Инновационные технологии 21 века в области химии, химической технологии, новых

материалов

Получение углерод-минеральных сорбентов на основе белой сажи и

нефтяного пека

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФилиал федерального государственного бюджетного образовательного

учреждения высшего профессионального образования«Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате

(Филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате)

Автор проекта:студент гр. ТП-09-21 В.Ф. Нигматуллин Руководитель:канд. техн. наук П.В. Кугатов

Актуальность проектаЦелесообразно выделить следующие

основные области использования пористых углеродных материалов:• адсорбция паров и газов из их смесей с

воздухом и разделение и очистка газов; • адсорбция из растворов (в пищевой и

химической технологии, для очистки сточных вод); • в области катализа ( в качестве

катализаторов или носителей для катализаторов)• в области медицины, хроматографии.

В основном пористые материалы обладают высокой стоимостью из-за высоких эксплуатационных затрат на их производство. Также технологии получения данных материалов экологически опасны и энергоемки. Поэтому есть необходимость в создании дешевого углеродного материала с требуемыми значениями удельной поверхности, прочности, который мог бы использоваться в качестве сорбента или носителя для катализаторов.

СырьеВ качестве сырья используются:•Белая сажа (в работе представлены марки белой сажи БС-50, БС-100, БС-120,

У-333) представляет собой диоксид кремния, который получается осаждением из раствора силиката натрия (жидкого стекла) кислотой (соляной в РФ и серной за рубежом), с последующей фильтрацией, промывкой и сушкой. Химическая формула - mSiО2·nН2О.

Получение суспензии полупродукта - силиката кальция:Na2O·mSiO2 + CaCl2 + pH2O = CaO·mSiO2·nH2O + 2NaCl + (p-n)H2O.Получение суспензии белой сажи:CaO·mSiO2·nH2O + 2HCl = mSiO2·nH2O + CaCl2 + H2O.•Пек представляет собой битуминозный материал черного или бурого цвета с

блестящим раковистым изломом. При нормальных условиях - обычно твердое вещество, а при нагревании выше температуры размягчения переходит в вязко-текучее состояние. Спекающая способность пека в большей степени оценивается его коксуемостью, коксовым остатком и содержанием α- и β-фракций, а связующая способность - преимущественно температурой размягчения, плотностью, вязкостью и содержанием α-фракций.

№ Опыта Sуд.,м2/г Прочность на раздавливание, МПа

В7 10/90 75 1,32

В6 20/80 76 1,34

В3 30/70 67 1,49

В4 40/60 73 1,91

В5 50/50 44 2,03

В7 10/90 В3 30/70 В5 50/50

Снимки были сделаны на электронном микроскопе JEOL JSM-6610LV.

Исследование влияния содержания пека на характеристики образцов

0 200 400 600 800 1000 12000

2

4

6

8

10

Температура прокаливания, °С

Пот

еря

мас

сы, %

0 200 400 600 800 1000 12000

10

20

30

40

50

60

70

80

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

Уде

льна

я по

верх

ност

ь, м

2/г

Температура прокаливания белой сажи БС-100, °C

Про

чнос

ть, М

Па

Прокалка белой сажи БС-100 и исследование свойств полученных образцов из прокаленной белой сажи

№ Опыта Марка белой сажиКонечная

температура нагрева, °С

Прочность на раздавливание,

МПа

Удельная поверхность (метод

БЭТ), м2/г

В3

БС-100

700 1,15 67

В17 800 1,11 70

В18 900 1,32 32

В16 1000 2,53 29

В24

БС-120

700 1,08 52

В25 800 1,09 51

В26 900 1,80 47

В27 1000 2,84 25

Исследования проводились при температуре карбонизации 700-1000 °С. Содержание пека в смесях 30%.

Исследование влияния температуры карбонизациина характеристики гранул

Образцы сделаны с содержанием пека в смеси 30% и при температуре карбонизации 1000°С.

№ Опыта Марка белой сажи Размер частиц, нм Sуд.,м2/гПрочность на

раздавливание, МПа

В16 БС-100 23-34 29 2,53

В27 БС-120 19-27 25 2,84

В28 У333 - 28 -

В29 БС-50 50-70 16 -

Исследование влияния марок белой сажи на характеристики образцов

На первой стадии количество добавляемого пека относительно невелико (1-10%), температура термообработки - 1000 °С. На второй стадии количество пека – 30%, температура карбонизации – 700 °С.

№ Опыта

Содержание пека во

вторичном сырье, %

Прочность на раздавливание, Мпа Удельная

поверхность, м2/г

Поверхность макропор, м2/г

Объем микропор,

см3/гЭкструдаты Таблетки

Опыт В14 10 2,51 1,49 56 14 0,019

Опыт В15 5 2,14 6,43 15 4 0,008

Опыт В19 1 0,85 0,76 17 11 0,005

Получение образцов по двустадийной схеме

Измерение удельной поверхности. Метод БЭТ

0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 0.6000 0.7000 0.8000 0.9000 1.00000

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

Р/Р0

а, м

оль/

г

Поверхность макропор и объем микропор рассчитан с помощью αS метода.

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.80

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

f(x) = 6.1333902518482E-05 x + 6.00748834754879E-05R² = 0.999990224836093

f(x) = 2.33843759897172E-05 x + 8.48779744477867E-05R² = 0.960169993486763

f(x) = 7.89889826670469E-05 x + 0.000212532349875772R² = 0.937651535755775

Опыт В14 10/90 Linear (Опыт В14 10/90)Опыт В15 5/95 Linear (Опыт В15 5/95)Опыт В19 1/99 Linear (Опыт В19 1/99)

αS

Кол

ичес

тво

адсо

рбат

а, м

оль/

г

№ ОпытаСодержание

пека на второй стадии, %

Удельная поверхность,

м2/гМакроповерхность Объем

микропор

Суммарный объем пор,

см3/г

Прочность на раздавливание,

Мпа

Опыт В23 10 5 6,17 0,00001 - 0,0036

Опыт В22 20 12 11,06 0,0013 0,40 0,02

Опыт В15 30 15 4,49 0,0072 0,41 2,14

Опыт В21 40 51 7,79 0,0228 0,43 0,59

Опыт В20 50 46 11,89 0,0172 0,78  

Наиболее оптимальными значениями удельной поверхности и прочности обладает образец В15 с содержанием пека на второй стадии 30%. Суммарный объем пор у образцов сопоставим. Данный образец можно использовать в качестве носителя для катализаторов.

Исследование влияния количества пека, добавляемого на второй стадии, на характеристики образцов

Для увеличения удельной поверхности образцов был применен процесс выщелачивания 3М NaOH.

№ Опыта

Содержание пека на первой

стадии, %

Содержание пека на второй

стадии, %

Удельная поверхность,

м2/гМакроповерхность Объем

микропор

Суммарный объем пор,

см3/г

Опыт В15 5 30 99 33,12 0,0644 2,51

Опыт В21 5 40 167 46,85 0,0644 2,13

Опыт В20 5 50 124 42,90 0,0324 1,45

Опыт В14 10 30 203 - - -

После процесса выщелачивания у образцов вдвое увеличилась удельная поверхность и значительно увеличился объем пор, что позволяет данные образцы использовать в качестве сорбентов.

Процесс выщелачивания

Рекомендуемые значения основных параметров приготовления гранул пористого материала

Параметр Значение

Первая ступень карбонизации

Содержание пека в смеси на первой ступени, % 5-10

Время перемешивания, мин Не менее 60

Температура карбонизации, °С Не менее 1000

Способ гранулирования Экструзия

Скорость нагрева, град./мин Не более 15

Вторая ступень карбонизации

Содержание пека в смеси на второй ступени, % 30-40

Температура карбонизации, °С Не менее 700

Способ гранулирования Экструзия

Выщелачивание

Концентрация NaOH 3M

Время выщелачивания, мин Не менее 75

Продукция проекта

№ Опыта

Содержание пека на первой

стадии, %

Содержание пека на второй

стадии, %

Удельная поверхность,

м2/г

Макроповерхность

Объем микропор

Суммарный объем пор,

см3/г

Сфера использован

ия

Опыт В21выщелоченный 5 40 167 47 0,0644 2,13 сорбент

Опыт В15 5 30 15 5 0,0072 0,41Носитель

для катализатора

Защита интеллектуальной собственностиПодача заявки на получение патента предусмотрена в скором времени.

Технологическое оформление процесса

I – нефтяной пек; II – сырьевая смесь (белая сажа (БС-100) с 5% содержанием пека и карбонизированная при 1000 °С); III – бензин; IV – химически очищенная вода; V – топливно-воздушная смесь; VI – готовый углеродный носитель; VII – дымовые газы; VIII – щелочь (NaOH 3M); IX – отработанная щелочь на утилизацию; X – готовый углеродный сорбент; Д-1 – молотковая дробилка; БМ-1, БМ-2 – барабанные мельницы; Г-1, Г-2 – грохоты; М-1, М-2 – мешалки; Е-1, Е-2, Е-3 – емкости; И-1 – испаритель; КХ-1 – конденсатор-холодильник; ТМ-1 – таблеточная машина; П-1 – барабанная печь; Х-1 – холодильник; КУ-1 – котел-утилизатор; Р-1 – реактор для процесса выщелачивания

Расчет капитальных затрат

Наименование Сумма, тыс.руб.

Технологическое оборудование 9988,0

Вспомогательное оборудование 908,0

Силовое оборудование (60% от технологического оборудования) 5992,8

КИП (15% от технологического оборудования) 1498,2

Стоимость оборудования с учетом затрат на доставку и монтаж 19751,3

Затраты на возведение зданий и сооружений 6991,6

Дополнительные затраты 3495,8

Капитальные затраты 30238,7

Расчет капитальных затрат включает затраты на оборудование, здания и сооружения. Основываясь на величине проектной мощности оборудования, определяем стоимость технологического оборудования. Затраты на силовое оборудование, КИП, на его доставку ,монтаж, а также затраты на строительство зданий и сооружений рассчитываем в виде процентной стоимости от стоимости технологического оборудования.

Расчет себестоимостиСтатьи затрат Единица

измеренияНорма расхода Цена, руб. Руб. на 1 т

продукции

Белая сажа БС-100 т 1,594 48410 77165,54

Нефтяной пек т 0,463 7000 3241,00

Бензин т 0,05556 15000 833,40

Щелочь т 20,408 14900 304079,2

Топливо т 0,001 2000,00 2,00

Вода тыс. м3 0,001 530,05 0,53

Электроэнергия тыс. кВт 0,002 666,01 1,33

Заработная плата 4800,00

Отчисления на соцстрах 1824,00

Амортизация 3023,87

Затраты на текущий ремонт 40,00

Общезаводские расходы 100,00

Полная себестоимость для носителя 91031,67

Полная себестоимость для сорбента 395110,87

Расчет эффективности инвестиционного проекта

Показатели Значение

Производительность установки, т/год 1000

Капитальные затраты, млн. руб. 30,24

Себестоимость продукции носителя, тыс. руб./т 91,03

Себестоимость продукции сорбента, тыс. руб./т 395,11

Цена готовой продукции носителя, тыс. руб./т 120

Цена готовой продукции сорбента, тыс. руб./т 380

Горизонт расчета, лет 5

Чистый дисконтированный доход NPV, млн. руб. 11,04

Внутренняя норма доходности IRR, % 0,24

Простой срок окупаемости проекта, лет 3,19

Дисконтированный срок окупаемости, лет 4,54

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!

Контактная информация:Почтовый адрес: 453265 РБ г. Салават ул. Калинина 54-42Контактный телефон: 89177600261