Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

В последние десятилетия в области естественных наук появилось принципиально новое направление научных работ, связанное с изучением воздействия на вещество таких физических факторов как радиация, электромагнитное излучение, ультразвук, плазма, высокое давление, повышенная температура, космический вакуум, гравитация и т.д., как при изолированном, так и при совместном воздействии.

Перечисленные выше действующие факторы часто характеризуются условным термином «химия экстремальных воздействий»¹, причем «экстремальность на химическом языке» совершенно логично интерпретировалась проф. Л.Т. Бугаенко (Московский государственный университет, кафедра электрохимии) понятием, которое «…не соответ­ствует математическому и не обозначает ни минималь­ное, ни максимальное воздействия, а скорее необычность, нестандартность воздействия – конец цитаты»².

Несмотря на различные механизмы передачи энергии молекулам и атомам вещества, общим критерием экстремальности воздействия может служить возникновение промежуточных высокоактивных состояний частиц вещества, что в итоге приводит к качественному изменению микро- и макрохарактеристик обрабатываемого объекта, появлению новых свойств.

Одним из видов комплексного экстремального воздействия является эффект высоковольтного короткоимпульсного электрогидравлического разряда (ВКЭГР)³, который сочетает в себе одновременное воздействие на вещество сильного механического сжатия, мощного ультразвука, жесткого рентгеновского, УФ- и ИК-излучения. Образующиеся в процессе разряда электромагнитные поля также оказывают сильное влияние, как на сам разряд, так и на ионные процессы, протекающие в окружающей его жидкости. Под их воздействием происходят разнообразные физические изменения и химические реакции в обрабатываемом материале.

Открытие и использование высоковольтного короткоимпульсного электрогидравлического разряда в технике относится к середине ХIХ века. Прошедший период невелик с позиции истории, но соответствует периоду больших достижений в науке, стремительного ускорения научно-технического прогресса.

Таким образом, актуальность применения ВКЭГР в химическом материаловедении как экстремального процесса, изменяющего физико-химические свойства веществ, в том числе, нефти и нефтепродуктов, очевидна.

Исходя из сказанного, цель работы состояла в установлении закономерностей изменения физико-химических свойств нефти и нефтепродуктов при воздействии высоковольтного короткоимпульсного электрогидравлического разряда для оптимизации процесса их переработки.

Для достижения поставленной цели в условиях высоковольтного электрогидравлического разряда необходимо решить следующие задачи:

- изучить изменение физико-химических свойств нефти (товарной и отбензиненной) в индивидуальном состоянии, в смеси с мазутом, в условиях барботажа воздухом, в присутствии катализатора и, как результат, увеличить глубину ее переработки;

- на примере природных и искусственных водонефтяных эмульсий изучить механизм электрогидравлического воздействия на их стабильность и возможность разделения на исходные компоненты;

- в системе «нефть-сланцы» оценить эффективность использования нефти в качестве экстрагента органической части сланцев;

- установить механизм изменения состава и физико-химических свойств некоторых компонентов нефти при их гидролизе или глубоком разложении до сажеобразования;

- оптимизировать состав и физико-химические свойства катализаторов переработки нефти за счет получения нано- и мелкодисперсных каталитически активных порошков переходных металлов и их оксидов и равномерного распределения их на неорганических носителях и в полимерных матрицах.

Таким образом, на защиту выносятся следующие основные научные положения:

- закономерности в изменении физико-химических свойств нефти и некоторых нефтепродуктов при различных условиях их обработки высоковольтным электрогидравлическим разрядом, позволяющие направленно интенсифицировать крекинг-процессы;

- механизм влияния электрогидравлической обработки на состав и физико-химические свойства некоторых компонентов нефти, в частности, получение из бензола и декана наноразмерных частиц сажи; при разложении фенола (в системе «фенол-вода-перекись водорода») до элементарного углерода и его оксидов, а из эфиров дикарбоновых кислот – соответствующих кислот;

- увеличение выхода светлых фракций (в системе «нефть-сланцы») под влиянием высоковольтного электрогидравлического разряда при экстрагировании органической части горючих сланцев и последующей ректификации нефтяных экстрактов;

- способы электрогидравлического синтеза и дробления стекло- и металлических порошков переходных металлов и оксидов до нано- и микронного гранулометрического состояния с равномерным распределением их в неорганических и полимерных матрицах для каталитических систем переработки нефти.

Данная работа представляет собой один из первых шагов в указанном выше научном направлении, что, на наш взгляд, делает ее весьма значимой как с теоретической, так и с прикладной точек зрения.

Работа выполнена в рамках инновационного Проекта № 1.1.14.4 «Программное и техническое обеспечение испытательного стенда для моделирования ситуаций в химическом материаловедении» по Мероприятию № 1.1.14 «Создание регионального инновационного научно-образовательного центра «Химия природных и синтетических материалов».

Методы исследований и достоверность полученных результатов основываются на применении:

- реактивов, соответствующих ГОСТам и сертифицированного сырья (нефть, мазут, сланцы и др.);

- комплекса физико-химических методов анализа, которые с необходимой точностью и достоверностью давали не только необходимую информацию, но и дополняли друг друга (ИК- и УФ-спектроскопия, рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализы, дифференциально-термический анализ, Оже-спектроскопия, газовая хроматография, электронная просвечивающая микроскопия, оптические измерения, включая седиментационный анализ, измерение индивидуальных параметров веществ (вязкость, плотность, критические температуры фазовых переходов веществ), определение реологических свойств соединений и композитов;

- компьютерной и вычислительной техники для статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизнаработы определяется тем, что в условиях электрогидравлического воздействия впервые:

- системно изучены закономерности влияния высоковольтного короткоимпульсного электрогидравлического разряда на изменение физико-химических свойств и глубины переработки нефти, ее смеси с мазутом с применением NaY-катализаторов, барботажа реакционной смеси воздухом или инертным СО₂;

- показано применения нефти, как дешевого экстрагента органической части сланцев в системе «нефть-сланцы»;

- подобраны режимы и предложены механизмы химического превращения и глубокого разложения нефтепродуктов (фенола, декана, бензола, эфиров дикарбоновых кислот) с получением уникальных по физико-химическим свойствам соединений (например, наноразмерной углеродной сажи).

- предложены механизмы электрогидравлического дробления и синтеза каталитически активных нано- и микроразмерных металлических порошков переходных металлов и их оксидов.

Практическая значимостьработы состоит в том, что полученные результаты могут быть применены:

- при глубокой массовой переработке нефти и нефтепродуктов;

- в процессе активации каталитических систем на основе переходных и редкоземельных металлов и их оксидов с синтезом наноразмерных частиц и равномерного их распределения в матрице катализаторов;

- при получении наноразмерных частиц углерода для каталитических систем и изделий электронной техники.

- при чтении общих и специальных курсов по Химической технологии, Экстремальным воздействиям в химической технологии в учебных процессах классических и технологических университетов страны.

Апробация работы

Основные положения работы доложены автором на научных конференциях различного уровня: Международной конференции «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, 2008); Международной конференции «Народное хозяйство Западного Казахстана: состояние и перспективы развития» (Уральск, 2004); «Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию факультета защиты растений и агроэкологии Саратовского государственного аграрного университета» (Саратов, 2007); Всероссийской конференции «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии», посвященной 75-летию химического факультета Саратовского государственного университета (Саратов, 2004).

Публикации

Основные результаты работы изложены в 14 публикациях: две статьи в журналах, рекомендованном ВАК РФ при защите кандидатских диссертаций, 7 статей в сборниках научных статей, 3 тезисов докладов, 2 патента РФ.

Объём и структура работы

Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 31 таблицу и состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 126 наименований.