствам сажи, состоящей из однородных сферических по форме наноразмерных (≈ 20-40 нм) частиц. Разложение фенола протекает через стадии образования пара- и орто-хинона до элементарного углерода и его оксидов.

7. Экспериментально установлено влияние электрогидравлического воздействия на кинетику реакций гидролиза сложных эфиров карбоновых кислот. Впервые количественно показано увеличение констант скорости реакций гидролиза при обработке от 0,0275 моль/л∙сек до 0,04 моль/л·сек для диэтилоксалата и от 0,0094 до 0,0122 моль/л·сек для этилацетата.


8. Предложены механизмы электрогидравлического синтеза и дробления стекло- и металлических порошков переходных металлов (Cr, Fe, Ni, Zn, Nd, B) и оксидов до нано- и микронного (ультрадисперсного) гранулометрического состояния. Установлено, что электрический разряд препятствует протеканию негативных процессов агломерации и седиментации порошков, что важно при дальнейшем получении и равномерном распределении их на носителях из композиционных материалов типа «наночастица-матрица» для каталитических систем переработки нефти.


Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях автора:

1. Севостьянов В.П., Жукова Е.М., Холкина Т.В. Влияние электрогидравлического эффекта на кинетику гидролиза сложных эфиров карбоновых кислот // Изв. вузов. Сер. Химия и химическая технология, 2008. – Т. 51. – № 6. – С. 21-22.

2. Жукова Е.М., Севостьянов В.П., Холкина Т.В. Стабилизация полимерсодержащих цементов методом электрогидравлического воздействия // Изв. вузов. Сер. Химия и химическая технология, 2008. – Т. 51. – № 11. – С. 110-113.

3. Демахин А.Г., Жукова Е.М., Севостьянов В.П., Холкина Т.В. Влияние электрогидравлического воздействия на систему «сланец-нефть»// Современные проблемы АПК и природопользования. – Саратов: Изд-во СГСЭУ, 2008. – Вып. 3. – С. 69-73.

4. Дугин А.Н., Федотова Е.М. (Жукова Е.М.) Механохимическое диспергирование магнитных сплавов NexFeyBz. // Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии / Сборник научных статей молодых ученых, посвященный 75-летию химического факультета СГУ. - Саратов: Изд-во «Научная книга», 2004. – С. 177-180.

5. Ракитин С.А., Никифоров И.А., Федотова Е.М. (Жукова Е.М.) Получение мелкодисперсной углеродной сажи методом электрогидравлического удара // Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии / Сборник научных статей молодых ученых, посвященный 75-летию химического факультета СГУ. - Саратов: Изд-во «Научная книга», 2004. – С. 233-235.

6. Демахин А.Г., Жукова Е.М., Севостьянов В.П., Холкина Т.В. Влияние электрогидравлического воздействия на нефть // Современные проблемы АПК и природопользования.- Саратов: Изд-во СГСЭУ, 2008. – Вып. 3. – С. 66-69.

7. Ракитин С.А., Дугин А.Н., Федотова Е.М. (Жукова Е.М.) Дробление сплавов магнитов методом электрогидравлического удара // Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии / Сборник научных статей молодых ученых, посвященный 75-летию химического факультета СГУ. - Саратов: Изд-во «Научная книга», 2004. – С. 223-226.

8. Косенко Р.С., Ракитин С.А., Севостьянов В.П., Жукова Е.М., Холкина Е.М. Моделирование процессов в разрядном контуре установки электрогидравлического разряда. – М., 2008. – 44 с. Деп. в ВИНИТИ 30.09.08., № 775-В-2008.

9. Ракитин С.А., Кособудский И.Д., Жукова Е.М. Седиментация наноразмерных магнитных частиц железа и никеля // Вопросы биологии, экологии, химии и методики обучения / Сборник научных статей. Вып. 8.- Саратов: Изд-во Сарат. ун-тет, 2005. – С. 185-189.

10. Ракитин С.А., Севостьянов В.П., Жукова Е.М. Дробление магнитных сплавов методом электрогидравлического удара // Вопросы биологии, экологии, химии и методики обучения / Сборник научных статей. Вып. 8. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-тет, 2005. – С. 181-185.

11. Холкина Т.В., Жукова Е.М., Севостьянов В.П. Обеззараживание сточных вод методом электрогидравлического воздействия // Международная научно-практическая конференция, посвященная 75-летию факультета защиты растений и агроэкологии: Материалы конференции. – Саратов: Изд-во «Научная книга», 2007. – С. 136-137.

12. Ракитин С.А., Севостьянов В.П., Никифоров И.А., Федотова Е.М. (Жукова Е.М.) Получение мелкодисперсной углеродной сажи// Международная конференция «Народное хозяйство Западного Казахстана: состояние и перспективы развития». – Уральск, 2004. – С. 346-347.

13. Патент № 2315382 RU. МПК H10F 10/01 (2006/01) // Способ получения магнитных полимерных композиций на наноразмерных ферритовых частицах для радиотехнических изделий / в.п. Севостьянов, И.Д. Кособудский, С.А. Ракитин, Е.М. Жукова. Приоритет 2006.07.20. Опубл. 2008.01.20.

14. Патент на полезную модель № 58259 RU. МПК H10F 1/01 (2006/01) // Устройство для получения наноразмерных частиц магнитных материалов. / в.п. Севостьянов, С.А. Ракитин, Е.М. Жукова и др. Приоритет 2006.08.04. Опубл. 2006.11.10.


Жукова Екатерина Михайловна

Воздействие высоковольтного электрогидравлического

разряда на физико-химические свойства

нефти и нефтепродуктов


Специальность: 02.00.04 – физическая химия


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук



1 Булычев Б.М., Долматов М.Ю. Ж. Всес. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева, 1990. – т. 35. – 5. – С. 531.

2 Бугаенко Л.Т. Ж. Всес. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева, 1990. – т. 35. – 5. – С. 532-533.

3 Юткин Л.А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. – Л.: Машиностроение, 1986. – 253 с.