Покращення якості низькооктанових фракцій вуглеводнів в умовах каталітичної обробки на алюмокремнієвих каталізаторах
Пошук нових альтернативних джерел енергії є основним викликом сьогодення. Зменшення видобутку нафти, газу, кам’яного вугілля можна досягти за рахунок раціонального використання біомаси як сировини для паливно-мастильних матеріалів. Термохімічна обробка біомаси дозволяє отримувати вихідну сировину дл...
Gespeichert in:
| Datum: | 2020 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Online Zugang: | https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/26 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Catalysis and petrochemistry |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Catalysis and petrochemistry| _version_ | 1872008972725125120 |
|---|---|
| author | Yevdokymenko, V.O. Khimach, N.Y. Tkachenko, T.V. Kamensky, D.S. Dolya, L.P Korotun, O.B. Kyselov, I.V. Kashkovsky, V.I. |
| author_facet | Yevdokymenko, V.O. Khimach, N.Y. Tkachenko, T.V. Kamensky, D.S. Dolya, L.P Korotun, O.B. Kyselov, I.V. Kashkovsky, V.I. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "V.O. Yevdokymenko",
"institution": "нститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України, вул. Мурманська, 1, Київ-94, 02094, Україна"
},
{
"author": "N.Y. Khimach",
"institution": "Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України, вул. Мурманська, 1, Київ-94, 02094, Україна"
},
{
"author": "T.V. Tkachenko",
"institution": "Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України, вул. Мурманська, 1, Київ-94, 02094, Україна"
},
{
"author": "D.S. Kamensky",
"institution": "Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України, вул. Мурманська, 1, Київ-94, 02094, Україна"
},
{
"author": "L.P Dolya",
"institution": "Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України, вул. Мурманська, 1, Київ-94, 02094, Україна"
},
{
"author": "O.B. Korotun",
"institution": "ТОВ «Ніом» вул. Миколи Мольченка 79, м.Бобровиця, Чернігівська обл., Україна, 17400"
},
{
"author": "I.V. Kyselov",
"institution": "ДУ ІГНС НАН України, пр-т Академіка Палладіна, 34а Київ-142, Україна, 03142"
},
{
"author": "V.I. Kashkovsky",
"institution": "Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України, вул. Мурманська, 1, Київ-94, 02094, Україна"
}
] |
| author_sort | Yevdokymenko, V.O. |
| baseUrl_str | https://kataliz.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2021-12-10T12:27:19Z |
| description | Пошук нових альтернативних джерел енергії є основним викликом сьогодення. Зменшення видобутку нафти, газу, кам’яного вугілля можна досягти за рахунок раціонального використання біомаси як сировини для паливно-мастильних матеріалів. Термохімічна обробка біомаси дозволяє отримувати вихідну сировину для низки процесів, зокрема відділення вуглеводневих компонентів та їх каталітична обробка дозволяє отримати альтернативні компоненти для моторних палив. Головною перевагою застосування вуглеводневих фракції з біомаси є те, що в них повністю відсутні сірко- або нітрогенвмісні сполуки, які відіграють роль каталітичних отрут.
Каталітичні дослідження проводили в проточному реакторі при об‘ємі завантаженого каталізатора 30см3, температури у зоні реакції - 350±5 °С та тиску 0,1 МПа. Вихідну сировину подавали у реакційну зону за допомогою насоса із постійною швидкістю 1 год-1. Напрям подачі сировини згори вниз.У даній роботі показано, що промислові алюмосилікати, являють собою структурні сполуки (Кат.25, Кат.38, Кат.50, Кат.80) та проявляють каталітичні властивості у процесі крекінгу, що відображається в підвищенні октанового числа від 8 до 20 одиниць. Чим вища їх крекуюча активність тим більше утворюється газових продуктів та змінюється фракційний склад в напрямку ізомернних вуглеводнів, що підтверджує газохроматографічний аналіз. За кількістю газової фази та складом рідких продуктів слід відзначити, що найбільш активним каталізатором виявився зразок Кат.25. Дана ефективність пов’язана з хімічним складом та методами синтезу застосованих в процесі каталізаторів, які по своїй природі містять катіони алюмінію (Al3+) та кремнію (Si4+), що безумовно впливає на формування кислотних центрів Бренстеда, які відповідальні за перебіг процесу крекінгу. В свою чергу, каталізатори типу Кат.1 та Кат.2 зі значним вмістом алюмінію та відсутнім каталітичним ефектом можна охарактеризувати як механічну суміш зазначених основних оксидів, а не алюмосилікатну матрицю з певною структурою.Виходячи з отриманих результатів відновлювальна біомаса є потенційним джерелом для одержання вуглеводневих фракцій, які після процесів каталітичної обробки можуть слугувати якісними високооктановими компонентами альтернативних палив. |
| doi_str_mv | 10.15407/kataliz2020.30.066 |
| first_indexed | 2026-03-12T15:49:52Z |
| format | Article |
| fulltext |
66 Каталіз та нафтохімія, 2020, № 30
УДК 662.76; 663.436 © 2020
https://doi.org/10.15407/kataliz2020.30.066
Покращення якості низькооктанових фракцій
вуглеводнів в умовах каталітичної обробки
на алюмокремнієвих каталізаторах
В.О. Євдокименко1, Н.Ю. Хімач1, Т.В. Ткаченко1, Д.С. Каменських1, Л.П. Доля1
О.Б. Коротун2, Ю.В. Кисельов3, В.І. Кашковський1
1Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України,
вул. Мурманська, 1, Київ-94, 02094, Україна,
2ТОВ «Ніом» вул. Миколи Мольченка 79, м.Бобровиця, Чернігівська обл., Україна, 17400
3ДУ ІГНС НАН України, пр-т Академіка Палладіна, 34а Київ-142, Україна, 03142
vay.77@ukr.net, himyla@gmail.com, ttv13ttv@gmail.com
Пошук нових альтернативних джерел енергії є основним викликом сьогодення. Зменшення
видобутку нафти, газу, кам’яного вугілля можна досягти за рахунок раціонального використання
біомаси як сировини для паливно-мастильних матеріалів. Термохімічна обробка біомаси дозво-
ляє отримувати вихідну сировину для низки процесів, зокрема відділення вуглеводневих компо-
нентів та їх каталітична обробка дозволяє отримати альтернативні компоненти для моторних па-
лив. Головною перевагою застосування вуглеводневих фракції з біомаси є те, що в них повністю
відсутні сірко- або нітрогенвмісні сполуки, які відіграють роль каталітичних отрут.
Каталітичні дослідження проводили в проточному реакторі при об‘ємі завантаженого каталі-
затора 30см3, температури у зоні реакції - 350±5 °С та тиску 0,1 МПа. Вихідну сировину подавали
у реакційну зону за допомогою насоса із постійною швидкістю 1 год-1. Напрям подачі сировини
згори вниз.
У даній роботі показано, що промислові алюмосилікати, являють собою структурні сполуки
(Кат.25, Кат.38, Кат.50, Кат.80) та проявляють каталітичні властивості у процесі крекінгу, що ві-
дображається в підвищенні октанового числа від 8 до 20 одиниць. Чим вища їх крекуюча актив-
ність тим більше утворюється газових продуктів та змінюється фракційний склад в напрямку
ізомернних вуглеводнів, що підтверджує газохроматографічний аналіз. За кількістю газової фази
та складом рідких продуктів слід відзначити, що найбільш активним каталізатором виявився зра-
зок Кат.25. Дана ефективність пов’язана з хімічним складом та методами синтезу застосованих в
процесі каталізаторів, які по своїй природі містять катіони алюмінію (Al3+) та кремнію (Si4+), що
безумовно впливає на формування кислотних центрів Бренстеда, які відповідальні за перебіг
процесу крекінгу. В свою чергу, каталізатори типу Кат.1 та Кат.2 зі значним вмістом алюмінію та
відсутнім каталітичним ефектом можна охарактеризувати як механічну суміш зазначених основ-
них оксидів, а не алюмосилікатну матрицю з певною структурою.
Виходячи з отриманих результатів відновлювальна біомаса є потенційним джерелом для
одержання вуглеводневих фракцій, які після процесів каталітичної обробки можуть слугувати
якісними високооктановими компонентами альтернативних палив.
Ключові слова: відходи біомаси, піроліз, каталітичні перетворення вуглеводнів, алюмо-кремнієвий каталізатор,
октанове число.
Вступ
Транспортні засоби – це рух, а рух без енергії не-
можливий. Дев’ятнадцяте століття увійшло в історію
паровими машинами, двадцяте - двигунами внутріш-
нього згорання, а початок двадцять першого асоцію-
ється з бурхливим розвитком електротранспорту.
Останніх два види перетворення енергії в рух, на на-
шу точку зору, ще будуть довго конкурувати в розрізі
нових технологій та розподілу ринку енергоресурсів.
Один із головних викликів 21 століття – змен-
шення використання викопних джерел енергії та за-
лучення потенціалу біовідновлювальної сировини,
яка, в свою чергу, при раціональному підході забез-
печить ринок необхідною продукцією. Серед віднов-
люваних джерел енергії рослинна біомаса є найбільш
ємним і доступним джерелом, а за певними оцінками
вона дає понад 2 млрд. т умовного палива (у.п.) енер-
гії на рік, що складає близько 14 % загального спо-
живання первинних енергоносіїв у світі [1-3].
На сьогодні Україна має значний ресурс рослин-
ної біомаси, придатної для енергетичного викорис-
тання і без загрози продовольчій безпеці держави [4].
Значним, хоча і мало залученим, є потенціал біомаси
у вигляді відходів сільського господарства (солома –
Каталіз та нафтохімія, 2020, № 30 67
5,6 млн. т у.п./рік; стебла, качани, лушпиння та ін. –
4,7 млн. т у.п./рік) та швидкозростаючі культури. З
появою нових технологій конверсії така біомаса, а
також біомаса «енергетичних» плантацій, може стати
хорошою сировинною базою для створення рідких і
твердих біопалив [5].
Біомаса та її похідні продукти є також альтерна-
тивним джерелом для нафтохімічного синтезу. У
цьому випадку визначна роль належить каталізато-
рам, серед яких широко застосовуються алюмоок-
сидні комплекси [6]. Не дивлячись на існування
значної кількості технологічних процесів та апаратів
терморозкладу біомаси, активні дослідні роботи по
оптимізації умов її проведення і удосконалення конс-
труктивних особливостей обладнання та підбору ка-
талітичних систем ведуться й сьогодні. Отримує
нове дихання процес гідротермальної карбонізації
(Hydrothermal carbonization-НТС) [7-8], який ще в
1913 році був описаний німецьким вченим Фрідрі-
хом Бергіусом.
Рідкі продукти піролізу (з теплотою згоряння
Qрн=20-25 МДж/кг) складаються із суміші високо-
молекулярних вуглеводнів і води (до 20 % мас.). Їх
можна використовувати як паливо для котлів, а після
відповідної переробки і як паливо для газових турбін
та дизельних двигунів, чи як сировину для подальшої
хімічної переробки. Головною перевагою рідких
продуктів піролізу біомаси є відсутність сірко- та
нітрогеновмісних сполук, що значно полегшує їх
переробку в порівнянні з продуктами піролізу гумо-
вої крихти. Неконденсуючі продукти піролізу є го-
рючим газом з теплотою згоряння Qрн=15-
22 МДж/нм3, вихід яких може досягати до 70 % від
маси сухої сировини [8-9].
Виходячи з вище наведеного, а саме, можливості
широкого застосування рідких продуктів піролізу в
ролі палива, слід проводити процес переробки вихід-
ної сировини у присутності високоефективних ката-
лізаторів.
Метою даної роботи був підбір алюмосилікатних
каталізаторів та умов їх експлуатації для підвищення
октанового числа (О.Ч.) як одного із показників якос-
ті компонентів альтернативного палива.
Методи та матеріали
Каталітичні процеси проводили на лабораторній
установці, яка складається з каталітичного реактора
проточного типу, насоса-дозатора, градуйованої
ємності подачі вихідної сировини, холодильника,
сепаратора розділення рідкої та газової фракцій,
ємностей для збору газів та цільового продукту.
Установка обладнана джерелом нагріву реактора та
блоком вимірювання температури в реакторі [10].
Каталітичні дослідження проводили при об‘ємі за-
вантаженого каталізатора 30 см3 у реакторі, темпе-
ратури у зоні реакції - 350±5 °С та тиску 0,1 МПа.
Вихідну сировину подавали у реакційну зону за до-
помогою перистальтичного насоса із постійною
об’ємною швидкістю 1 год-1. Напрям подачі сиро-
вини «згори до низу». Аналіз хімічного складу ви-
хідної сировини та продуктів, отриманих в процесі
каталітичної обробки - рідкої та газової фракцій,
проводили хроматографом Agilent 7890A з капіляр-
ною колонкою DB-624 UI. Октанове число вихідної
сировини та отриманих продуктів визначали окта-
нометром «ОК-2М» [11]. Елементний склад дослі-
джуваних каталізаторів визначали рентгенофлюоре-
сцентним методом аналізатором «EXPERT 3L
168U».
Вихідною сировиною слугувала бензинова фра-
кція, надана для дослідження ТОВ «Ніом». Одер-
жана із біовідновлюваної сировини бензинова фра-
кція - це рідина світлого кольору з густиною
0,712 г/см3, вмістом сірки – 0,01 %, п.к. 38 °С та к.к.
206 °С, октановим числом 62,0 (за моторним мето-
дом). Також ТОВ «Ніом» надано для досліджень
серію промислових алюмо-кремнієвих каталізаторів
виробництва КНР.
Результати та обговорення
Співвідношення основних елементів наданих ка-
талізаторів за даними рентгенофлюоресцентного
методу наведено в таблиці 1. Особливість представ-
лених каталізаторів - це наявність двох основних
елементів - кремнію та алюмінію в оксидній формі.
В залежності від співвідношення вище вказаних
сполук, каталізатори умовно були розділені на дві
групи: з високим вмістом оксиду алюмінію (Кат. 1
та Кат. 2) та низьким - (Кат. 25 – Кат. 80).
Із наведених результатів аналізу складу каталіза-
торів видно, що перша група (кат. 1 та 2) містять в
своєму складі більше 60 % оксиду алюмінію та до
37 % діоксиду кремнію. Також слід відзначити наяв-
ність в їх структурі оксидів нікелю (до 1,5 %) та за-
ліза (0,5 %), які здатні надавати каталізатору гідру-
ючі властивості. У свою чергу, для групи каталіза-
торів (кат. 25 - 80) характерно те, що вміст базового
оксиду кремнію досягає 80 %, а оксиду алюмінію
варіюється у діапазоні від 19 до 33 %, решта оксидів
металів знаходяться у слідових кількостях. Такі від-
мінності у складі вихідних каталізаторів відіграли
основну роль у різниці каталітичної активності, яку
було встановлено у ході експериментальних дослі-
джень. Оскільки, про надані каталізатори взагалі
була відсутня будь-яка інформація, окрім того, що
вони алюмо-кремнієві і номера ідентифікації, то
великий вміст алюмінію у зразках першої групи
наштовхнув на думку про те, що це сумішеві каталі-
затори.
68 Каталіз та нафтохімія, 2020, № 30
Таблиця 1. Рентгенофлюоресцентний аналіз елементного складу каталізаторів.
Кат.1
М.ч, %
Кат.2
М.ч, %
Кат.25
М.ч, %
Кат.38
М.ч, %
Кат.50
М.ч, %
Кат.80
М.ч, %
Al2O3 64.392
Fe2O3 0.566
Ga2O3 ppm 234
La2O3 0.520
MoO3 ppm 36
Ni2O3 1.516
SO2 0.105
SiO2 32.802
SrO ppm 119
Y2O3 ppm 74
ZnO ppm 435
ZrO2 ppm 90
Al2O3 61.101
CuO ppm 44
Fe2O3 0.553
Ga2O3 ppm 121
La2O3 0.283
MoO3 ppm 41
Ni2O3 0.432
SO2 0.235
SiO2 37.331
SrO ppm 81
ZnO ppm 302
ZrO2 ppm 62
Al2O3 19.765
Fe2O3 0.097
Ni2O3 ppm 23
SO2 0.127
SiO2 80,003
SrO ppm 11
ZnO ppm 11
ZrO2 ppm 36
Al2O3 29.211
Fe2O3 0.282
Ni2O3 ppm 71
SO2 0.225
SiO2 70.284
ZnO ppm 57
ZrO2 ppm 74
Al2O3 24.929
Fe2O3 0.152
Ni2O3 ppm 32
SiO2 74.907
SrO ppm 9
ZnO ppm 21
ZrO2 ppm 57
Al2O3 32.716
Ni2O3 ppm 18
SiO2 67.273
SrO ppm 40
ZnO ppm 22
ZrO2 ppm 33
с4 ізоС5 С5 ізоС6 С6 ізоС7 С7 ізоС8 С8 ізоС9 С9 ізоС10 С10 ізоС11 С11 ізоС12 С12 ізоС13 С13 ізоС14 С14 ізоС15 С15 ізоС16 С16
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
ізо
ізо
ізо
ізо
ізо
ізо
ізо
ізо
ізо
ізо
ізо
%
,
м
ас
.
(вихідна сировина)
(сировина, оброблена при 350oС
на Кат.25)
ізо
Рис. 1. Вміст вуглеводнів нормальної та ізо- будови
Каталіз та нафтохімія, 2020, № 30 69
Продукти реакції у вигляді газової та рідкої фрак-
цій піддавали газохроматографічному аналізу. За ре-
зультатами аналізу встановлено склад вихідної сиро-
вини та отриманих цільових продуктів для найактив-
нішого каталізатора із досліджуваних, а саме Кат.25.
На рисунку 1 наведено відсотковий вміст вуглеводнів
нормальної та ізо- будови.
З рисунку 1 видно, що вихідна сировина - це су-
міш вуглеводнів від С4 до С16 нормальної та ізо- будо-
ви. Термічна обробка такої суміші у присутності
алюмосилікатних каталізаторів за температури 350 °С
сприяла зміні вуглеводневого складу продуктів реак-
ції, а саме, зростанню вмісту легкої фракції С6 – С8
ізо-будови, що вплинуло на зміну октанового числа
(табл. 2).
За результатами каталітичних досліджень було
встановлено, що саме алюмосилікатні каталізатори
другої групи здатні покращувати детонаційну стій-
кість низькооктанових вуглеводневих фракцій, що
киплять в діапазоні температур кипіння бензинів.
Спостерігаємо зростання октанового числа на 10-20
пунктів у порівнянні із вихідною сировиною. Для
першої групи каталізаторів такого ефекту не спостері-
гається, а навпаки, відбувається зниження октанового
числа на 1-2 пункти.
Також було встановлено, що саме каталізатори
другої групи (Кат. 25 - 80) проявили найкращі креку-
ючі властивості, що підтверджується одержанням
легкої бензинової фракції із середнім числом вуглецю
С5-С8 та достатньо високим вмістом сполук ізо-
будови. Крекуюча здатність каталізаторів другої гру-
пи також підтверджується утворенням значних
об’ємів газової фази 60-220 м3 (табл. 3) у перерахунку
на переробку 1 м3 вихідної сировини.
Таблиця 2. Результати вимірювання октанового числа вихідної сировини та продуктів реакції.
Назва О.Ч., моторний метод О.Ч., дослідний метод
Вихідна сировина 62,0 71,0
Кат. 1, рідка фракція 61,0 69,3
Кат. 2, рідка фракція 59,3 67,5
Кат. 25, рідка фракція 83,0 91,5
Кат. 38, рідка фракція 70,2 80,0
Кат. 50, рідка фракція 77,9 89,1
Кат. 80, рідка фракція 69,0 78,6
Таблиця 3. Газохроматографічний аналіз газової фази.
Продукти
реакції
Кат. 1 Кат. 2 Кат. 25 Кат. 38 Кат. 50 Кат. 80
С1 метан, % 45,48 44,45 3,67 8,45 6,57 7,49
С2 етан, % 23,37 24,95 55,21 53,06 53,93 51,58
С3 пропан, % 27,11 24,56 19,61 15,80 18,68 16,92
С4 ізобутан, % 1,05 1,56 15,07 15,02 13,05 14,65
С4 бутан, % 2,54 2,90 3,85 4,61 4,15 4,60
С5 пентан, % 0,25 0,58 1,12 2,06 2,32 3,76
Інші, % 0,20 1,00 1,47 1,00 1,30 1,00
Вихід газу,
м3/год
1,0
3,0
224,0
95,7
154,0
60,0
70 Каталіз та нафтохімія, 2020, № 30
Для каталізаторів першої групи ці значення знахо-
дяться на достатньо низькому рівні – 1-3 м3. Слід від-
значити те, що склад газової фази для цих груп ката-
лізаторів значно відрізняється. Перша характеризу-
ється максимальним вмістом метану, тоді як друга –
етану. Різниця у складі газової фази за основним про-
дуктом дозволяє припустити, що процес крекінгу на
представлених каталізаторах перебігає за різними ме-
ханізмами. Такі відмінності в активності досліджених
каталітичних систем можна пояснити зміною струк-
тури активного центру зі зміною вмісту оксидних
складових (табл. 1.).
Активність алюмосилікатного каталізатора знач-
ною мірою залежить від співвідношення активних
компонентів. Відомо, що саме оксиди алюмінію та
кремнію самі по собі у чистому вигляді не проявля-
ють крекуючої здатності до вуглеводнів. Натомість,
коли катіон алюмінію (Al3+) заміщує катіон кремнію
(Si4+), то утворюється відʼємнозаряджений структур-
ний дефект, який потребує додаткового позитивного
заряду для збереження електронейтральності матеріа-
лу. Якщо компенсація заряду відбувається за допомо-
гою протона, то алюмосилікат набуває кислотних
властивостей. Таким чином відбувається формування
кислотних центрів Бренстеда, які відповідальні за пе-
ребіг процесу крекінгу. У даному випадку, при наяв-
ності в структурі каталізатора оксиду алюмінію в діа-
пазоні 20-30 мас. %, спостерігаються значно ефектив-
ніші крекуючі властивості в порівнянні із першою
групою, де вміст оксиду алюмінію сягає 60 мас. %.
Незрозуміла ситуація в тому, що всі зразки каталіза-
торів у своєму складі містять і кремній, і алюміній,
але проявляють абсолютно різну крекуючу активність
до вуглеводнів. З цього можна припустити, що перша
група, скоріш за все, являє собою механічну суміш
зазначених основних оксидів, а не алюмосилікатну
матрицю з певною структурою, яка проявляє високі
каталітичні властивості.
За результатами проведених досліджень залиша-
ється відкритим питання щодо різної активності алю-
мосилікатних каталізаторів у процесі обробки низь-
кооктанових вуглеводневих фракцій. Відповідь на це
питання можна отримати лише дослідивши більш
детально фізико-хімічні (структурні) властивості на-
даних промислових зразків каталізаторів.
Висновки
Відновлювальна біомаса є потенційним джерелом
для одержання різних вуглеводневих фракцій, які піс-
ля процесів каталітичної обробки можуть слугувати
якісними компонентами різних видів синтетичних
альтернативних палив. Головною перевагою застосу-
вання вуглеводневих фракції з біомаси є те, що в них
повністю відсутні сірко- або азотвмісні сполуки, які
відіграють роль каталітичних отрут, на відміну від
піролізатів, наприклад, гумових покришок. У даній
роботі показано, що промислові алюмосилікати, які
являють собою структурні сполуки (Кат.25, Кат.38,
Кат.50, Кат.80), проявляють каталітичні властивості у
процесі крекінгу, на відміну від сумішевих (Кат.1,
Кат.2), де виявлено значний вміст алюмінію. Показа-
но, що застосування алюмокремнієвих каталізаторів з
невисоким вмістом Al2O3 та відсутністю значного
вмісту домішок оксидів інших металів дозволяє про-
водити покращення якості піролізатів біомаси з одер-
жанням високооктанових компонентів моторного
палива. За кількістю газової фази та складом рідких
продуктів слід відзначити, що найбільш активним
каталізатором виявився зразок Кат.25.
Роботу виконано за фінансової підтримки НАН
України в рамках Цільової програми наукових дослі-
джень ВХ НАН України «Фундаментальні дослі-
дження за пріоритетними напрямами хімії» ЦПФД 2-
17 за темою «Біоресурси — альтернативна сировина
для хімічної промисловості».
Література
1. Ciferno J.P., Marano J.J. Benchmarking Biomass
Gasification Technologies for Fuels, Chemicals and
Hydrogen Production. U.S. Department of Energy
National Energy Technology Laboratory. 2002. 65 P.
2. Renewables Information. Publication of
International Energy Agency. 2011. Р.497. URL:
http://www.planbleu.org/portail_doc/renewables_informat
ion 2011.pdf
3. Щокін А.Р. Колесник Ю.В. Перспективи вироб-
ництва і застосування біопалива в Україні. Электрон-
ный журнал энергосервисной компании “Экологиче-
ские системы”. 2003. №5. URL:
http://www.necin.com.ua
4. С.О. Зубенко, Л.К. Патриляк, С.В. Коновалов.
Порівняння фізико-хімічних та експлуатаційних влас-
тивостей біодизельного палива на основі метанолу та
біоспиртів. Катализ и нефтехимия. 2018. № 27. С.1-18.
5. Прокіп А.В. Еколого-економічна оцінка замі-
щення невідновлюваних енергоресурсів біологічно від-
новлюваними. Львів, ЗУЦК, 2010. 212 с.
6. К.В. Валігура, С.О. Соловйов. Каталізатори па-
рофазної конденсації С1-С4 спиртів з подовженням
вуглецевого ланцюга. Каталіз та нафтохімія. 2020.
№ 29. C. 32-51.
7. Kleinhans H. Development of lignin carbon fibers:
Evaluation of the carbonization process. Journal of
Applied Polymer Science. 2016. V.133(38).
8. Скляренко Е.В. Створення піролізних техноло-
гій та установки для термохімічної конверсії рослин-
ної біомаси. Дис. к.т.н. Ін-т техн. теплофізики НАН
України. Київ. 2017. 193 с.
9. Матвійчук Д.А., Євдокименко В.О., Каменських
Д.С., Ткаченко Т.В., Аксиленко М.Д., Кашковський
Каталіз та нафтохімія, 2020, № 30 71
В.І. Сумішеві палива на основі органічних відходів.
Катализ и нефтехимия, 2018, № 27 С. 47-53.
10. Кашковський В.І., Євдокименко В.О., Камен-
ських Д.С., Ткаченко Т.В., Вахрін В.В. Комплексна
технологія переробки деяких органомінеральних від-
ходів. ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2017, 13(3): 57-69.
11. Патент: 57987 Гоцуленко В.В., Кисельов
Ю.В., Кисельов В.П. Спосіб визначення октанового
числа палива і пристрій для його здійснення. Україна.
Опубліковано: 15.07 2003. Бюлетень №7.
References
1. Ciferno J.P., Marano J.J. Benchmarking Biomass
Gasification Technologies for Fuels, Chemicals and
Hydrogen Production. U.S. Department of Energy
National Energy Technology Laboratory. 2002. 65 P.
2. Renewables Information. Publication of
International Energy Agency. 2011. Р. 497. URL:
http://www.planbleu.org/portail_doc/renewables_informat
ion 2011.pdf
3. Shchokin A.R. Kolesnyk YU.V. Perspektyvy
vyrobnytstva i zastosuvannya biopalyva v Ukrayini.
Élektronnyy zhurnal énerhoservysnoy kompanyy
“Ékolohycheskye systemy”. 2003. №5. URL:
http://www.necin.com.ua
4. Zubenko S.O., Patrylyak L.K., Konovalov S.V..
Porivnyannya fizyko-khimichnykh ta ekspluatatsiynykh
vlastyvostey biodyzelʹnoho palyva na osnovi metanolu ta
biospyrtiv. Katalyz y neftekhymyya. 2018. № 27. pp.1-8.
[in Ukrainian]
5. Prokip A.V. Ekoloho-ekonomichna otsinka
zamishchennya nevidnovlyuvanykh enerhoresursiv
biolohichno vidnovlyuvanymy. Lʹviv, ZUTSK, 2010. 212 p.
6. Valihura K.V., Solovyov S.O. Katalizatory
parofaznoyi kondensatsiyi C1-C4 spyrtiv z
podovzhennyam vuhletsevoho lantsyuha. Kataliz ta
naftokhimiya, 2020. №. 29. pp. 32-51. [in Ukrainian]
7. Kleinhans H. Development of lignin carbon fibers:
Evaluation of the carbonization process. Journal of
Applied Polymer Science. 2016. V.133(38).
8. Sklyarenko E.V. Stvorennya piroliznykh tekhnolohiy
ta ustanovky dlya termokhimichnoyi konversiyi roslynnoyi
biomasy. Dys. k.t.n. In-t tekhn. teplofizyky NAN
Ukrayiny. Kyiv. 2017. 193 p. [in Ukrainian]
9. Matviychuk D.A., Yevdokymenko V.O.,
Kamensʹkykh D.S., Tkachenko T.V., Aksylenko M.D.,
Kashkovsʹkyy V.I. Sumishevi palyva na osnovi
orhanichnykh vidkhodiv. Katalyz y neftekhymyya, 2018,
№ 27. pp. 47-53. [in Ukrainian]
10. Kashkovsʹkyy V.I., Yevdokymenko V.O.,
Kamensʹkykh D.S., Tkachenko T.V., Vakhrin V.V.
Kompleksna tekhnolohiya pererobky deyakykh
orhanomineralʹnykh vidkhodiv. ISSN 1815-2066. Nauka
innov. 2017, 13(3): pp. 57-69. [in Ukrainian]
11. Patent: 57987 Hotsulenko V.V., Kyselʹov YU.V.,
Kyselʹov V.P. Sposib vyznachennya oktanovoho chysla
palyva i prystriy dlya yoho zdiysnennya. Opublikovano:
15.07 2003. Byuletenʹ №7.
Надійшла до редакції 21.09.2020 р.
72 Каталіз та нафтохімія, 2020, № 30
Improving the quality of low octane hydrocarbon fractions
under conditions of catalytic processing
on aluminum-silicon catalysts
V.O. Yevdokymenko1, N.Y. Khimach1, T.V. Tkachenko1, D.S. Kamensky1, O.B. Korotun2,
I.V. Kyselov3, V.I. Kashkovsky1
1V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the NAS of Ukraine,
1, Murmanskaya str, Kyiv-94, 02094, Ukraine, vay.77@ukr.net
2NIOM Ltd., Chernihivska obl., Bobrovytsia, 79 M. Molchenka Str
3State institution "Institute of environmental geochemistry of the NAS of Ukraine",
Akademika Palladina Ave., 34a Kyiv-142, 03142
The main challenge today is to find new alternative energy sources. Reduction of oil, gas
and coal production can be achieved through the rational use of biomass as a raw material for
fuels and lubricants. Thermochemical treatment of biomass allows to obtain raw materials for
a number of processes, in particular the separation of hydrocarbon components and their cata-
lytic treatment allows to obtain alternative components for motor fuels. The main advantage
of using hydrocarbon fractions from biomass is that they are completely free of sulfur- or ni-
trogen-containing compounds that play the role of catalytic poisons.
Catalytic studies were performed in a flow reactor at a charged catalyst volume of 30 cm3,
a reaction zone temperature of 350 ± 5 °C and a pressure of 0.1 MPa. The feedstock was fed
to the reaction zone using a pump at a constant rate of 1 h-1. The direction of supply of raw
materials from top to bottom.
In this work it is shown that industrial aluminosilicates are structural compounds (Cat.25,
Cat.38, Cat.50, Cat.80) and show catalytic properties in the cracking process, which is reflect-
ed in the increase of octane number from 8 to 20 units. The higher their cracking activity, the
more gaseous products are formed and the fractional composition changes in the direction of
isomeric hydrocarbons, which is confirmed by gas chromatographic analysis. According to
the amount of gas phase and the composition of liquid products, it should be noted that the
most active catalyst was the sample Cat.25. This efficiency is related to the chemical compo-
sition and methods of synthesis of the presented catalysts. The latter by their nature contain
cations of aluminum (Al3+) and silicon (Si4+), which certainly affects the formation of
Bronsted acid centres, which are responsible for the cracking process. In turn, catalysts of the
type Cat.1 and Cat.2 with a significant content of aluminum and no catalytic effect can be
characterized as a mechanical mixture of these basic oxides, and not an aluminosilicate matrix
with a certain structure.
Based on the obtained results, renewable biomass is a potential source for obtaining hy-
drocarbon fractions, which after catalytic treatment processes can serve as high-quality high-
octane components of alternative fuels.
Keywords: biomass waste, pyrolysis, catalytic transformations of hydrocarbons, aluminum-silicon catalyst, oc-
tane number
mailto:vay.77@ukr.net
|
| id | oai:katalizorgua:article-26 |
| institution | Catalysis and petrochemistry |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-03-12T15:49:52Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | katalizorgua/5e/19741d4bee493f400eb5651c870b825e.pdf |
| spelling | oai:katalizorgua:article-262021-12-10T12:27:19Z Покращення якості низькооктанових фракцій вуглеводнів в умовах каталітичної обробки на алюмокремнієвих каталізаторах Improving the quality of low octane hydrocarbon fractions under conditions of catalytic processing on aluminum-silicon catalysts Yevdokymenko, V.O. Khimach, N.Y. Tkachenko, T.V. Kamensky, D.S. Dolya, L.P Korotun, O.B. Kyselov, I.V. Kashkovsky, V.I. Пошук нових альтернативних джерел енергії є основним викликом сьогодення. Зменшення видобутку нафти, газу, кам’яного вугілля можна досягти за рахунок раціонального використання біомаси як сировини для паливно-мастильних матеріалів. Термохімічна обробка біомаси дозволяє отримувати вихідну сировину для низки процесів, зокрема відділення вуглеводневих компонентів та їх каталітична обробка дозволяє отримати альтернативні компоненти для моторних палив. Головною перевагою застосування вуглеводневих фракції з біомаси є те, що в них повністю відсутні сірко- або нітрогенвмісні сполуки, які відіграють роль каталітичних отрут. Каталітичні дослідження проводили в проточному реакторі при об‘ємі завантаженого каталізатора 30см3, температури у зоні реакції - 350±5 °С та тиску 0,1 МПа. Вихідну сировину подавали у реакційну зону за допомогою насоса із постійною швидкістю 1 год-1. Напрям подачі сировини згори вниз.У даній роботі показано, що промислові алюмосилікати, являють собою структурні сполуки (Кат.25, Кат.38, Кат.50, Кат.80) та проявляють каталітичні властивості у процесі крекінгу, що відображається в підвищенні октанового числа від 8 до 20 одиниць. Чим вища їх крекуюча активність тим більше утворюється газових продуктів та змінюється фракційний склад в напрямку ізомернних вуглеводнів, що підтверджує газохроматографічний аналіз. За кількістю газової фази та складом рідких продуктів слід відзначити, що найбільш активним каталізатором виявився зразок Кат.25. Дана ефективність пов’язана з хімічним складом та методами синтезу застосованих в процесі каталізаторів, які по своїй природі містять катіони алюмінію (Al3+) та кремнію (Si4+), що безумовно впливає на формування кислотних центрів Бренстеда, які відповідальні за перебіг процесу крекінгу. В свою чергу, каталізатори типу Кат.1 та Кат.2 зі значним вмістом алюмінію та відсутнім каталітичним ефектом можна охарактеризувати як механічну суміш зазначених основних оксидів, а не алюмосилікатну матрицю з певною структурою.Виходячи з отриманих результатів відновлювальна біомаса є потенційним джерелом для одержання вуглеводневих фракцій, які після процесів каталітичної обробки можуть слугувати якісними високооктановими компонентами альтернативних палив. The main challenge today is to find new alternative energy sources. Reduction of oil, gas and coal production can be achieved through the rational use of biomass as a raw material for fuels and lubricants. Thermochemical treatment of biomass allows to obtain raw materials for a number of processes, in particular the separation of hydrocarbon components and their catalytic treatment allows to obtain alternative components for motor fuels. The main advantage of using hydrocarbon fractions from biomass is that they are completely free of sulfur- or nitrogen-containing compounds that play the role of catalytic poisons. Catalytic studies were performed in a flow reactor at a charged catalyst volume of 30 cm3, a reaction zone temperature of 350 ± 5 °C and a pressure of 0.1 MPa. The feedstock was fed to the reaction zone using a pump at a constant rate of 1 h-1. The direction of supply of raw materials from top to bottom. In this work it is shown that industrial aluminosilicates are structural compounds (Cat.25, Cat.38, Cat.50, Cat.80) and show catalytic properties in the cracking process, which is reflected in the increase of octane number from 8 to 20 units. The higher their cracking activity, the more gaseous products are formed and the fractional composition changes in the direction of isomeric hydrocarbons, which is confirmed by gas chromatographic analysis. According to the amount of gas phase and the composition of liquid products, it should be noted that the most active catalyst was the sample Cat.25. This efficiency is related to the chemical composition and methods of synthesis of the presented catalysts. The latter by their nature contain cations of aluminum (Al3+) and silicon (Si4+), which certainly affects the formation of Bronsted acid centers, which are responsible for the cracking process. In turn, catalysts of the type Cat.1 and Cat.2 with a significant content of aluminum and no catalytic effect can be characterized as a mechanical mixture of these basic oxides, and not an aluminosilicate matrix with a certain structure. Based on the obtained results, renewable biomass is a potential source for obtaining hydrocarbon fractions, which after catalytic treatment processes can serve as high-quality high-octane components of alternative fuels. V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine 2020-11-24 Article Article application/pdf https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/26 10.15407/kataliz2020.30.066 Catalysis and petrochemistry; No. 30 (2020): Catalysis and petrochemistry; 66-72 Каталіз та нафтохімія; № 30 (2020): Каталіз та нафтохімія; 66-72 2707-5796 2412-4176 10.15407/kataliz2020.30 uk https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/26/17 |
| spellingShingle | Yevdokymenko, V.O. Khimach, N.Y. Tkachenko, T.V. Kamensky, D.S. Dolya, L.P Korotun, O.B. Kyselov, I.V. Kashkovsky, V.I. Покращення якості низькооктанових фракцій вуглеводнів в умовах каталітичної обробки на алюмокремнієвих каталізаторах |
| title | Покращення якості низькооктанових фракцій вуглеводнів в умовах каталітичної обробки на алюмокремнієвих каталізаторах |
| title_alt | Improving the quality of low octane hydrocarbon fractions under conditions of catalytic processing on aluminum-silicon catalysts |
| title_full | Покращення якості низькооктанових фракцій вуглеводнів в умовах каталітичної обробки на алюмокремнієвих каталізаторах |
| title_fullStr | Покращення якості низькооктанових фракцій вуглеводнів в умовах каталітичної обробки на алюмокремнієвих каталізаторах |
| title_full_unstemmed | Покращення якості низькооктанових фракцій вуглеводнів в умовах каталітичної обробки на алюмокремнієвих каталізаторах |
| title_short | Покращення якості низькооктанових фракцій вуглеводнів в умовах каталітичної обробки на алюмокремнієвих каталізаторах |
| title_sort | покращення якості низькооктанових фракцій вуглеводнів в умовах каталітичної обробки на алюмокремнієвих каталізаторах |
| url | https://kataliz.org.ua/index.php/journal/article/view/26 |
| work_keys_str_mv | AT yevdokymenkovo pokraŝennââkostínizʹkooktanovihfrakcíjvuglevodnívvumovahkatalítičnoíobrobkinaalûmokremníêvihkatalízatorah AT khimachny pokraŝennââkostínizʹkooktanovihfrakcíjvuglevodnívvumovahkatalítičnoíobrobkinaalûmokremníêvihkatalízatorah AT tkachenkotv pokraŝennââkostínizʹkooktanovihfrakcíjvuglevodnívvumovahkatalítičnoíobrobkinaalûmokremníêvihkatalízatorah AT kamenskyds pokraŝennââkostínizʹkooktanovihfrakcíjvuglevodnívvumovahkatalítičnoíobrobkinaalûmokremníêvihkatalízatorah AT dolyalp pokraŝennââkostínizʹkooktanovihfrakcíjvuglevodnívvumovahkatalítičnoíobrobkinaalûmokremníêvihkatalízatorah AT korotunob pokraŝennââkostínizʹkooktanovihfrakcíjvuglevodnívvumovahkatalítičnoíobrobkinaalûmokremníêvihkatalízatorah AT kyseloviv pokraŝennââkostínizʹkooktanovihfrakcíjvuglevodnívvumovahkatalítičnoíobrobkinaalûmokremníêvihkatalízatorah AT kashkovskyvi pokraŝennââkostínizʹkooktanovihfrakcíjvuglevodnívvumovahkatalítičnoíobrobkinaalûmokremníêvihkatalízatorah AT yevdokymenkovo improvingthequalityoflowoctanehydrocarbonfractionsunderconditionsofcatalyticprocessingonaluminumsiliconcatalysts AT khimachny improvingthequalityoflowoctanehydrocarbonfractionsunderconditionsofcatalyticprocessingonaluminumsiliconcatalysts AT tkachenkotv improvingthequalityoflowoctanehydrocarbonfractionsunderconditionsofcatalyticprocessingonaluminumsiliconcatalysts AT kamenskyds improvingthequalityoflowoctanehydrocarbonfractionsunderconditionsofcatalyticprocessingonaluminumsiliconcatalysts AT dolyalp improvingthequalityoflowoctanehydrocarbonfractionsunderconditionsofcatalyticprocessingonaluminumsiliconcatalysts AT korotunob improvingthequalityoflowoctanehydrocarbonfractionsunderconditionsofcatalyticprocessingonaluminumsiliconcatalysts AT kyseloviv improvingthequalityoflowoctanehydrocarbonfractionsunderconditionsofcatalyticprocessingonaluminumsiliconcatalysts AT kashkovskyvi improvingthequalityoflowoctanehydrocarbonfractionsunderconditionsofcatalyticprocessingonaluminumsiliconcatalysts |