АНАЛИЗ МЕТОДИК ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ НА ЦЕОЛИТЕ И ИХ ЭФФЕКТИВНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ В ОТРАСЛИ

ANALYSIS OF METHODS FOR THE STUDY OF PROCESSED PRODUCTS ON ZEOLITE AND THEIR EFFECTIVE APPLICATION IN THE INDUSTRY

Pavel Maseev

student, Department of Chemical Technology, Ufa State University of Oil and Gas,

Russia, Ufa,

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен вопрос актуальности изучения методик переработки на цеолите, так как в настоящее время проводятся опытно-конструкторские работы в области исследования и внедрения новых процессов и аппаратов. Но данные процессы и аппараты недостаточно отработаны в теоретическом и прикладном планах. Поэтому изучим основные методики, которые применяются в настоящее время. Выдвинута гипотеза о том, что наиболее эффективным способом повышения качества цеолитсодержащего сырья является его переработка с использованием сильных магнитоэлектрических и ультразвуковых воздействий, обеспечивающая одновременно удаление загрязняющих примесей и модификацию свойств в соответствии с предъявляемыми требованиями.

ABSTRACT

The article considers the relevance of studying zeolite processing techniques, as experimental design work is currently underway in the field of research and implementation of new processes and devices. But these processes and devices are not sufficiently developed in theoretical and applied terms. Therefore, we will study the basic techniques that are currently used. It is hypothesized that the most effective way to improve the quality of zeolite-containing raw materials is its processing using strong magnetoelectric and ultrasonic influences, which simultaneously removes pollutants and modifies properties in accordance with the requirements.

Ключевые слова: цеолиты, цеолитсодержащее сырье, пароотводная трубка, фракционный состав, хроматографический метод анализа образцов, газовая хроматография, метод определения вязкости и плотности исследуемых образцов.

Keywords: zeolites, zeolite-containing raw materials, steam discharge tube, fractional composition, chromatographic method of sample analysis, gas chromatography, method for determining the viscosity and density of the samples under study.

В настоящее время, при использовании цеолитов в том или ином качестве, к ним предъявляются и другие требования. Качество цеолитсодержащего сырья оценивается, в основном, по содержанию загрязняющих примесей, таких как кварц, полевой шпат, слюда, гидроокислы железа и т.д. Однако, как известно при использовании цеолитов возникает необходимость повышения качества цеолитсодержащего сырья путем его глубокой очистки от вмещающих примесей с использованием энергосберегающих и экологически чистых технологий, обеспечивающих дополнительно предъявляемый к ним комплекс требований по условиям применения.

В статье рассмотрим методы анализа и изучения состава цеолитсодержащего сырья, которые применяются в отрасли в настоящее время и проанализируем эффективность их применения.

Хроматографический метод анализа образцов. Определение индивидуального и группового состава образцов СГК и продуктов их переработки на цеолитном катализаторе осуществлялось методом хроматографии на хроматографе «Хроматэк-Кристалл 5000» с кварцевой капиллярной колонкой 25 м × 0,22 мм, стационарная фаза – SE-54, газ-носитель – гелий, в соответствие с ГОСТ Р 52714-2018 «Бензины автомобильные. Определение индивидуального и группового углеводородного состава методом капиллярной газовой хроматографии» [13, с. 45].

Газовая хроматография – метод разделения веществ, основанный на различном распределении компонентов исследуемого образца между двумя фазами (подвижной и неподвижной фазы). Подвижной фазой является газ-носитель, неподвижной – твердый адсорбент или жидкий, нанесенный на твердую поверхность (внутренние стенки колонки).

Сущность метода: исследуемый образец вводят в хроматограф с кварцевой капиллярной колонкой, на которую нанесена неподвижная фаза – SE-54 (фенил (5 %) – винил (1 %) – метилсиликоновый эластомер. Образец проходит через колонку под действием инертного газа-носителя – гелия и происходит его разделение, обусловленное различной сорбируемостью компонентов. При элюировании компонентов из колонки происходит их регистрация детектором, сигналы которого обрабатываются компьютерной системой. С помощью соответствующего компьютерного программного обеспечения проводится идентификация пиков компонентов.

Метод определения вязкости и плотности исследуемых образцов. Определение плотности и вязкости исследуемых образцов осуществлялось на аппарате вискозиметр Штабингера, в соответствие с ASTM D7042-16 «Метод определения динамической вязкости и плотности жидкостей на вискозиметре Штабингера» [4, с. 24]. Кинематическая вязкость определяется как отношение динамической вязкости к плотности, измеренных при той же температуре. Результаты по данному методу испытания применимы только для образцов, представляющих собой Ньютоновские жидкости.

Принцип действия вискозиметра Штабингера основан на измерении разницы скоростей вращения внешней трубки и ротора (рисунок 1).

Рисунок 1. Вискозиметрическая ячейка

1 – датчик на основе эффекта Холла; 2 – кольцо из мягкого железа; 3 – магнит; 4 – медный корпус; 5 – образец; 6 – трубка; 7 – ротор

Наружный цилиндр (6), заполненный исследуемым образом (5), приводится электродвигателем во вращение с постоянной угловой скоростью. Внутренний цилиндр (ротор – поплавок) находится внутри жидкого образца, а внутри ротора – постоянный магнит (3). За счет постоянного магнита и кольца из мягкого железа (2) внутренний цилиндр удерживается в продольном положении. В случае отсутствия магнита, вращение внутреннего и внешнего цилиндра осуществлялось бы с одинаковой скоростью. Однако, в присутствии магнита, за счет разности скоростей вращения ротора и трубки, переменное магнитное поле приводит к появлению вихревых токов в медном корпусе (4). За счет этих токов происходит торможение цилиндрического ротора. Торможение ротора происходит с постоянной силой, и препятствует ему только вязкость исследуемого жидкого образца. Датчик Холла (1) путем определения частоты вращающегося магнитного поля определяет частоту вращения ротора. Таким образом, динамическая вязкость образца определяется путем измерения разности скоростей вращения трубки и ротора. Важное преимущество данного метода определения вязкости заключается в отсутствии трущихся деталей.

Для измерения значения плотности образца осцилляционным методом в аппарате Штабингера предусмотрена отдельная ячейка.

Метод определения фракционного состава исследуемых образцов. Метод определения фракционного состава заключается в перегонке

100 см³ исследуемого образца с постоянным контролем показаний температуры и объема сконденсировавшейся жидкости, в соответствие с ГОСТ 2177-99 «Нефтепродукты. Метод определения фракционного состава» [5, с. 56].

Основная аппаратура, материалы и реактивы (рисунок 2):

• колба для перегонки, изготовленная из термостойкого стекла;
• термометр;
• холодильник и охлаждающая баня;
• источник нагрева (электрическая плита);
• мерный цилиндр вместимостью 100 см³ и ценой деления 1 см³.

Перед проведением испытания охлаждающую баню заполняют водой, применяя циркуляцию, для сохранения необходимой температуры воды. Баню заполняют до такого уровня, чтобы трубка холодильника находилась в охлаждающей жидкости.

Переливать 100 см³ пробы в колбу необходимо таким образом, чтобы капли жидкости не попали в пароотводную трубку. Также в колбу добавляют небольшое количество мраморной крошки для равномерного нагрева продукта в колбе.

Ртутный шарик вставленного в колбу термометра должен находиться на уровне пароотводной трубки. После этого колбу с пробой закрепляют в вертикальном положении таким образом, чтобы пароотводная трубка плотно входила в трубку холодильника на достаточное расстояние.

Рисунок 2. Аппарат в сборе с электрическим нагревателем

1 – мерный цилиндр; 2 – фильтровальная бумага; 3 – термометр; 4 – колба для перегонки; 5 – термостойкая прокладка для установки колбы; 6 – электрический нагревательный элемент; 7 – подставка для установки колбы; 8 – круглая ручка для установки колбы; 9 – шкала регулирования нагрева; 10 – выключатель; 11 – открытый нижний кожух; 12 – охлаждающая баня; 13 – трубка холодильника; 14 – кожух

Нагревание колбы осуществляется электронагревателем, нагрев регулируется таким образом, чтобы время от начала нагревания до выпадения первой капли конденсата соответствовала 5-15 минутам. Мерный цилиндр для отбора конденсата должен стоять таким образом, чтобы кончик трубки холодильник касался его внутренней стенки, т.е. так, чтобы конденсат стекал по стенке цилиндра.

От начала кипения до окончания эксперимента фиксируются следующие данные: показания термометра при указанном проценте отгона.

Если при перегонке температура поднимается выше 370 °С, то нагревание прекращают, отмечают температуру конца перегонки. Если в колбе осталось некоторое количество жидкости, то этот объем образца засчитывают как остаток.

Метод определения содержания серы в исследуемых образцах. Определение содержания серы производилось с использованием анализатора рентгенофлуоресцентного энергодисперсионного «Спектроскан S». Данный прибор предназначен для определения массовой доли серы в нефтепродуктах в соответствии с ГОСТ Р 51947-2002 «Нефть и нефтепродукты. Определение серы методом энергодисперсионной рентгенофлуоресцентной спектрометрии» [6, с. 23].

Метод определения низкотемпературных свойств исследуемых образцов. Определение температуры помутнения и застывания осуществлялось с использованием жидкостного низкотемпературного термостата КРИО-Т-05-01 (рисунок 3) в соответствии с ГОСТ 5066-2018 «Топлива моторные. Методы определения температур помутнения, начала кристаллизации и замерзания» [7, с. 123]. Определение предельной температуры фильтруемости осуществлялось в термостате жидкостном низкотемпературном КРИО-Т-05-01 с помощью установки определения ПТФ на холодном фильтре в соответствии с ГОСТ 22254-92 «Топливо дизельное.

Таким образом, в статье изучены методики, которые используются в настоящее время, но находятся в стадии разработки и совершенствования исходя из эффективности применения. Повышение качества цеолитсодержащего сырья достигается посредством последовательной его переработки с применением сильных ультразвуковых, магнитных и электростатических воздействий. Наиболее эффективная очистка цеолитсодержащего сырья от ферромагнитных примесей с одновременной модификацией его свойств достигается в изодинамическом магнитном поле с напряженностью не менее 25 кГс с предварительной ультразвуковой обработкой.

Список литературы:

1. Брек Д. Цеолитовые молекулярные сита. / Д. Брек. – М.: Мир, 1976. – 768 с.
2. Рабо Дж. Химия цеолитов и катализ на цеолитах. Том 2. / Дж. Рабо. – М.: Мир, 1990. – 706 с.
3. Кубасов А.А. Цеолиты – кипящие камни / А.А. Кубасов // Соровский образовательный журнал, № 7. – 1996. – С. 70-76.
4. Коробицына Л.Л. Синтез и свойства сверх-высококремнеземных цеолитов типа ZSM-5 / Л.Л. Коробицына, Л.М. Величкина, А.В. Восмериков, В.И. Радомская, Е.С. Астапова, Н.В. Рябова, О.А. Агапятова // Журнал неорганической химии. – 2008. – Т. 53. – № 2. – С. 209-214.
5. Россоловская Е.Н. Каталитическая активность цеолитов типа пентасил с различной структурой каналов в превращении н-гексана / Е.Н. Россоловская, О.В. Барсуков, Н.Ф. Мегедь // Кинетика и катализ. – 1985. – Т. 26. – № 2. – С. 422-428.
6. Ботавина М.А. Кинетика и механизм превращений углеводородов С5-С7 на модифицированном медью и платиной цеолите ZSM-5: Автореф. дис. канд. хим. наук: 02.00.15 / Ботавина Мария Александровна. – М., 2002. – 16 с.
7. Ионе К.Г. Полифункциональный катализ на цеолитах / К.Г. Ионе. – Новосибирск: Наука, 1982. – 272 с.
8. Суханов В.П. Переработка нефти: Учебник для средних проф.-техн. учебн. заведений. – 2-ое изд. / В.П. Суханов. – М.: Высш.школа, 1979. – 335 c.
9. ASTM D7042-16 «Метод определения динамической вязкости и плотности жидкостей на вискозиметре Штабингера».
10. ГОСТ 2177-99 «Нефтепродукты. Метод определения фракционного состава».
11. ГОСТ Р 51947-2002 «Нефть и нефтепродукты. Определение серы методом энергодисперсионной рентгенофлуоресцентной спектрометрии».
12. ГОСТ 5066-2018 «Топлива моторные. Методы определения температур помутнения, начала кристаллизации и замерзания».
13. ГОСТ 22254-92 «Топливо дизельное. Метод определения предельной температуры фильтруемости на холодном фильтре».