Ресурсосберегающие технологии переработки полимерных отходов

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Ресурсосберегающие технологии переработки полимерных отходов

Шин А.В. 1
1НУ"Школа"Престиж"
Ташмухамбетова Ж.Х. 1Василевская М.М. 2
1РК, г. Алматы, КазНУ им. аль-Фараби
2РК, г. Алматы НУ "Школа "Престиж"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность темы исследования. Автомобильные бензины и дизельное топливо, которые производятся на территории нашей страны, не соответствуют необходимым мировым стандартам качества и нуждаются в дальнейшей переработке и доведения до уровня действующих стандартов. Казахстанский нефтеперерабатывающий сектор планирует на перспективу до 2030 г. дальнейшее улучшение качества моторных топлив с постепенным приближением их к качеству топлив в Европе класса «Евростандарты-4 и 5» и углубление переработки нефти за счет применения новейших технологий по переработке нефтяных остатков. Следует особо указать на значительное отставание Казахстана в области производства эффективных катализаторов для современных процессов нефтепереработки и нефтехимии.

Таким образом, в настоящее время большая часть не только технологий, но и катализаторов наиболее значимых процессов, импортируется. Сильная зависимость нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий Казахстана от поставок современных эффективных катализаторов зарубежными компаниями, представляет серьезную угрозу для экономической безопасности нашей страны. В связи с этим, наиболее актуальной задачей на данный момент является разработка высокоэффективных отечественных катализаторов. Использование различных катализаторов на основе цеолитов является неотъемлемой частью современной нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Многие работы, проведенные за последние 20 лет в Казахстане и за рубежом, доказывают, что цеолитные катализаторы весьма перспективны для процессов получения высокооктановых бензинов. В настоящее время установлено, что цеолиты могут служить катализаторами для многих процессов превращения углеводородов, протекающих по кислотно-основному механизму. Из-за особенности структуры цеолиты обладают свойством молекулярно-ситовой селективности. Они способны сорбировать только вещества с определенным размером молекул. Все это делает цеолиты незаменимыми для использования во многих нефтехимических процессах.

Цель работы. Исследование процесса переработки отходов резины (автошин) и сланца в присутствии мазута (пастообразователя), на новом вольфрамсодержащем цеолитном катализаторе

Задачи проведенной работы:

активирование природного цеолита методом бескислотной обработки;

получение нового катализатора на основе активированного цеолита, модифицированного солью W(VI), методом пропитки;

исследование поверхности катализатора W(VI)/цеолит методом сканирующей электронной микроскопии;

анализ полученных топливных дистиллятов методом хроматомасс-спектрометрии и установление их состава;

расчет материального баланса процесса;

разработка принципиальной схемы процесса.

Новизна работы. Впервые получены катализаторы на основе природного цеолита, модифицированные солью W(VI) для процесса совместной гидрогенизационной термокаталитической переработки отходов автошин и сланца в топлива. Установлено, что введение в предварительно активированный цеолит модифицирующей добавки W(VI) способствует увеличению выхода топливных дистиллятов.

Практическая значимость работы. Введение в цеолит модифицирующей добавки W(VI) позволяет получить активный и селективный относительно отдельных углеводородов катализатор для процесса переработки отходов резин (автошин) совместно со сланцем в моторное топливо. Это важно для разработки ресурсосберегающей технологии переработки углеродсодержащих отходов (резины, пластмассы, угли, сланцы и др.).

1. Экспериментальная часть

1.1. Объекты исследования

Сырье. В качестве сырья для получения моторного топлива использовали отходы резинотехнических изделий в виде отработанных автошин промышленных марок;

Добавки. В качестве дополнительного вещества – пастообразователя, источника водорода и углеродсодержащего сырья применяли смолисто-асфальтеновые отходы нефтепереработки (мазут месторождения Кумколь с Т кип. выше 350 °С );

В качестве добавок для оптимизации процесса превращения сырья в жидкие топлива использовали горючий сланец (3 масс.%) месторождения Кендерлык (кукерсит). Горючие сланцы месторождения Кендерлык согласно ранее проведенным исследованиям содержат в своем составе от 7 до 10 масс.% водорода, что может способствовать протеканию процессов гидрогенизации, наряду с термокаталитическим крекингом сырья.

Катализатор:

- цеолитместорождения Тайжузген (гейландит-клиноптилолит), обработанный бескислотной активацией 1 М раствором NHCl и дальнейшим термообогревом, пропитанныйсолью (NH)H[H(WO)HO концентрации 1,5 мас.% – W(VI)/цеолит.

1.2. Установка для гидрогенизационной термокаталитической переработки углеродсодержащего сырья

Опыты проводили на установке, работающей в периодическом режиме под давлением от 0,5 до 4,4 МПа до температуры 450 оС при непрерывном перемешивании в течение 60 минут. Установка состояла из металлического реактора «утка» объемом 0,25 дм3, выполненного из нержавеющей стали Х18Н10Т. Обогрев реактора осуществляли при помощи нагревателя переменного тока, регулируемого трансформатором и амперметром. Контроль температуры в реакторе проводили с помощью хромель-капелевой термопары. Регистрацию показаний проводили на приборе КСП-4, с откалиброванной шкалой по температурам кипения воды (1000С), плавления олова (2320С), свинца (3270С) и цинка (4270С). Схема установки приведена на рисунке 10.

Давление в установке гидрогенизации создавали с помощью азота. Изменение давления в системе определяли при помощи манометрического прибора. Смесь измельченных до состояния крошки полимерных материалов, катализатора и пастообразователя и загружали в реактор, затем проверяли реактор на герметичность, продували азотом, задавали давление 0,5 - 0,6 МПа, после чего включали обогревательное устройство.

С помощью манометра в процессе гидрогенизации фиксировали изменение давления, обусловленное увеличением температуры, газоотделением и присутствием летучих компонентов. Обогрев реактора выключали после опыта и охлаждали систему до комнатной температуры. Газ, образовавшийся в процессе, собирали в газометр с насыщенным солевым раствором. По разности давлений вычисляли количество образовавшегося газа.

Перегонку жидкого продукта с разделением на фракции проводили на установке, приведенной на рисунке 12. С этой целью к насадке охлажденного до комнатной температуры реактора подсоединяли прямой холодильник с аллонжем и приемниками и нагревали до заданной температуры, отбирая на выходе жидкие топливные фракции, выкипающие в заданном интервале температур.

Рисунок 4 - Установка переработки углеродсодержащих отходов в непрерывном режиме

1 – реактор; 2 – нагреватель; 3 – регулятор напряжения; 4 – термопара;

5 – регулятор температуры; 6 – манометр; 7 – вентиль тонкой регулировки;

8 – качалка; 9 – уплотнительное устройство, заглушки и болты;

10 – прямой холодильник и приемник; 11 – выход на газометр

1.3 Методика активирования цеолита

Цеолит активировали методом бескислотной обработки раствором NH₄Сl. С этой целью цеолит пpедваpительнo измельчали до порошкообразного состояния, просеивали через сито с размером пор 0,25 мм. Отбирали навеску цеолита –100 г. Затем проводили декатионирование цеолита 1 М pаствopом NH₄Сl (120 мл) в кpуглoдoннoй кoлбе при постоянном пеpемешивании на кипящей вoдянoй бане в течение 6 часoв. Oбpабoтанный цеолит oтделяли от смеси фильтpoванием, отмывали дистиллированнoй вoдoй от ионов хлора, содержание которого определяли по качественной реакции с AgNO₃. Отмытый от ионов хлора цеолит сушили последовательно на воздухе и пpи 100 оС дo пoстoяннoгo веса. Затем пoдвеpгали его теpмической обработке в установке каталитического крекинга со стационарным слоем катализатора, последовательно нагревая в тoке вoздуха (500 мл/мин) до 100, 200, 300, 400, 500 оС соответственно в течение 4-х часoв.

1.4 Методика приготовления катализатора

Катализатор на основе активированного цеолита, модифицированного солью вольфрама (NH₄)₅H₅[H₂(WO₄)₆]·HO разной концентрации (от 0,5 до 1,5 мас.%), готовили методом пропитки. С этой целью навеску цеолита заливали 0,1 М раствором соли вольфрама и выдерживали в течение 3-х часов. Затем остаточный раствор сливали методом декантации и сушили катализатор – W(VI)/цеолит на воздухе до постоянного веса.

2. Обсуждение результатов эксперимента

2.1. Гидрогенизационная термокаталитическая переработка отходов автошин и горючего сланца при совместном присутствии

Опыты проводили при Т=450 оС и заданном составе реакционной смеси (7 г мазута, 7 г резины, сланца 3 масс.% или 0,42 г; 0,34 г катализатора, время контакта 60 мин).

В работе изучено влияние природы катализатора и концентрации горючего сланца на состав и выход продуктов гидрогенизации резин. Показано, что цеолит с 1,5% содержанием вольфрама характеризуется высоким выходом фракций с температурами кипения до 180 оС, 180-250 оС и 250-320 оС (таблица 4).

Параллельно был осуществлен хромато-масс-спектрометрический анализ проб жидкого дистиллята, выкипающего в интервалах температур до 180 оС, 180-250 оС и 250-320 оС. Данные анализов приведены на рисунках 1, 2 и 3. Количественный и качественный составы продуктов хромато-масс-спектрометрического анализа приведены в таблицах 3, 4 и 5.

Таблица 1-Характеристики жидких фракций переработки отходов углеродсодержащего сырья

Катализа-тор

Рmax,

МПа

Газ,

масс %

Выход жидких продуктов,

масс.%

Выход

шлама и потери,

масс.%

до 1800С

180-

2500С

250-

3200С

ΣЖП

1,5% W(VI)/цеолит

1,2

13,53

15,24

25,13

24,85

65,22

21,25

Рисунок 5 - Хромато-масс-спектрометрический анализ бензиновой фракции (Ткип= до 1800С)

Таблица 2 - Количественный и качественный состав продуктов хроматографического анализа бензиновой фракции (Ткип= до 1800С)

Углеводороды

масс %

Парафины

20,96

Изопарафины

15,8

Олефины

16,26

Ароматика

40,13

Нафтены

4,52

Кислородсодержащие соединения

2,33

На основании проведенного анализа установлено, что в бензинах на основе переработки отходов резин со сланцем преимущественно содержатся: ароматика > парафины > олефины > изопарафины>нафтены >кислородсодержащие угв.

Рисунок 6 - Хромато-масс-спектрометрический анализ дизельной фракции (Ткип= 180-2500С)

Таблица 3-Количественный и качественный состав продуктов роматографического анализа дизельной фракции (Ткип= 180 0С-250 0С)

Углеводороды

Масс. %

Парафины

20,97

Изопарафины

8,62

Олефины

10,34

Ароматика

54,66

Нафтены

3,86

Кислородсодержащие соединения

2,33

На основании проведенного анализа установлено, что в дизельной фракции на основе переработки отходов резин со сланцем преимущественно содержатся: ароматика > парафины > олефины > изопарафины > нафтены > кислородсодерж.угв.

Рисунок 7 - Хромато-масс-спектрометрический анализ газойлевой фракции (Ткип= 250-3200С)

Таблица 4 - Количественный и качественный состав продуктов хроматографического анализа газойлевой фракции (Ткип= 250 0С-320 0С)

Углеводороды

Масс. %

Парафины

39,17

Изопарафины

6,35

Олефины

4,57

Ароматика

46,38

Нафтены

1,44

Кислородсодержащие соединения

1,55

На основании проведенного анализа установлено, что в газойлевой фракции на основе переработки отходов резин со сланцем преимущественно содержатся: ароматика > парафины > олефины > изопарафины > нафтены > кислородсодерж.угв.

Рассчитан материальный баланс процесса совместной гидрогенизационной каталитической переработки отходов резины и горючего сланца при Т=450 С, Р=1,2 МПа.(Таблица 7).

Таблица 5 - Материальный баланс процесса каталитической гидрогенизационной термокаталитической переработки отходов резин со сланцем: С W(VI)/цеолит - 1,5%, - 60 мин, T=450 °С, P=0,5 МПа, резина: пастообразователь -1:1

Материальный баланс

масс.%

Приход: мазут, резина, сланец, катализатор

100,0

Расход:

 

Жидкие продукты (С5 и выше):

65,22

1 фракция (до 180 °С)

15,24

2 фракция (180 °С – 250 °С)

25,13

3 фракция (250 °С – 320 °С)

24,85

Потери, шлам (остаток) и вода

21,25

Газ

13,53

Итого:

100,0

На основании проведенного эксперимента предложена принципиальная схема процесса переработки изношенных автошин и резинотехнических изделий, которая представлена на схеме 1.

Резиносодержащее сырье 1: отслужившие свой срок автопокрышки, электрокабели, отходы производства резиновых изделий, бытовые отходы и др. поступают на узел приема, хранения и подготовки сырья 2 и затем на узел измельчения сырья и сепарации фрагментов измельчения 3.

Металлические фрагменты измельчения 4, все виды кордов, металлических проводов отправляют на узел складирования, прессования, фасовки и отгрузки товарной продукции 5. Резиновую крошку 6 направляют на установку гидрогенизационной термокаталитической переработки резиновой крошки 7 с катализатором.

Жидкие продукты 8 по трубопроводам отводят в резервуарный парк 9 и далее на реализацию, а технический углерод 10 охлаждают и, если это необходимо, облагораживают в узле 11 облагораживания технического углерода и также отправляют на склад 5.

Производство может включать в себя необходимые объекты общезаводского хозяйства 12: градирню, систему оборотной воды, электроподстанцию, генератор инертного газа (например, азота), парогенератор, склад для катализаторов и др.

Схема 2 - Принципиальная схема процесса переработки отходов РТИ

1 - резиносодержащее сырье;

2 - блок приема, хранения и подготовки сырья;

3 - блок измельчения сырья и сепарации фрагментов измельчения;

4 - металлические фрагменты измельчения;

5 - узел складирования, прессования, фасовки и отгрузки товарной продукции;

6 - резиновая крошка;

7 - установка гидрогенизационной термокаталитической переработки резиновой крошки с катализатором;

8 - жидкие продукты переработки;

9 - резервуарный парк;

10 - технический углерод (сажа);

11 - узел облагораживания техуглерода;

12 - объекты общезаводского хозяйства.

Заключение

1. Впервые получен катализатор на основе природного цеолита месторождения Тайжузген, модифицированный солью W(VI), для процесса термокаталитической переработки отходов резин и сланца в присутствии мазута.Процесс проводили на катализаторе с концентрацией W(VI)/цеолит - 1,5%, - 60 мин, T=450 °С, P=1,2 МПа, соотношение резина: мазут составило 1:1. Был составлен материальный баланс процесса.

2. Методом газожидкостной хроматографии с масспектрометром определен групповой и химический состав полученных топливных дистиллятов:

а) В бензинах содержатся: ароматика > парафины > олефины > изопарафины>нафтены >кислородсодерж.угв;

б) В дизелях содержатся: ароматика > парафины > олефины > изопарафины>нафтены >кислородсодерж.угв;

в) В тяжелых газойлях содержатся: ароматика > парафины > олефины > изопарафины>нафтены >кислородсодерж.угв;

3. На основании проведенного эксперимента показана возможность реализации ресурсосберегающей технологии переработки изученных отходов в «синтетическое моторное топливо». Предложена принципиальная схема проведения процесса.

Список используемых источников и литературы

Крекинг нефтяных фракций на цеолитсодержащих катализаторах. //Под. ред. С. Н. Хаджиева. - М., Химия, 1982.

Смидович Е. В. Технология переработки нефти и газа. Крекинг нефтяного сырья и переработка углеводородных газов. Ч. 2. - М., Химия, 1980.

Капустин В. М., Кукес С. Г., Бертолусини Р. Г. Нефтеперерабатываю–щая промышленность США и бывшего СССР. - М., Химия, 1995.

Просмотров работы: 11