Коксование высоковязкой обводненной нефти

Objectives. A characteristic feature of oil production is an increase in the volume of highviscosity bituminous oil. In Russia, technologies based on the use of water vapor are used for their extraction. The use of such technologies leads to a large amount of water in the product stream from the production well. Preparation of oil for processing involves its stabilization, desalination, and dewatering. Since the densities of the extracted oil and the water contained in it are comparable, traditional preparation schemes for processing of high-viscosity bituminous oil are ineffective. One of the possible solutions to the problem involving such oil in the fuel, energy, and petrochemical balance is to use a coking process at the first stage of its processing. This aim can be achieved by studying the influence of the process conditions of coking high-viscosity water-containing oil on the yield and characteristics of the resulting products.Methods. Coking of oil with a density of 1.0200 g/cm3 at 50 °C and with 18 wt % water content was carried out in a laboratory installation in a “cube.” A hollow cylindrical apparatus was used as a reactor and was placed in a furnace. The temperature and pressure in the reactor were maintained at 500–700 °C and 0.10–0.35 MPa, respectively.Results. An increase in the coking process temperature results in an increase in the amount of gaseous products, a decrease in the amount of the coke generated, and a higher dependence of the amount of liquid products on temperature with a maximum yield at 550–600 °C. The process temperature also affects the composition of liquid products. At a lower temperature, the amount of gasoline and kerosene fractions in liquid products is higher. With an increase in pressure, a higher amount of gaseous products, coke, and low-molecular-weight hydrocarbon fractions in liquid products could also be obtained. The characteristics of the coke produced in the coking process are similar to those of commercially produced grades. It is noted that when coking water-containing oil, up to 98% of the emulsion water goes with liquid products, and the remaining amount of water remains in the formed coke.Conclusions. Results showed the possible application of the coking process at the initial stage of processing high-viscosity bituminous oil. In this case, the dewatering stage is significantly simplified since the technological scheme of delayed coking allows the separation of the gasoline fraction from water.  Цели. Возрастание доли высоковязкой и битуминозной нефти является характерной особенностью современной нефтедобычи. В России при ее добыче применяют технологии, основанные на использовании водяного пара. Применение таких технологий приводит к тому, что продуктовый поток, выходящий из добывающей скважины, может содержать большое количество воды. Подготовка нефти к переработке предполагает ее стабилизацию, обессоливание и обезвоживание. Вследствие того, что плотность добываемой нефти и содержащейся в ней воды сопоставимы, традиционные схемы подготовки к переработке высоковязкой и битуминозной нефти являются малоэффективными. Одним из возможных решений проблемы вовлечения такой нефти в топливно-энергетический и нефтехимический баланс является использование на первом этапе ее переработки процесса коксования. Для реализации этой идеи необходимо изучить влияние условий коксования высоковязкой обводненной нефти на выход и характеристики образующихся продуктов.Методы. Объектом исследования была нефть с плотностью при 50 °С 1.0200 г/см³, содержащая 18 мас. % воды. Коксование проводили на лабораторной установке в «кубе». В качестве реактора использовался пустотелый цилиндрический аппарат, размещаемый в печи. Температура в реакторе варьировалась от 500 до 700 °С, давление от 0.10 до 0.35 МПа.Результаты. Проведенные исследования показали, что при возрастании температуры коксования выход газообразных продуктов увеличивается, образование кокса уменьшается, а зависимость выхода жидких продуктов имеет экстремальный характер с максимумом в области температур 550–600 °C. Температура процесса влияет на состав жидких продуктов. При более низкой температуре в жидких продуктах выше содержание бензиновой и керосиновой фракций. Повышение давления приводит к возрастанию выхода газообразных продуктов, кокса и содержания в жидких продуктах низкомолекулярныхфракций углеводородов. Образующийся в процессе кокс по своим характеристикам близок к промышленно выпускаемым маркам. Отмечено, что при коксовании обводненной нефти до 98% водной эмульсии уходит с жидкими продуктами коксования, и лишь небольшое количество воды остается в образовавшемся коксе.Выводы. Представленные результаты показывают возможность использования процесса коксования на начальном этапе переработки высоковязкой и битуминозной нефти. В этом случае существенно упрощается проведение стадии ее обезвоживания, так как в технологической схеме замедленного коксования предусмотрено отделение бензиновой фракции от воды.

Получение углеродных нановолокон из газа электрокрекинга органического сырья

The article presents the results of research on the preparation of carbon nanofibers from an acetylene-containing gas formed as a result of the disposal of liquid industrial organic waste in the electrocracking process. It is shown that the electrocracking gas can be used for the production of carbon nanofibers. By changing the conditions of the synthesis and modifying the original catalyst it is possible to influence the increase of the output of carbon nanofibers.Представлены результаты исследований по получению углеродных нановолокон из аце-тиленсодержащего газа, образующегося в результате утилизации жидких промышленных органических отходов в процессе электрокрекинга. Показано, что газ электрокрекинга может использоваться для получения углеродных нановолокон. Изменяя условия синтеза и модифицируя исходный катализатор, можно добиться увеличения выхода углеродных нановолокон

ПОВЫШЕНИЕ ВЫХОДА ДИСТИЛЛЯТНЫХ ФРАКЦИЙ ПРИ КОКСОВАНИИ НЕФТЯНЫХ ОСТАТКОВ

The research results of the influence of preliminary mechanochemical activation of heavy oil feedstock (oil-fuel, tar) on the output of their coking products are presented. Raw materials were activated by creating a cavitation effect when a hydrocarbon stream passes through a diffuser under a pressure. The pressure gradient on the diffuser ranged from 10 to 50 MPa, and the number of cycles of passage through the diffuser - from 1 to 5. It is shown that hydrodynamic cavitation processing results in a change in the physicochemical characteristics of heavy oil feedstock. The presented values of the raw material density and its fractional composition before and after processing suggest that the cavitation effect results in cracking reactions in the raw material. Changes in the characteristics of the raw material affect the change in the output of its coking products. It is established that as the pressure gradient and the number of impact acts increase, the yield of liquid coking products increases, and the yield of coke decreases. No relationship between the feedstock characteristics and the increase in the yield of distillate fractions as a result of prior cavitation effects has been established. At the same time, the preliminary mechanochemical activation of the raw materials leads to a decrease in the density and refractive index of the liquid coking products, a decrease in the temperature of their initial boiling point, and an increase in the content of hydrocarbons in the gasoline and kerosene fractions in them. The increase in the density and refractive index of the light fractions of the liquid coking products suggests that the aromatization process proceeds as a result of mechanochemical activation.Представлены результаты исследований влияния предварительной механохимической активации тяжелого нефтяного сырья (мазута, гудрона) на выход продуктов их коксования. Активация сырья осуществлялась за счет создания кавитационного эффекта при прохождении под давлением потока углеводородов через диффузор. Градиент давлений на диффузоре варьировался от 10 до 50 МПа, а количество циклов прохода через диффузор составляло 1 и 5. Показано, что в результате гидродинамической кавитационной обработки изменяются физико-химические характеристики тяжелого нефтяного сырья. Представленные значения плотности сырья и его фракционного состава до и после обработки позволяют говорить о том, что в результате кавитационного воздействия в сырье протекают реакции крекинга. Изменение характеристик сырья отражается на изменении выхода продуктов его коксования. Установлено, что с увеличением градиента давлений и возрастанием количества актов воздействия, увеличивается выход жидких продуктов коксования и уменьшается выход кокса. Взаимосвязи между характеристиками исходного сырья и увеличением выхода дистиллятных фракций в результате предварительного кавитационного воздействия не установлено. При этом предварительная механохимическая активация сырья приводит к уменьшению плотности и коэффициента рефракции жидких продуктов коксования, снижению температуры начала их кипения, увеличению содержания в них углеводородов бензиновой и керосиновой фракций. Увеличение плотности и коэффициента рефракции светлых фракций жидких продуктов коксования позволяет предположить протекание в результате механохимической активации процессов ароматизац

Оценка влияния гидродинамической кавитационной обработки темных нефтепродуктов на выход фракций, выкипающих до 400 °С

Objectives. The reduction of the anthropogenic burden on the environment is generally associated with the transition to alternative energy sources. However, some of these have only regional significance, while the effectiveness of others remains doubtful. On this point, innovative processes aimed at increasing the depth of oil refining may be equally important for reducing the carbon footprint. Wave-based technologies such as cavitation may also be included in these processes. Among the various methods for inducing such cavitation phenomena in oil refining, hydrodynamic approaches are especially promising. It has been shown that the treatment effectiveness increases with greater pressure or when augmenting the number of cavitation processing cycles. The aim of this work is to identify the factor (i.e., pressure gradient or number of treatment cycles) having the greatest influence on the change of the characteristics of the oil product.Methods. Cavitation phenomena were created by pumping dark oil products through a diffuser. The pressure gradient ranged from 20 to 50 MPa, while the number of cavitation processing cycles varied from 1 to 10. The influence of cavitation conditions on the change of fractional composition of petroleum products was analyzed. Target fractions are those having a boiling point up to 400°C.Results. It is shown that increased pressure generated in the diffuser leads to a linear increase in the yield of desired cuts. The dependence of the yield of these fractions on the number of processing cycles is described by the growth model with saturation. A proposed equation describes the influence of pressure and number of cycles on the yield of the fractions from initial boiling point temperature (TIBP) to 400°C following cavitation processing of dark oil products. Some of the coefficients of this equation have been associated with the physicochemical characteristics of the feedstock.Conclusions. An equation for predicting the maximum possible yield of the TJBP-400°C fraction as a result of cavitation processing under different conditions of the process is proposed according to the physicochemical characteristics of the feedstock. The prediction error did not exceed 12%. The equation analysis and comparison of energy consumption between different process regimes shows that a higher yield of the target product is achieved by increasing pressure gradient rather than the number of processing cycles.Цели. Снижение антропогенной нагрузки человечества на окружающую среду связывают с использованием альтернативных источников энергии. Однако часть из них имеет только региональное значение, а эффективность других дискуссионна. Для сокращения углеродного следа не меньший интерес представляют инновационные процессы, направленные на увеличение глубины переработки нефти. К числу таких процессов можно отнести и волновые технологии, частным случаем которых является кавитация. Кавитационные явления для нефтепереработки создают различными методами, наиболее перспективным из которых считаются гидродинамические. Установлено, что эффективность воздействия возрастает как при повышении давления при прокачке нефтепродукта, так и при увеличении количества актов воздействия. Цель данной работы - какой из двух факторов - градиент давлений или количество циклов воздействия - оказывает большее влияние на изменение характеристик нефтепродукта.Методы. Явление кавитации создавали, прокачивая темные нефтепродукты через диффузор. Давление варьировалось от 20 до 50 МПа, а количество актов воздействия - от 1 до 10. Анализировалось влияние условий кавитации на изменение фракционного состава нефтепродуктов. В качестве целевых рассматривались фракции, выкипающие до 400 °C.Результаты. Показано, что выход целевых фракций линейно увеличивается при повышении давления, возникающего в диффузоре. Зависимость выхода этих фракций от количества циклов обработки описывается моделью роста с насыщением. Предложено уравнение, описывающее влияние давления и количества циклов на выход фракции от температуры начала кипения (ТНК) до 400 °С после кавитационной обработки темных нефтепродуктов. Установлена связь некоторых из коэффициентов этого уравнения с физико-химическими характеристиками исходного сырья.Выводы. Предложено уравнение, позволяющее по физико-химическим характеристикам исходного сырья предсказать максимально возможный выход фракции ТНК-400 °С в результате кавитационной обработки при различных условиях ведения процесса. Ошибка прогнозирования не превышает 12%. Анализ полученного уравнения и сопоставление энергозатрат при различных режимах ведения процесса показывают, что больший выход целевого продукта достигается в результате увеличения давления, а не числа циклов обработки

Влияние степени разложения сырья на выход и характеристики продуктов электрокрекинга

The article presents the results of studies on the effect of oil raw material electrocracking duration on the characteristics of the products formed. It is shown that an increase in the duration of the decomposition of the material leads to an increase in the concentration of acetylene in the gas, a higher content of aromatic hydrocarbons and the molecular weight of the liquid phase, a higher degree of structure of soot and reduction of its sorption characteristics.Представлены результаты исследований влияние продолжительности процесса электрокрекинга нефтяного сырья на характеристики образующихся продуктов. Показано, что увеличение продолжительности разложения сырья приводит к возрастанию концентрации ацетилена в составе газа, увеличению содержания ароматических углеводородов и молекулярной массы жидкой фазы, возрастанию структурности сажи и снижению ее сорбционных характеристик

Механизм образования пироуглерода на поверхности технического углерода

In the article a mechanism of pyrocarbon formation on the soot surface by the decomposition of hydrocarbon gases is suggested. The mechanism involves the formation of decomposition products in the gas phase and their adsorption on the active centers of the soot. The defects of a crystal lattice formed on the contact borders of crystallites can be these active centers. Three models of pyrocarbon formation on the surface of a single soot particle and on the surface of soot structures are considered in detail. The results of mathematical calculations and experimental data are also given in the article. We explained the reason of polyextreme dependence of specific surface changing of technical carbon during the pyrocarbon formation process. Substrate influence on the pyrocarbon deposition regularities on the carbon material surface is also established. These regularities must be taken into account at the production of carbon materials if the stage of pyrocarbon formation is available.Высказана гипотеза механизма образования пироуглерода на поверхности сажи при разложении низших углеводородов в газовой фазе. Механизм предполагает возникновение в газовой фазе продуктов уплотнения, их адсорбцию на активных центрах поверхности сажи, которыми являются дефекты кристаллической решётки, возникающие на границах контактов кристаллитов, и последующую карбонизацию. Гипотеза основывается на результатах математического моде-лирования и экспериментальных данных

КАВИТАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА ДИЗЕЛЬНОЙ ФРАКЦИИ НЕФТИ

The results of investigation on the effect of mechanochemical treatment of the diesel fraction on its physicochemical characteristics are presented. Mechanochemical treatment of the diesel fraction was achieved by creating a cavitation effect in the hydrodynamic regime. The studies were carried out in the range of pressure gradients up to 50 MPa, the number of treatment cycles varied from 1 to 5, the temperature of raw material at the apparatus inlet was 0 0С. It is shown that the effect of cavitation is manifested not only in the processing of high-boiling hydrocarbons, but also in a middle distillate directions. So, as a result of the cavitation effect, the density of the diesel fraction and its pour point decrease, and the fractional composition changes. It is suggested that these changes are associated with hydrocarbon degradation. The collapse of gas bubbles leads to a local increase in the temperature of the medium to 800 0C, which, in turn, leads to the destruction of hydrocarbons. Increasing the pressure gradient of the hydrodynamic flow enhances the noted effect. Increasing the number of treatment cycles reduces the effect achieved. A possible reason is the destruction of hydrocarbons formed in the first stage of processing and the formation of polycyclic and aromatic structures. The results presented in the article extend ideas about cavitation regularities in the hydrocarbon environmentПредставлены результаты исследований влияния механохимической обработки дизельной фракции нефти на её физико-химические характеристики. Механохимическая обработка дизельной фракции достигалась созданием в гидродинамическом режимекавитационного эффекта. Исследования проводились в диапазоне градиентов давлений до 50 МПа, число циклов обработки варьировалось от 1 до 5, температура сырья на входе в аппарат - 0 0С. Показано, что эффект от кавитационного воздействия проявляется не только при обработке высококипящих углеводородов, но и на среднедистиллятных фракциях. Так, в результате кавитационного воздействия снижается плотность дизельной фракции, температура её застывания, происходит изменение фракционного состава. Высказано предположение о том, что эти изменения связаны с деструкцией углеводородов. Схлопывание пузырьков газа приводит к локальному повышению температуры среды до 800 0С, что, в свою очередь, и приводит к деструкции углеводородов. Повышение градиента давлений гидродинамического потока усиливает отмеченный эффект. При увеличении числа циклов обработки отмечено снижение достигнутого эффекта. Возможная причина заключается в деструкции углеводородов, образовавшихся на первом этапе обработки и образовании полициклических и ароматических структур. Представленные в статье результаты расширяют представления о закономерностях протекания кавитации в среде углеводородов

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ СИНТЕЗОМ УГЛЕРОДНЫХ СОРБЕНТОВ

The formalized model of carbon sorbent synthesis control based on the methodology for functional modeling is constructed. The correlations between the directions of use and the properties of carbon sorbents are revealed. The characteristics that are essential regardless of the direction of use of the sorbent, in particular, sorption properties and strength are identified. The technologies based on the gas-phase method of obtaining carbon material are considered, the analysis of individual stages of the process of obtaining carbon sorbents is carried out. The analysis of the influence of the technological parameters of the synthesis on the properties of sorbents is carried out. On the basis of the established relationships, a functional model has been built that provides a hierarchically ordered, structured, visual description of the management of carbon sorbent synthesis. The simulation is performed “from top to bottom” from the most general description to the detail. The resulting model is a set of interrelated graphical diagrams. At the initial stage, the synthesis of carbon sorbent is considered as a single process, the input parameters of which are hydrocarbon gas, the activating agent and the material form factor, the output - carbon sorbent, and the control parameters are the requirements for strength and sorption properties. Then the synthesis process is decomposed. The control processes (analysis of raw material properties and matrix selection), technological processes (raw material preparation) and mixed processes are distinguished as a result of decomposition. The model includes a consistent description of the technological parameters selection (temperature, gas flow and time) for both stages of the synthesis process. The model is the base for information support providing for the production of carbon sorbents with the required properties.В рамках методологии функционального моделирования построена формализованная модель управления синтезом углеродных сорбентов. Выявлены взаимосвязи между направлениями использования и свойствами углеродных сорбентов. Выделены характеристики, которые являются существенными независимо от направления использования сорбента, в частности, сорбционные свойства (удельная адсорбционная поверхность, сорбционная активность) и прочность. Рассмотрены технологии, базирующиеся на газофазном способе получения углеродного материала, выполнен анализ отдельных стадий процесса получения углеродных сорбентов. Сформировано описание влияния технологических параметров синтеза на свойства сорбентов. На основе установленных взаимосвязей построена функциональная модель, которая обеспечивает иерархически упорядоченное, структурированное, наглядное описание управления синтезом углеродных сорбентов. Моделирование выполнено «сверху вниз» - от наиболее общего описания к детализации. Результирующая модель представляет собой совокупность взаимосвязанных графических диаграмм. На начальном этапе синтез углеродного сорбента рассматривается как единый процесс, входными параметрами которого являются углеводородный газ, активирующий агент и фактор формы материала, выходным - углеродный сорбент, а управляющими - требования к прочности и сорбционным свойствам. Далее процесс синтеза декомпозируется. В результате декомпозиции выделены процессы управления (анализ свойств сырья и выбор матрицы), технологические процессы (подготовка сырья) и смешанные процессы. Модель включает в себя последовательное описание подбора технологических параметров (температуры, расхода газа и времени) для обеих стадий процесса синтеза. Модель является основой обеспечения информационной поддержки производства углеродных сорбентов с требуемыми свойствами

Функциональное моделирование управления синтезом углеродных нановолокон

We discover and formalize the relations between set properties of the material and its synthesis conditions. We provide a formal description of carbon nanotubes synthesis control by means of functional modeling. The result is the hierarchical structure visual description that is the set of related diagrams. The diagrams describe the technological and control processes of carbon nanotubes synthesis and its relations including feedbacks.Представлены взаимосвязи между направлениями использования, свойствами углеродных нановолокон и условиями их синтеза. Приведены результаты функционального моделирования технологических процессов и процессов управления синтезом углеродных нановолокон

ОКИСЛЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

It is proposed to consider the process of carbon materials oxidative activation from the positions of topochemical reactions involving chemisorption of the activating agent (oxidizer) on the material surface active centers followed by chemical interaction. Such an approach makes it possible to control the process of creating a carbon material with the desired characteristics of the porous space. It is assumed that the oxidizer chemisorption active centers are amorphous carbon, which is localized on the material crystallites boundaries. The change in the length of these boundaries will lead to a change in the process rate. It is shown that the number of such active centers on the carbon material surface depends on the size of the crystallites. It will have a significant impact not only on the rate of activation, but also on the possibility of the process flow on the surface or with porosity formation. Mathematical models describing the carbon sample specific surface changing in the oxidation process are proposed. They allow quantifying the proportion of carbon that is oxidized on the sample surface or with pores formation, as well as quantifying the number of pores. It is shown that the ratio of pore formation and surface oxidation processes depends on the oxidation temperature, the oxidizer nature and its flow rate. The proportion of porosity formation decreases with the increase in the oxidant flow rate and the increase in temperature. It was experimentally shown that in order to obtain a material with a more developed porous space and a high specific surface it is preferable to use carbon dioxide as an oxidizing agent.Предложено рассматривать процесс окислительной активации углеродных материалов с позиций топохимических реакций, предполагающих хемосорбцию активирующего агента (окислителя) на активных центрах поверхности материала и последующий акт химического взаимодействия. Подобный подход дает возможность управлять процессом создания углеродного материала с заданными характеристиками пористого пространства. Высказано предположение, что активными центрами хемосорбции окислителя является аморфный углерод, локализующийся на границах кристаллитов материала. Изменение протяженности этих границ приведет к изменению скорости процесса. Показано, что количество таких активных центров на поверхности углеродного материала, зависящее от размеров кристаллитов, будет оказывать существенное влияние не только на скорость активации, но и на возможность протекания процесса по поверхности или с порообразованием. Рассмотрены математические модели, описывающие изменение удельной поверхности углеродного образца в процессе окисления и позволяющие количественно оценить долю углерода, окисляющегося на поверхности образца, с образованием пор, а также количество пор. Соотношение процессов порообразования и окисления по поверхности зависит от температуры, природы и расхода окислителя: с увеличением расхода окислителя и повышением температуры доля порообразования снижается. Экспериментально установлено, что для получения материала с более развитым пористым пространством и высокой удельной поверхностью в качестве окисляющего агента предпочтительнее использовать диоксид углерода