Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБЕССЕРИВАНИЯ ТЯЖЕЛОГО НЕФТЕПРОДУКТА С ПРИМЕНЕНИЕМ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к способу окисления органических соединений серы (ОСС), содержащихся в нефтепродукте, при воздействии микроволнового излучения в присутствии окислителя и катализатора, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Широкое применение в различных отраслях промышленности, науке, технике медицине и быту получило использование микроволнового излучения [1, 2]. В ходе использования микроволнового излучения для нагрева реакционной смеси было установлено значительное сокращение продолжительности реакций Дильса – Альдера, этерификации, окисления и других при сопоставимых выходах целевых продуктов [3, 4].

Процесс гидролиза бензилхлорида водой при микроволновом воздействии в течение 3 минут обеспечивает выход продукта гидролиза (бензилового спирта) 97 %. Обычный гидролиз при тех же значениях выхода занимает около 35 мин. Гидролиз бензамида протекает в течение 1 часа. Однако, в условиях микроволновой обработки, гидролиз завершается через 7 мин, при этом выход продукта гидролиза (бензойной кислоты) в обоих случаях соизмерим, и составляет 99%. Процессы окисления также протекают достаточно быстро и продуктивно. Так, при нормальных условиях окисление толуола перманганатом калия (KMnO4) протекает в течение 10-12 часов, при микроволновом воздействии – всего 5 мин, выход продукта в том и другом случае составляет 40 %. Первичные спирты также можно окислить до соответствующих карбоновых кислот при микроволновом воздействии за короткий промежуток времени (в течение нескольких минут), используя 30%-водный раствор пероксида водорода и вольфрамат натрия в качестве катализатора. Процесс этерификации смеси бензойной кислоты и N-пропанола при нагревании в микроволновой печи в течение 6 мин в присутствии каталитического количества концентрированной серной кислоты приводит к образованию пропилбензоата [5].

Таким образом, использование микроволнового облучения при осуществлении различных процессов приводит к ускорению протекания самих процессов и сокращает время их проведения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ, основанный на проведении процессов десульфуризации нефти с применением микроволнового излучения [6]. Процесс десульфуризации нефти включает следующие стадии: к нефти добавляют вспомогательный агент и эмульгатор. В качестве эмульгатора используют поверхностно-активные вещества, например, додецилбензолсульфонат натрия. Объемное соотношение вспомогательный агент и нефть составляет 1:(5-30). Проводят процесс эмульгирования до образования эмульсии c равномерно диспергированными нефтью и водой. Полученную эмульсию подвергают микроволновому облучению с частотой 500-3000 МГц в течение 3-10 минут. После окончания реакции в систему постепенно добавляют экстрагент, и отделяют обессеренную нефть.

Обессеривание проводят при атмосферном давлении при температуре процесса 50-90 °С. Вспомогательный агент получают смешением водного раствора окислителя и кислоты в объемном соотношении (10-1):1. Используют следующие кислоты: муравьиную, уксусную, дихлоруксусную, трифторуксусную, бензойную, лимонную, винную, яблочную, соляную или фосфорную. В качестве окислителя применяют 5-30%-водный раствор перекиси водорода, 2-10 %масс. перекись водорода или водный раствор диоксида хлора с концентрацией 2-10 г/л. В качестве экстрагента используют 5-10% водный раствор бикарбоната натрия или водный раствор гидроксида натрия. Объемное соотношение нефть : экстрагент меняется в пределах от 1:2 до 1:10. Экстракцию проводят при микроволновом облучении в течение 1-10 минут. Описанный способ принят за прототип.

Недостатком прототипа является то, что в качестве десульфирующих агентов используют кислоты и диоксид хлора, которые являются относительно дорогостоящими и агрессивными средами, вызывающими повышенную коррозию оборудования. Для извлечения окисленных серосодержащих соединений используют карбонат натрия или гидроксид натрия, которых для извлечения требуется большое количество, что приводит к большим объемам отходов, которые необходимо утилизировать. Используемые реагенты (бикарбонат или гидроксид натрия) не регенерируют, т.е. используют однократно, что приводит к дополнительным экономическим издержкам. Кроме того, гидроксид натрия (щелочь) тоже является агрессивной средой.

Изобретение относится к способу обессеривания нефтепродукта в присутствии катализатора и окислителя. Поставленная задача – эффективное обессеривание нефтепродукта при сокращении продолжительности процесса, снижение его токсичности и повышение безопасности.

С этой целью осуществляют каталитическое окисление входящих в состав нефтепродукта органических серосодержащих соединений перекисью водорода с использованием микроволнового облучения. В отличие от прототипа процесс окисления осуществляют в присутствии катализатора - нанодисперсного порошка диоксида титана при воздействии в процессе окисления на реакционную смесь микроволновым излучением в течение 1 – 3 минут. Окисленные продукты из реакционной смеси извлекают экстракционным способом с применением водного раствора диметилформамида. Диметилформамид регенерируют вакуумной перегонкой и возвращают в систему для многократного использования.

Изобретение позволяет произвести эффективное обессеривание нефтепродукта в течение короткого промежутка времени, с возможностью многократного использования экстрагента, без использования агрессивных реагентов.

Существенным признаком способа является использование катализатора - диоксида титана, который не является агрессивной средой, широко используется во многих отраслях промышленности, народного хозяйства и выпускается в промышленных масштабах, что снижает его стоимость. Процесс окисления, как и в прототипе, ведут с использованием пероксида водорода, но последующую экстракцию образующихся продуктов окисления осуществляют водным раствором органического растворителя – диметилформамида, который в дальнейшем регенерируют вакуумной перегонкой и возвращают в систему для многократного использования, что приводит к снижению затрат на осуществления процесса десульфуризации.

В реализации настоящего изобретения использован топочный мазут марки М100. В опытах исходное содержание общей серы в мазуте составляло 0,94%масс. Процесс осуществляют следующим образом. Мазут помещают в реакционный сосуд, нагревают до 50°С, добавляют диоксид титана и дистиллированную воду и перемешивают. Затем к полученной смеси приливали пероксид водорода, снова перемешивали и подвергали СВЧ-облучению в течение 1, 2, 3, 5 или 10 минут.

Пример 1. Топочный мазут М100 массой 5г нагревали до 50^оС и при перемешивании добавляли 0,05 г (1 %масс.) катализатора – порошка диоксида титана и 5 мл дистиллированной воды, все тщательно перемешивали на магнитной мешалке в течение 30 минут. Затем к полученной смеси добавляли 1,7 мл 30 %-ного водного раствора пероксида водорода (массовое соотношение нефтепродукт : окислитель = 2:1), тщательно перемешивали до однородного состояния и помещали в микроволновую печь. Реакционную смесь выдерживали заданное количество времени при воздействии микроволнового излучения. Рабочая частота излучения 2450 МГц, максимальная выходная мощность 800 Вт. В качестве катализатора по изобретению использовали нанодисперсный порошок диоксид титана TiO₂ (S_уд.= 86 м²/г), с содержанием рутильной фазы 95,0 %, анатазной 4,5 % и кальцитом 0,5 %. Количество диоксида титана составляло 1 %масс. от массы нефтепродукта. Содержание серы в исходном и очищенном мазуте определялось методом сжигания в лампе по ГОСТ 19121-73. Окисленные ОСС извлекали из мазута однократной экстракцией водным раствором диметилформамида (вода - 20 %об.) в массовом соотношении мазут : водный раствор диметилформамида = 1:2. Температура процесса экстракции 35–40 ^оС, продолжительность экстракции 60 минут. Процесс разделения проводили на делительной воронке. По окончанию экстракционного разделения очищенный нефтепродукт дважды промывали водой. Промывные воды поступали на вакуумную перегонку. Нефтепродукт подсушивали при температуре 100 °С в течение 30-60 минут. После проведения окислительного обессеривания мазута при воздействии СВЧ-облучения в течение 1 минуты, остаточное содержание серы в мазуте составило 0,53%масс.

Пример 2 аналогичен примеру 1. Реакционную смесь выдерживали 2 минуты при воздействии микроволнового излучения. После проведения окислительного обессеривания мазута при воздействии СВЧ-облучения остаточное содержание серы в мазуте составило 0,33%масс.

Пример 3 аналогичен примеру 1. После проведения окислительного обессеривания мазута при воздействии СВЧ-облучения в течение 3 минут, остаточное содержание серы в мазуте составило 0,33%масс.

Примеры 4, 5 аналогичны примеру 1. Облучение 5 мин и 10 мин соответственно.

Результаты очистки мазута с использованием СВЧ-облучения и без его использования приведены в таблицах 1 и 2, соответственно.

Таблица 1 – Результаты окислительного обессеривания с применением СВЧ-облучения

Таблица 2 – Результаты окислительного обессеривания мазута без СВЧ-облучения

*Процесс обессеривания без СВЧ-облучения протекает при 50°С в течение всего времени окисления.

Как видно из анализа представленных данных в таблице 1, общее содержание серы в мазуте снизилось с 0,94 до 0,31 %масс. при обработке СВЧ-облучением продолжительностью 10 минут. Степень удаления серы из мазута составила 67,02%.

Сопоставляя данные, приведенные в таблицах 1 и 2, видим, что предложенный способ обессеривания нефтепродукта при микроволновом облучении интенсивно протекает в первые 1 – 3 мин, замедляясь при дальнейшем облучении. Способ позволяет провести достаточно эффективное обессеривание при продолжительности процесса до 3 мин. При этом предложенный способ является менее затратным и менее токсичным, т.е. с минимальной экологической нагрузкой.

Литература:

1. СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности/под ред. Э. Окресса. М.: Мир. –1971.– Т.2 – 272с.

2. СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике/под ред. Э. Окресса. М.: Мир. –1971. – Т.3 – 250с.

3. Gedye R.N., Smith F.E, Westaway K.C. and all The use of microwave ovens for rapid organic synthesis//Tetrahedron Letters – 1986. –V. 27. Issue 3 – P. 279-282.

4. Cerón-Camacho R., Aburto J.A., Montiel L.E., Martínez-Palou R. Microwave-assisted organic synthesis versus conventional heating. A comparative study for Fisher glycosidation of monosaccharides//ComptesRendusChimie. – 2013. – V. 16. Issue 5. – P. 427-432.

5. Surati M.A., Jauhari S., Desai K. R. A brief review: Microwave assisted organic reaction// Arch. Appl. Sci. Res. – 2012 – V. 4, N. 1 – P.645-661.

6. CN101870885A Oil desulphurization method utilizing microwave driving//приоритет CN 200910026396 22.04.2009; опубликовано 27.10.2010г.