Технология утилизации жидких органических отходов в электрической дуге с получением углеродных материалов

ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТТОНКИХ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙимени М.В. Ломоносова»На правах рукописиАБУ ДАНИЭЛ ОЛУВАСЕГУНТЕХНОЛОГИЯ УТИЛИЗАЦИИ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ ВЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ С ПОЛУЧЕНИЕМУГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ02.00.13 – «Нефтехимия»ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительдоктор технических наук, доцентПешнев Борис ВладимировичМОСКВА – 2014 г.ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................41.

Разложение жидких углеводородов в электрической дуге..................................................61.1. Теоретические основы процесса электрокрекинга ...........................................................61.2. Разложение жидких органических продуктов в электрическихразрядах........................................................................................................................................101.2.1.

Характеристика объектов исследования.........................................................................101.2.2. Методики проведения экспериментов и анализа продуктов ........................................131.2.2.1. Методика проведения электрокрекинга органического сырья..................................131.2.2.2. Методика получения пасты и сажи электрокрекинга органическогосырья.............................................................................................................................................151.2.2.3. Методы анализа исходного сырья и продуктов процессов........................................171.3.

Обсуждение результатов .....................................................................................................221.3.1. Влияние сырья и продолжительности процесса на состав образующегосягаза................................................................................................................................................221.3.2. Влияние продолжительности процесса электрокрекинга на характеристикижидкой фазы.................................................................................................................................251.3.3.

Влияние продолжительности процесса на характеристики сажи.................................291.3.4. Влияние продолжительности процесса на выход и характеристикипасты.............................................................................................................................................371.3.5.

Электрокрекинг отходов химических производств.......................................................39Заключения к главе 1...................................................................................................................422. Получение углеродных материалов из пасты электрокрекинга.........................................432.1 Теоретические основы получения углеродных материалов коксованиемуглеводородов..............................................................................................................................432.2.

Получение углеродного материала коксованием сажесодержащихпаст................................................................................................................................................462.2.1. Характеристика объектов исследования.........................................................................462.2.2.

Методики проведения экспериментов и анализа продуктов ........................................472.2.2.1. Подготовка сажевой пасты............................................................................................472.2.2.2. Коксование сажесодержащей пасты.............................................................................4822.2.2.3 Методы анализа исходного сырья и продуктовпроцессов.................................................................................................................................492.3.

Обсуждение экспериментальных результатов коксования пастыэлектрокрекинга .....................................................................................................................502.3.1 Получение формированных заготовок из пасты электрокрекинга .......................502.3.2. Высокотемпературная обработка сажевой пасты....................................................532.3.3 Характеристики полученных углеродных материалов...........................................58Заключения к главе 2..............................................................................................................623. Модификация углеродных материалов............................................................................633.1.

Теоретические основы процесса получения углеродныхматериалов...............................................................................................................................633.2. Методика проведения исследований.............................................................................693.2.1. Характеристика объектов исследования и используемыхматериалов...............................................................................................................................693.2.2. Методики проведения экспериментов и анализа продуктов....................................693.3.

Обсуждение экспериментальных результатов...........................................................71Заключения к главе 3..............................................................................................................854. Рекомендации по аппаратурному оформлению процессов............................................86ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................................94СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................953ВВЕДЕНИЕАктуальностьтемыисследования:Впроцессахнефтепереработкиинефтехимического синтеза образуется большое количество побочных продуктов, которые невсегда находят применение и часто рассматриваются как отходы, утилизация которыхстановится всё более актуальной задачей. Для её решения необходимо искать не только путиснижения выхода побочных продуктов, но и методы их переработки, что позволит снизитьнормы расхода углеводородного сырья на тонну готовой продукции и улучшить экологическуюобстановку.

Поэтому создание новых технологий переработки отходов в востребованныепродукты является важнейшей проблемой химическим и нефтехимическим промышленности. Воснову разработки технологии положен метод электрокрекинга, позволяющий превращатьжидкие органические углеводороды в газ, содержащий ацетилен и водород, и сажу.Цель и задачи исследования: Разработка технологии получения высокопористыхуглеродных материалов на основе продуктов электрокрекинга жидких органических отходовхимической и нефтехимической промышленности.Выбранная цель потребовала решения следующих задач:1. Исследования влияния степени разложения сырья на характеристики жидкой фазы,закономерности протекания процесса электрокрекинга и свойства образующихся продуктов.2.

Определения влияния условий коксования продуктов электрокрекинга на выходуглеродного остатка.3. Определения характеристик полученных коксов и материалов, образующихся при ихмодификации.Научная новизна работы:1. Установлено, что в процессе электрокрекинга в жидкой фазе накапливаютсяполиядерные ароматические углеводороды.2. Определено влияние природы исходного сырья и степени его разложения на физикохимические характеристики образующихся продуктов.3.

Показано, что в присутстствии сажи увеличивается выход кокса из жидкойсоставляющей пасты электрокрекинга, а кокс при этом становится более однородным.4. Показанавозможностьполучениявысокопористыхуглеродныхматериаловпироуплотнением и активацией коксов, полученных из пасты электрокрекинга.Практическая значимость работы:1. Предложена принципиальная процессуальная схема утилизации жидких органическихотходов методом электрокрекинга и получения на основе образовавшихся продуктовуглеродных композиционных материалов.2. Определены оптимальные условия процесса получения кокса с максимальнымивыходом.3.

Установлено, что предварительная подсушка пасты электрокрекинга на воздухе4позволяет повысить выход кокса.4. Установлены условия пироуплотнения коксов газом электрокрекинга, при которыхосаждение пироуглерода происходит в порах образца с высокой скоростью.5. Определены условия активации материала, приводящие к формованию мезопор.6. Данырекомендациипоаппаратурномуоформлениюотдельныхстадийразрабатываемой технологии.Методология и методы исследования: базировались на системном анализе научнотехнической литературы по теме диссертаций, выдвижении гипотез и их проверке натурнымэкспериментом.Назащитувыносятся:результатыэкспериментовпоразложениюжидкихуглеводородов в электрической дуге и коксованию образующейся пасты и получениювысокопористых углеродных материалов; принципиальная схема получения углеродныхматериалов из продуктов электрокрекинга жидких органических отходов.Степень достоверности работы:Исследования проводились с применением апробированного в научной практикеисследовательского и аналитического аппарата (лабораторные установки электрокрекинга икоксования в обогреваемом кубе, хроматографический анализ газа, масс-спектрометрия жидкихпродуктов, анализ жидких и твердых продуктов по методикам, рекомендованным ГОСТ).Результаты, полученные автором, хорошо согласуются между собой, не противоречатлитературным данным, и могут быть объяснены на основании этих данных.Апробация результатов работы:Основные результаты диссертационной работы доложены на XIII Международнойнаучно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии – 2010» Иваново, 2010;Молодежнойнаучно-техническойконференции“Современныепроблемыкатализаинефтепереработки”, посвященной 100-летию Натана Сауловича Печуро – Москва, 2010;КонференциимолодыхучёныхУральскогорегиона«Участиемолодыхученыхвфундаментальных, поисковых и прикладных исследования по созданию новых углеродных инаноуглеродных материалов», Пермь, 2011; V молодёжной научно-технической конференции«Наукоемкие химические технологии – 2013», Москва, 2013.51.

РАЗЛОЖЕНИЕ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ВЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГЕ1. 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОКРЕКИНГАПроцесс разложения углеводородов в электрической дуге разрабатывался как один изспособов получения ацетилена. Это было связано с тем, что концентрация ацетилена в газеэлектрокрекинга в 3÷5 раз выше, чем в газе окислительного пиролиза метана, а сам процессменее энергоемок и более экологичен по сравнению с карбидным методом полученияацетилена.Наиболее часто для разложения углеводородов использовались высоковольтный дуговойразряд (ВДР), низковольтный дуговой разряд (НДР), низковольтный нестационарный разряд(ННР), импульсный разряд (ИР) и низковольтный дуговой разряд с высоковольтным поджигом(НДРВП) [1–4].По данным работы [5–7], при разложении жидких органических веществ в ВДРобразуется газ, содержащий до 35 ÷ 40 % ацетилена.

Однако пробой сырья (изоляционнойфазы) требует гораздо больше энергии, чем нужно для поддержания дуги, поэтому процессхарактеризуется большими энергозатратами. Они составляли 15,5 ÷ 16,0 кВт*ч на 1м3ацетилена, из которых только 1,5 ÷ 2,0 кВт*ч приходилось на выделение ацетилена.Для снижения напряжения разряда (НДР) приходилось уменьшать межэлектродноепространство. Вследствие этого ацетилен не успевал эвакуироваться из реакционной зоны иразлагался на углерод и водород.