Получение экологически чистых компонентов моторных топлив гидрооблагораживанием и переработкой на цеолитах из растительных масел

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-23-00101

НазваниеПолучение экологически чистых компонентов моторных топлив гидрооблагораживанием и переработкой на цеолитах из растительных масел

Руководитель Богданов Илья Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ

Ключевые слова биотопливо, гидропереработка, цеолит, катализатор, растительное масло, моторное топливо, green-дизель, биодизельное топливо, green-керосин, бензин, низкозастывающее топливо, технологический параметр, топливная композиция, рецептура

Код ГРНТИ62.35.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одним из стратегических направлений научно-технологического развития Российской Федерации является переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, формирование новых источников энергии. На сегодняшний день наиболее перспективными из альтернативных моторных топлив являются биодизельное топливо (БиоДТ), а также Green-углеводороды (GreenУВ), считающиеся топливом нового поколения, представленные Green-дизельным топливом (GreenДТ) и Green-авиационным керосином (GreenКеро). БиоДТ, представляет собой смесь моноалкильных сложных эфиров жирных кислот (чаще всего метиловых или этиловых), получаемых реакцией переэтерификации возобновляемых биологических ресурсов, таких как растительные масла, животные жиры, водоросли и др., в то время как GreenУВ, GreenДТ и GreenКеро (смесь насыщенных углеводородов с прямой и разветвленной цепью) получают гидрообработкой аналогичных биологических ресурсов, в первую очередь растительных масел. Огромное количество работ исследователей по всеми миру, посвящено проблемам производства жидких биотоплив. Однако, проведенный обзор литературных источников позволяет обозначить следующие проблемы: – большая часть описанных результатов получена для определенного типа сырья в узком диапазоне варьирования параметров; – параметры реализации процессов переработки растительных масел в экологически чистые компоненты моторных топлив обозначенные в работах как оптимальные значительно разнятся; – результатом описанных в работах изысканий является получение продуктов, являющихся полуфабрикатами, использование которых в качестве даже компонентов моторных топлив, требует дополнительной переработки; – подход к переработке растительных масел не является комплексным, целью зачастую является получение компонента какого-то одного типа моторного топлива. – исследователями, малое внимание уделяется эксплуатационным характеристикам получаемых продуктов с позиции использования их в качестве товарных моторных топлив. Отдельно бы хотелось сосредоточится на проблеме особо актуальной для Российской Федерации, имеющей суровый климат, обширные северные и арктические территории – неудовлетворительных низкотемпературных свойствах биотоплив. Наиболее перспективным представляется улучшение низкотемпературных свойств биотоплив переработкой на цеолитах, которые набирают все большую популярность в процессах нефтепереработки, ввиду своей невысокой стоимости, высокой активности и стойкости к каталитическим ядам. Рынок биотоплив в Российской Федерации практически не развит, при этом наша страна обладает огромными территориями для выращивания энергетических культур. Обозначенные выше проблемы и перспективы, позволяют сделать вывод о том, тема работы является крайне актуальной научной задачей. В работе впервые будут комплексно выявлены закономерности влияния технологических параметров на характеристики, состав и выход получаемых продуктов на всех этапах переработки различных растительных масел. Впервые будет реализован процесс переработки GreenДТ на цеолитном катализаторе структурного типа ZSM-5 (марка КН-30), установлены закономерности и определены оптимальные параметры реализации процесса. Разработанная комплексная схема и оптимальные параметры позволят производителям экологически чистых компонентов моторных топлив выбирать наиболее целесообразный путь переработки исходного сырья в зависимости от типа используемого растительного масла, имеющихся технологических мощностей, логистики, климатических особенностей региона, рыночного спроса. Вовлечение экологически чистых биокомпонентов, позволит производителям моторных топлив расширить сырьевой пул для производства товарных бензинов, реактивных и дизельных топлив; производить товарные продукты, готовые к реализации на внутреннем рынке и отправки на экспорт, соответствующие всем требованиям современных стандартов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Соснина Д.В.,Богданов И.А., Алтынов А.А. Получение компонентов моторных топлив переработкой смеси дизельная фракция/рапсовое масло на цеолите МАТЕРИАЛЫ XXIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Химия и химическая технология в XXI веке", Т. 2 - С. 118-119 (год публикации - 2023)

2. Кокорина Ю.С., Соснина Д.В., Богданов И.А. РАСТИТЕЛЬНЫЕ МАСЛА – ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МОТОРНЫХ ТОПЛИВ Современные тенденции и инновации в науке и производстве: материалы XII Международной научно-практической конференции, Междуреченск, С. 1-4 (год публикации - 2023)

3. Кокорина Ю.С., Богданов И.А. Сравнение характеристик растительных масел, как сырья для процесса гидрооблагораживания МАТЕРИАЛЫ XXIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Химия и химическая технология в XXI веке", Т. 2 - С. 66-67 (год публикации - 2023)

4. Соснина Д.В., Богданов И.А., Алтынов А.А. Получение углеводородов топливного ряда в результате переработки рапсового масла на катализаторе гидроочистки Сборник тезисов докладов научной школы молодых ученых "Новые катализаторы и каталитические процессы для решения задач экологически чистой и ресурсосберегающей энергетики", С. 49 (год публикации - 2023)

5. Кокорина Ю.С., Богданов И.А. Получение экологически чистых компонентов автомобильного бензина и дизельного топлива при каталитической переработке растительного масла Сборник тезисов докладов научной школы молодых ученых "Новые катализаторы и каталитические процессы для решения задач экологически чистой и ресурсосберегающей энергетики", С. 35 (год публикации - 2023)

6. Богданов И.А., Алтынов А.А., Соснина Д.В. Получение компонентов моторных топлив из растительных масел в процессах гидрооблагораживания Сборник тезисов докладов Седьмой школы молодых учёных "Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы", С. 74-75 (год публикации - 2023)

7. Кокорина Ю.С., Богданов И.А., Алтынов А.А., Соснина Д.В. Получение углеводородов топливного ряда из растительного масла Сборник тезисов докладов Седьмой школы молодых учёных "Новые каталитические процессы глубокой переработки углеводородного сырья и биомассы", С. 79-80 (год публикации - 2023)

8. Кокорина Ю.С., Соснина Д.В., Алтынов А.А., Киргина М.В., Богданов И.А. Получение нефтяных углеводородов – компонентов моторных топлив каталитической переработкой возобновляемого сырья Технологии нефти и газа (год публикации - 2024)

9. Соснина Д.В., Алтынов А.А., Киргина М.В., Богданов И.А. Получение компонентов моторных топлив каталитической переработкой смесей прямогонной дизельной фракции и рапсового масла ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК, Получение компонентов моторных топлив каталитической переработкой смесей прямогонной дизельной фракции и рапсового масла / Д. В. Соснина [и др.] // Ползуновский вестник. 2023. № 4, С. 236–244. doi: 10.25712/ASTU.2072-8921.2023.04.030. (год публикации - 2023)
10.25712/ASTU.2072-8921.2023.04.030

10. Соснина Д.В., Алтынов А.А., Кокорина Ю.С., Киргина М.В,, Богданов И.А. Получение углеводородов топливного ряда из возобновляемого сырья ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ (год публикации - 2024)

11. Соснина Д.В., Алтынов А.А., Киргина М.В., Богданов И.А. Production of Motor Fuel Components by Processing Vegetable Oils Using a CoMo/Al2O3 Hydrotreating Catalyst and a ZSM-5 Zeolite Catalyst Resources, Resources 2024, 13(7), 96 (год публикации - 2024)
10.3390/resources13070096

12. Соснина Д.В. , Алтынов А.А. , Киргина М.В , Богданов И.А. Получение сырья для процессов нефтепереработки и нефтехимии из возобновляемого растительного сырья Технологии нефти и газа (год публикации - 2025)

13. Соснина Д.В., Богданов И.А., Алтынов А.А. Получение нефтяных углеводородов гидрооблагораживанием растительного масла Химия и химическая технология в XXI веке : материалы XXV Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.П. Лопатинского. В 2 томах. Том 1 (г. Томск, 20–24 мая 2024 г.). / Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2024., Химия и химическая технология в XXI веке : материалы XXV Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.П. Лопатинского. В 2 томах. Том 1 (г. Томск, 20–24 мая 2024 г.). / Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2024. - С. 376-377 (год публикации - 2024)

14. Соснина Д.В. , Алтынов А.А. , Киргина М.В , Богданов И.А. Переработка кукурузного масла на CoMo/Al2O3 катализаторе гидроочистки и цеолитном катализаторе типа ZSM-5 в компоненты моторных топлив Технологии нефти и газа (год публикации - 2025)

15. Кокорина Ю.С., Богданов И.А., Алтынов А.А., Соснина Д.В. Получение компонентов моторных топлив на комплексе катализаторов гидроочистки и цеолита типа ZSM-5 Химия и химическая технология в XXI веке : материалы XXV Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.П. Лопатинского. В 2 томах. Том 1 (г. Томск, 20–24 мая 2024 г.). / Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2024., Химия и химическая технология в XXI веке : материалы XXV Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.П. Лопатинского. В 2 томах. Том 1 (г. Томск, 20–24 мая 2024 г.). / Томский политехнический университет. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2024. - С. 346-347 (год публикации - 2024)

16. Соснина Д.В., Алтынов А.А., Богданов И.А. Mechanisms of Vegetable Oils Conversion in Catalytic Processing Mechanisms of Vegetable Oils Conversion in Catalytic Processing// June 17-21, 2024, Vladimir, Russia [Electronic resource]: Abstracts/ eds.: Prof. V.I. Bukhtiyarov, Prof. O.N. Martyanov, Prof. E.A. Kozlova, Prof. V.V. Kaichev, Prof. Y.V. Zubavichus, Dr. A.A. Gabrienko, Dr. I.E. Soshnikov. Novosibirsk: BIC, 2024., Mechanisms of Vegetable Oils Conversion in Catalytic Processing// June 17-21, 2024, Vladimir, Russia [Electronic resource]: Abstracts/ eds.: Prof. V.I. Bukhtiyarov, Prof. O.N. Martyanov, Prof. E.A. Kozlova, Prof. V.V. Kaichev, Prof. Y.V. Zubavichus, Dr. A.A. Gabrienko, Dr. I.E. Soshnikov. Novosibirsk: BIC, 2024. – P 210-211. (год публикации - 2024)

17. Богданов И.А., Алтынов А.А., Соснина Д.В. Комбинирование процессов гидрооблагораживания как способ получения моторных топлив из возобновляемого углеводородного сырья ХХII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. Сборник тезисов докладов в 7 томах. Том 2. — М.: ООО «Буки Веди», 2024, ХХII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. Сборник тезисов докладов в 7 томах. Том 2. — М.: ООО «Буки Веди», 2024. - С. 292. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В работе реализована переработка полученных на предыдущих этапах исследований образцов GreenУВ (продуктов гидроочистки растительных масел, полученных при оптимальных технологических параметрах реализации процесса гидрооблагораживания) на лабораторной каталитической установке с использованием цеолитного катализатора структурного типа ZSM-5 (марка КН-30), в условиях варьирования технологических параметров процесса (температура 350-425°С с шагом 25°С, давление 7-10 МПа с шагом 3 МПа, расход сырья 0,5-0,75 ч-1 с шагом 0,25 ч-1) с целью улучшения их низкотемпературных свойств и получения компонентов товарных бензинов. Проведенные исследования показали, что переработка продуктов гидроочистки растительных масел на цеолитном катализаторе приводит к следующему изменению характеристик и состава продуктов процесса по сравнению с сырьем: – снижению кинематической вязкости и плотности; – улучшению (снижению) низкотемпературных свойств; – снижению содержания нормальных парафинов; – образованию изо-парафинов, ароматических углеводородов, олефинов. Согласно полученным результатам по варьированию технологических параметров процесса переработки продуктов гидроочистки растительных масел на цеолитном катализаторе установлено, что: – с ростом температуры процесса, полученные продукты утяжеляются (утяжеляется фракционный состав, повышается плотность), что является характерным для протекания реакций крекинга и говорит об усилении роли данных реакций с ростом температуры процесса; – при увеличении давления плотность, кинематическая вязкость продуктов снижаются. Снижение ПТФ продуктов, полученных при обоих давлениях процесса, относительно сырьевых продуктов гидроочистки масел значительно и сопоставимо между собой. Также, повышение давления приводит к облегчению начала кипения и утяжелению конца кипения получаемых продуктов. – с увеличением объемной скорости подачи сырья наблюдается увеличение плотности и вязкости, ухудшение низкотемпературных свойств, поскольку реакции превращения н-парафинов начинают протекать не полно. Таким образом наиболее оптимальными технологическими параметрами из рассмотренных в работе для переработки на цеолите продуктов гидроочистки растительных масел являются: температура 375°С, давление 7 МПа, объемная скорость подачи сырья 0,5 ч-1. Кроме того, из результатов определения состава и характеристик следует, что наиболее подходящими с точки зрения вовлечения в производство моторных топлив являются продукты, полученные из рапсового масла (высокое содержание ароматических углеводородов и оптимальные значения плотности и вязкости). Поэтому дальнейшие исследования были проведены при установленных оптимальных технологических параметрах именно для продуктов гидроочистки рапсового масла. Продукт полученный в ходе переработки продукта гидроочистки рапсового масла при ранее установленных оптимальных технологических параметрах обладает широким фракционным составом, в связи с чем был разделен на бензиновую (пределы выкипания н.к.-180°С) и дизельную (пределы выкипания 180°С-к.к.) фракции. Согласно полученным результатам определения характеристик выделенная дизельная фракция соответствует требованиям ГОСТ 305-2013 «Топливо дизельное. Технические условия» предъявляемым к марке Е (межсезонное) дизельного топлива, что позволяет использовать полученную фракцию в качестве смесевого компонента для производства дизельных топлив. Для разработки рецептур производства дизельных топлив с использованием полученной в ходе работы дизельной фракции, за основу было взято товарное дизельное топливо марки А (арктическое), согласно ГОСТ 305-2013. Из результатов исследования возможности вовлечения полученной дизельной фракции в производство товарного дизельного топлива следует, что: – с ростом доли вовлечения фракции в рецептуру плотность и вязкость топлива растут, однако, в зависимости от доли вовлечения, полученные топлива продолжают удовлетворять требованиям ГОСТ 305-2013 для марок З (зимнее) и Е; - содержание серы в дизельном топливе при вовлечении полученной фракции значительно снижается; - низкотемпературные свойства топлива в зависимости от доли вовлечения ухудшаются, однако, в зависимости от доли вовлечения, полученные топлива продолжают удовлетворять требованиям ГОСТ 305-2013 для марок З и Е. Таким образом полученные результаты говорят о перспективности использования дизельных фракций, полученных при переработке продуктов гидроочистки масел на цеолитном катализаторе при производстве низкозастывающего дизельного топлива. Согласно полученным результатам определения характеристик (выделенная бензиновая фракция не соответствует требованиям ГОСТ 32513-2013 «Топливо моторное. Бензин неэтилированный. Технические условия» предъявляемым к товарным бензинам, что в целом характерно для всех бензиновых компонентов в следствии чего, бензины являются, как правило, смесью множества потоков получаемой в процессе компаундирования. Однако стоит отметить, что полученная бензиновая фракция обладает октановым числом выше чем, например, у прямогонных бензинов, требуемыми для производства бензинов значениями плотности и ДНП, относительно невысоким содержанием ароматических углеводородов и в то же время высоким содержанием изопарафинов, а самое главное не содержит серы и бензола, что делает её очень экологичным компонентом для производства бензина. Для разработки рецептур производства автомобильных бензинов с использованием полученной в ходе работы бензиновой фракции, также были взяты наиболее часто используемые на российских НПЗ компоненты: алкилат, риформат, изомеризат, толуол, МТБЭ, бензин каталитического крекинга. С использованием вышеописанных компонентов были разработаны 4 рецептуры производства автомобильных бензинов: 2 рецептуры бензина марки АИ-80 и 2 рецептуры бензина марки АИ-92. Бензины, полученные по разработанным рецептурам, соответствуют требованиям ГОСТ «Топливо моторное. Бензин неэтилированный. Технические условия» предъявляемым к товарным бензинам. Также важно отметить, что дизельные топлива и автомобильные бензины, получаемые по предложенным рецептурам, соответствуют требованиям Технического регламента таможенного союза ТР ТС 013/2011 «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту».

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанная схема и установленные оптимальные технологические параметры переработки растительных масел в моторные топлива позволят производителям экологически чистых компонентов моторных топлив выбирать наиболее целесообразный путь переработки исходного сырья в зависимости от типа перерабатываемого растительного масла, имеющихся технологических мощностей, логистики, климатических особенностей региона, рыночного спроса.