ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОЙ МАССЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СТРУКТУР ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

A, UNiVERSUM:

№ 12 (129)_ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_декабрь. 2024 г.

ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОЙ МАССЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СТРУКТУР ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Холов Илхом Абдукаюмович

доцент,

Ташкентский государственный технический университет

имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: [email protected]

Эшмухамедов Мурод Азимович

профессор,

Ташкентский государственный технический университет

имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Рустамов Достон Исроил угли

ст. преподаватель,

Ташкентский государственный технический университет

имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: [email protected]

Таджиева Гулмира Абдувалиевна

доцент,

Ташкентский государственный технический университет

имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Тургунбоева Сохиба Дониёровна

студент,

Ташкентский государственный технический университет

имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Ажыгалиев Абылгазы Темиргалиевич

студент

Ташкентский государственный технический университет

имени Ислама Каримова, Республика Узбекистан, г. Ташкент

OBTAINING CARBON-CARBON MASS BY ECOLOGICALLY EFFICIENT TECHNOLOGY OF THERMOCHEMICAL DESTRUCTION OF HIGH-MOLECULAR HYDROCARBON

STRUCTURES OF NATURAL ORIGIN

Ilkhom Kholov

Associate professor

Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,

Republic of Uzbekistan, Tashkent

Murod Eshmukhamedov

Professor

Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,

Republic of Uzbekistan, Tashkent

Библиографическое описание: ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОЙ МАССЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СТРУКТУР ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Холов И.А. [и др.]. 2024. 12(129). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/18909

A UNIVERSUM:

№ 12 (129)_¿Л ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ_декабрь. 2024 г.

Doston Rustamov

Senior teacher,

Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,

Republic of Uzbekistan, Tashkent

Gulmira Tadzhieva

Associate professor

Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,

Republic of Uzbekistan, Tashkent

Sokhiba Turgunboeva

Student

Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,

Republic of Uzbekistan, Tashkent

Abylgazy Ajygaliev

Student

Tashkent State Technical University named after Islam Karimov,

Republic of Uzbekistan, Tashkent

АННОТАЦИЯ

В статье изучена возможность получения углеводородов из биорастительного материала методом пиролиза, где в составе может иметь место в значительной степени полиядерные ароматические углеводороды с значительной сложной химической структурой.

В результате экспериментальных исследования показано, что при определённых условиях из биорастительных материалов путем пиролиза возможно получить практически не менее 30% от массы загруженного сырья твердой углеродной массы со следами углеводородов.

Определено, что если в случае обычного пиролиза начало кипения жидкой фракции отмечено при 36оС, то в случае окислительного пиролиза, температура начало кипения жидкой продукции поднималась на 3 пунктов выше и имел значение 49оС, а при этом значение конца кипения пироконденсата также поднимался с 316оС до 348оС что мы объясняем образованием кислородосодержащих углеводородов со значительными повышенными показателями температуры кипения.

ABSTRACT

The article studies the possibility of obtaining hydrocarbons from bio-plant material by pyrolysis, where the composition may contain polynuclear aromatic hydrocarbons with a significant complex chemical structure.

As a result of experimental studies, it was shown that under certain conditions it is possible to obtain from bio-plant materials by pyrolysis almost no less than 30% of the mass of the loaded raw material of solid carbon mass with traces of hydrocarbons.

It was determined that if in the case of conventional pyrolysis the beginning of boiling of the liquid fraction was noted at 36 °C, then in the case of oxidative pyrolysis, the temperature of the beginning of boiling of the liquid product rose by 3 points higher and had a value of 49 °C, and at the same time the value of the end of boiling of the pyrocondensate also rose from 316 °C to 348 °C, which we explain by the formation of oxygen-containing hydrocarbons with significantly increased boiling point values.

Ключевые слова: биорастительная масса, пиролиз, оксигенат, полиядерные ароматические углеводороды, пироконденсат, окислительная деструкция.

Keywords: bioplant mass, pyrolysis, oxygenate, polynuclear aromatic hydrocarbons, pyrocondensate, oxidative destruction.

Введение

В Республике Узбекистан сырьевым ресурсом для получения жидких, газообразных и твердых энергоносителей из числа биорастительного материала является гузапоя-стебли хлопчатника - остаток после сборки основного урожая, в составе которых практически отсутствует серосодержащие соединения. С ежегодным возобновляемым потенциалом 50-70 млн. тонны, кроме того получаемые углеводороды из биорастительной массы методом пиролиза в основном имеют простой структурный вид, в отличии от применяемых традиционных топлив, где

в составе может иметь место в значительной степени полиядерные ароматические углеводороды с значительной сложной химической структурой.

За основу превращения экологически безопасной пиролитической переработки стебли явилось теория и технология пиролиза органического соединения.

Эксперименты по пиролитической переработке биорастительного материала в поисках оптимального технологического режима образование сухой углерод-углеводородной массы проводились на установке периодического действия.

№ 12 (129)

Биотопливо любой консистенции считается одним из наиболее перспективных возобновляемых альтернативных топлив. Экономически приемлемый потенциал возобновляемых источников энергии в мире в настоящее время оценивается в 20 миллиардов тонн условного топлива, что в два раза превышает объем годовой добычи всех видов органического топлива.

В Республике Узбекистан имеется свой потенциал материалов биорастительного происхождения -гузапоя хлопчатника возобновляемый в октябре-ноябре месяцев ежегодно не менее 50-70 миллионов тонн в год, который приравнивается к 0,562 • 108 тонн условного топлива или это может равняться 0,394 • 108 нефтяного эквивалента (энергия образуется при сжигании 1 тонны биорастительная масса 16,3 • 109 дж или 0,562 т у.т.).

До настоящего времени этот ценнейший источник возобновляемой энергии теряется безвозвратно на хлопковых плантациях после сборки основного урожая - хлопка сырца. Только небольшая их часть используется местными жителями в качестве низкосортного топлива, когда их квалифицированной переработкой можно будет получать и горючий пи-ролизный газ для промышленных и бытовых нужд и пироконденсат, имеющий такую широкую палитру потребления, как в производстве органического синтеза и энергоносителей а также пироуглерод -ценнейший полупродукт для получения угольных адсорбентов, незаменимых для использования в промышленных сферах, в частности как угольные электроды.

В современных условиях высоко ценится и имеются большие потребности в жидких энергоносителях, состоящих из углерод- углеводородных материалов с небольшим содержанием кислородсодержащих соединений в отличии от известных твердых энергоносителей природного происхождения. Поэтому считается целесообразным и в экономическом, и в экологическом плане получение твердых углерод-углеводородных энергетических материалов из биорастительных материалов или как принято называть во многих литературных источниках - из неделовой древесины. Энерготехнологическая переработка этого вида сырья эквивалентна использованию 0,25-0,5 кг твердого углерод-углеводородного топлива на килограмм стебли хлопчатника. С учетом одновременного получения продукции биорастительного профиля, квалифицированный подход к переработке данного вида сырья современными химическими процессами даёт возможность получения высокоэффективных энергетических материалов.

До недавнего времени топливная обеспеченность потребителей базировалась на горючих газовых и жидкого нефтяного происхождения, применение которых для энергетических установок явилось наиболее целесообразным, из-за относительно высокой концентрации энергии в единице объёма, простоты транспортировки, хранения и эксплуатации, доступности и дешевизне производства. Однако

декабрь, 2024 г.

динамика роста потребителей топливно - энергетических материалов потребовала расширения ресурсов экологии чистых, твердых транспортабленных брикетированных энергоносителей с высоким значениям энерго отдачи, что обусловлено ограниченностью природных топливных запасов с одной стороны и постоянным увеличением других технологических трудностей при обеспечения различных экономических, экологических, в целом стратегических требований разведенного мирового значения с другой стороны. Расширение ресурсов твердых многогранных эффективных твердых топлив можно достичь за счёт применения альтернативных, возобновляемых ресурсно сырьевых материалов при получение энергоносителей с целевым назначением.

Перспективность применения пироуглерод-углеводородной массы биорастительного происхождения в качестве энергоносителя или их самостоятельное использование в качестве сухих топливных брикетов определяется, прежде всего их экологической безопасностью и улучшенными эксплуатационными характеристиками, достаточностью сырьевых ресурсов.

Твердые продукты пиролиза состоят из суммы пироуглерода и остаточной углеводородной массы. Результаты эксперимента показывают, что при определённых условиях из биорастительной массы путем пиролиза возможно получить практически не менее 30% от массы загруженного сырья твердой углеродной массы со следами углеводородов. С учётом ежегодного возобновления этого потенциала более 50-70 миллионов тонн исследуемое направление вызывает интерес к развитию работ в этом направлении.

В целях более глубокого изучения процесса пиролитической деструкции биорастительной массы нами исследованы влияние температуры процесса на качественный и количественный состав конечных продукций. В таблице № 1 приведены результаты влияния пиролитической деструкции на выход пиро-газа, пироконденсата и твердого остатка. При этом температурный интервал проведения процесса пиролиза выбран от 475 до 800оС с шагом на 25оС. Из данных представленных в таблице видно, что при низких температурах проведения процесса выход твердых компонентов достигается 35,70% пиро-углерода 21,4% и пиролизного углеводорода 14,30%, а выход пирогаза 11,44%. При этом пироконденсат получаются с интервалом кипения 63-430оС, который является смесью головной углеводородной фракции с интервалом кипения 63-90оС, 2,13% бензиновой фракции с интервалом кипения 90-1800С, выходом 29,82%, а дизельная фракция с интервалом кипения 180-3500С, выходом 10,10% и масляной фракции с интервалом кипения 351-4300С на уровне выхода 7,90% от потенциального возможного. При этом потери определяются по разности масс выходов и загрузки.

Таблица 1.

Результаты ииролитической переработки стеблей хлопчатника фракции 3-5мм со смесью теплоносителей-насадкой, состоящий из соответствующих фракций при соотношении загрузки сырье пиролиза -теплораспределительная насадка 2:1 без доступа кислорода (воздуха) в реакционную зону

Темпе- Пироконденсат - широкая фракция Пироуглерод

рату- Пирогаз, Интер- В том числе по фракциям углеводород о4

№ ра пи- выход вал Выход Головка, Бензиновая Дизельная Масляная а

№ роли- кипе- WWWWVW выход фракция, фракция, фракция, 5> Q.

за^С щ»С выход выход выход Ü <г

В,Г В,% BJ в,% BJ в,% ВТ в,% BJ в,% BJ в,% в,г в,% О С

1 475 114.4 11,44 63-430 499,5 49,95 21,3 2.13 298,2 29,82 101,0 10.10 79,0 7,90 357,0 35,70 2,91

2 500 143.6 14,36 61-429 461,7 46,17 28,3 2,83 270,1 27,01 100,0 10,00 63,3 6,33 359,0 35,90 3,57

3 525 182,2 18,22 60-420 434,4 43,44 30,7 3,07 253,6 25,36 91,3 9,13 59,2 5,92 347,5 34,75 3,59

4 550 195,7 19,57 57-418 414,8 41,48 46,6 4,66 225,8 22,58 89,2 8,92 59,2 5,92 347,2 34,72 4,23

5 575 227,6 22,76 56-414 391,7 39,17 48,7 4,87 160,3 16,03 71,8 7,18 50,0 5,00 331,5 33,15 4,92

б 600 255,4 25,54 50-409 372,4 37,24 51,8 5,18 150,9 15,09 66,1 6,61 31,7 3,17 335,1 33,51 3,71

7 625 281,5 28,15 44-382 352,2 35,22 60,0 6,00 160,9 16,09 41,0 4,10 Сл. 327,1 32,71 3,92

8 650 289,9 28,99 41-367 338,7 33,87 63,4 6,34 150,4 15,04 40,1 4,01 -. Сл. 324,8 32,48 4,66

9 675 336,2 33,62 38-355 310,9 31,09 79,1 7,91 117,2 11,72 40,0 4,00 - 314,6 31,46 3,83

10 700 363,5 36,35 36-346 279,1 27,91 81,8 8,18 90,7 09,07 39,5 3,95 - 317,2 31,72 4,02

11 725 405,4 40,54 36-340 250,0 25,00 86,3 8,63 75,4 07,54 38,0 3,80 - 302,8 30,28 4,18

12 750 435,4 43,54 36-333 225,3 22,53 93,4 9,34 96,8 09,68 35,1 3,51 - 293,0 29,30 4,63

13 775 495,9 49,59 36-327 204,7 20,47 96,0 9,60 78,7 07,87 30,0 3,00 - 261,7 26,17 3,77

14 800 517,0 51,70 36-316 183,1 18,31 98,1 9,81 63,7 06,37 21,3 2,13 - 261,1 26,11 3,88

№ 12 (129)

декабрь, 2024 г.

Как видно из таблицы, интервал кипения широкой фракции (в нефтепереработке такая фракция называется ШЛФУ- широкая легкая фракция углеводородов) не постоянный, что объясняется увеличением выхода более низкомолекулярных фракций углеводородов с повышением температуры процесса. Такую картину можно увидеть и с изменением выхода пирогаза. Действительно с увеличением температуры процесса увеличивается выход пирогаза от потенциального возможного, что отражается на выход пироконденсата и твердого остатка пиролизного процесса. Аналогичная картина наблюдается и с масляной фракции -одной из составляющих широкой легкой фракции углеводородов. При температуре процесса выше 600оС практически не образуются масляная фракция и пироконденсат состоит из смеси только бензиновой и дизельной фракции, если не учесть головной незначительной части от потенциала, выход которой также наблюдается увеличение, а химический состав твердого остатка также меняется как качественно, так и количественно.

Если при 475оС выход твердого остатка состоял из 21,40% углерода в сумме 35,70 и 14.30% углеводорода, то при 6000С содержание углерода изменился в сторону увеличения и составил 23,17%, а содержание углеводорода изменился в сторону уменьшения и составил выход на уровне 10,36% при 6000С против 14,30% при 4750С. Такое изменение качественного и количественного состава твердого остатка объясняется увеличением глубины процесса медленного пиролиза - коксования с изменением температуры в сторону увеличения температуры процесса пиролиза.

Как видно из таблицы, изменение взаимных соотношений в выходе дизельной и бензиновой фракций, объясняется общей закономерностью увеличением степень глубины термической (пиролитической) деструкции высокомолекулярных сложных органических структур с образованием более низкомолекулярные углеводородные вещество. Однако при этом не исключено образование кислородосодержащих соединений со следами образования углеводородных соединений с наличием в структуре азота или других элементов. Видно что, с изменением температуры пиролиза от 600оС до 800оС выход бензиновой фракции в составе широкой фракции углеводородов (от потенциального возможного) изменяется от 15,09% до 6,37% и уменьшается также содержание дизельной фракции тоже. Данный процесс пиролиза мы называем условно пиролизом без доступа воздуха или кислорода в реакционную зону, хотя в реакторе рабочий емкостью 6 л свободное пространство от загрузки сырья пиролиза-геометрически фракциями стеблей хлопчатника была занято воздухом, что в пересчете это воздушного объема-4 л на кислород составляет -1л или 0,2г-моль. Следует отметить, что хотя в таблицы для составления баланса выход пи-рогаза представлен в массовых долях. Это массовое значения является расчетной, а в ходе эксперимента выход газообразной продукции пиролиза определены по объему. В целях поиска оптимальных технологических параметров обеспечивающей максимального

выхода легких углеводородных фракций продолжались исследования и проведения экспериментов в различных условиях пиролизного процесса. Известно, что одним из наиболее широко применяемых в химической и нефтехимической, а также биохимической технологии является пиролиз с частичным окислением. При этом в пиролитическом реакторе кислород подаваемой в зону термической деструкции высокомолекулярных соединений окисляет частично некоторых соединений. При этом так называемое окислительная деструкция протекает с выделением определенного количества тепла за счет окислительных процессов, что целесообразно для обеспечения в максимальной степени деструкции высокомолекулярных сложных структур, потому что при применении, поэтому пиролитических процессов часто обращаются к окислительному пиролизу. В нашем случае мы ограничивались подключением потока воздуха подачей в реакционную зону с расходом 10л/10мин, чтобы не допустить полного окисления сырья пиролиза. Однако при этом нам не удалось определить количество газовых образований, поскольку на выходе газовых смесей мы имели смесь воздуха с пирогазом. Поэтому в таблице № 2 мы ограничивались представлением им формации суммированием газовых образований с потерями. Однако следует отметить, что образовавшегося газовая смесь на факеле горела ярко голубым пламенем. Как видно из таблицы 1 и 2 результаты окислительного пиролиза позволяет изменить интервал кипения жидкой фракции. Видно что, начало кипения жидких фракций при температуре процесса 475оС в случае применения окислительного пиролиза на несколько пунктов увеличивается, а конец кипения на 12 пунктов снижается, против при пиролизе без доступа кислорода в реакционную зону. Наблюдаются также изменения интервала кипения жидкой фракции при проведении пиролитической деструкции в 800оС тоже. Если в случае обычного пиролиза начало кипения жидкой фракции отмечено при 36оС, то в случае окислительного пиролиза, температура начало кипения жидкой продукции поднималась на 3 пунктов выше и имел значение 49оС, а при этом значение конца кипения пироконденсата также поднимался с 316оС до 348оС что мы объясняем образованием кислородосодержащих углеводородов со значительными повышенными показателями температуры кипения. Наблюдается также изменения в выходах жидких фракций и твердого остатка. Показатели головной части жидких углеводородов также изменялись. Заслуживающая внимание то что, при этом наблюдается значительное увеличения выхода легкой фракции пироконденсата. Однако при высоких температурах выход твердой части также увеличивается и составляет 29% против 26% при пиролизе без совмещения частичных окислительных процессов. Такое явление объясняется увеличением процесса медленного коксования против процесса термической деструкции. Не исключено также возможность влияния на процесс определенной части высокомолекулярной углеводородной части.

Заключение

Разность снижения выхода твердого остатка в отличии от простого медленного процесса пиролиза и пиролиза с частичным окислением, тем, что видимо в предыдущих случаях процесс медленного пиролиза протекает сначала с образованием более высокомолекулярных углеводородов и далее термическое дегидрирование, обеспечивающую образование пироуглерода.

декабрь, 2024 г.

По оптимистическим прогнозам углеводороды биологического происхождения станет безальтернативным источником энергии и энергоносители для человечества, заменив все прочие. Поэтому на начальной стадии использования пироуглерода биологического происхождения нами считалась целесообразным использовать в определенном соотношении углеводородов биологического происхождения в процессе получения твердого углерод-углеводородного топлива.

№ 12 (129)

Список литературы:

1. Эшмухамедов М.А., Пономарева Т.В., Кавкатбеков М.М., Каюмова И.К. Технические возможности получения синтез-газа из бурых углей. ЭМА, Международная научн-техническая конференция молодых ученых. «Инновационные материалы и технологии-2020» IMT-2020. Город Минск. Республика Беларусь. 09-10 января 2020 г. ISBN 978-985-530-724-3. УО «Белорусский государственный технологический университет-2020» 2019.12.05 588-589 с.

2. Исмаилов Р.И., Эшмухамедов М.А., Пономарева Т.В.. Кадыров Н.А., Шералиева О.А., Очистка сточных вод масложирового производства Международная научн-техническая конференция молодых ученых. «Инновационные материалы и технологии-2020» IMT-2020. Город Минск. Республика Беларусь. 09-10 января 2020 г. ISBN 978-985-530-724-3. УО «Белорусский государственный технологический университет-2020» 2019.12.05. 296-299 с.

3. Эшмухамедов М.А., Усманова Р.М., Рахматов У.Н., Понамарева Т.В. Экономически выгодные возможности извлечения марганца из марганцевой руды дауташского месторождения. Modern science International scientific journal № 3, Vol., I. 2020. Founder and publisher: «Strategic Studies Institute» LLC. Modern science International scientific journal, № 3, Vol.I., 2020.

4. Холов И.А., Искендеров А.М., Эркаев А.У., Рахимкулов Ш.Р., Мураткулов О.К. Development of a Technology for Producing Calcium Peroxide by Converting Calcium Nitrate with Hydrogen Peroxide in the Presence of Ammonia // ISSN: 2350-0328 International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology Vol. 8, Issue 9, September 2021.

5. Холов И.А., Турабджанов С.М., Искендеров А.М., Эркаев А.У., Тоиров З.К. Изучение реологических свойств суспензии, образующейся при получении пероксида кальция // UNIVERSUM: ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ. Выпуск: 10(88) Октябрь 2021, Часть 2 (02.00.00, №1).

6. Эшмухамедов М.А., Кавкатбеков М.М., Усманова Р.М., Абдувалиев А.А., Понамарёва Т.В. Альтернативные источники получения углеводородных топлив в мире и Узбекистане. Проблемы экологии и экологической безопасности. Создание новых полимерных материалов: сб. материалов VII международной заочной научно-практической конференции - Минск: УГЗ, 2020. - 356. 71-73 стр. ISBN 978-985-590-097-0