Удк 541.1:665.6:621.7 На правах рукописи

Сатыбалдин Амангельды Жарлыгасынович

Влияние электрогидроимпульсного воздействия на физико–химические

характеристики высоковязкой нефти месторождения Каражанбас

02.00.04 – Физическая химия

Автореферат

диссертация на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Республика Казахстан

Караганда, 2010

Работа выполнена в Карагандинском государственном университете

имени Е.А. Букетова

Научные руководители:	доктор химических наук, профессор Байкенов М.И. доктор технических наук, профессор Кусаиынов К.
Официальные оппоненты:	доктор химических наук, профессор Агельменев М.Е. кандидат химических наук, доцент Закарин С.З.
Ведущая организация:	Казахский национальный университет имени аль-Фараби

Защита состоится «2» июня 2010 года в 14⁰⁰ час. на заседании Диссертационного совета ОД 14. 07. 01 при Карагандинском государственном университете имени Е.А. Букетова по адресу: 100028, г. Караганда, ул. Университетская, 28, химический факультет, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Карагандинского государственного университета имени Е.А. Букетова.

Автореферат разослан «___» апреля 2010 г.

У ченый секретарь

диссертационного совета ОД 14. 07. 01,

доктор химических наук, профессор Салькеева Л.К.

Введение

Актуальность темы. Непрерывный рост потребления нефти и нефтепродуктов в связи с прогрессивным развитием нефтепотребляющих отраслей, а также ожидаемым истощением запасов классических нефтей основных месторождений ставит перед многими государствами, которые базируются на ее использовании, задачу радикального изменения технологии ее переработки или замещения на менее дорогую, более доступную высоковязкую нефть, запасы которой в настоящее время значительные. Высоковязкая нефть является источником производства не только моторных масел, нефтебитумов и котельного топлива, но и ценных нефтехимических веществ, таких как гетероорганические и сульфокислотные соединения, нафтеновые кислоты, простые и сложные эфиры, а также тяжелых металлов – никеля и ванадия. Весьма широкий диапазон изменения химического состава и физических свойств нефти затрудняет исследования, как в области ее переработки, так и в области использования.

Республика Казахстан, является первый среди государств СНГ, где приступили к комплексному изучению физико-химических свойств высоковязкой нефти с целью улучшения физико-химических характеристик, таких как плотность, вязкость, а также выход легких фракций, которая обусловлена наличием тяжелых углеводородных фракций.

Степень разработанности проблемы. В научной литературе и периодических изданиях представлены работы по использованию электрогидроимпульсного разряда для измельчения руд, выделения урана из урановых руд, а также многих редких и рассеянных элементов из горных пород. Большой вклад в теорию и практику развития электрогидроимпульсного эффекта внесли ученные Л.А. Юткин, Л.И. Гольцова, В.П. Малюшевский и др. В области переработки высоковязкой нефти с использованием кавитации, ультрафиолетового излучения, радиации особое значение имеют работы академика НАН РК Н.К. Надирова. Исследования о влияния электрогидроимпульсного разряда на деструкцию и восстановление тяжелой части углеводородной массы высоковязкой нефти, об определении оптимальных условий выхода дистиллятных фракций и установлении кинетических и термодинамических параметров данного процесса в литературе практически отсутствуют.

Целью диссертационной работы является исследование влияния электрогидроимпульсного воздействия на высоковязкую нефть месторождения Каражанбас, определение оптимальных условий повышения выхода легкой и средней фракций в присутствии донора водорода и каталитической добавки на основе железа и серы, установление кинетических и термодинамических параметров изучаемого процесса.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

- расчет геометрической конфигурации основного компонента высоковязкой нефти, нефтяного асфальтена и расчет профиля поверхности потенциальной энергий реакции гидрирования нефтяного асфальтена в процессе электрогидроимпульсного воздействия с помощью квантово-химического метода;

- исследование влияния различных факторов (продолжительность обработки, межэлектродное пространство, емкость конденсаторной батареи, разрядное напряжение коммутирующего устройства, диэлектрическая проницаемость нефти после обработки с помощью электрогидроимпульсного разряда) на процесс переработки высоковязкой нефти с помощью электрогидроимпульсного эффекта (ЭГЭ);

- исследование группового и индивидуального состава фракций до 300 ^оС высоковязкой нефти в процессе обработки с помощью электрогидроимпульсного воздействия;

- поиск каталитических добавок и механизма процесса гидрогенизации полициклических углеводородов (антрацена и бензотиофена) в присутствии донора водорода;

- определение кинетических параметров термолиза высоковязкой нефти с помощью электрогидравлического эффекта;

- определение термодинамических функций (энтропии, энтальпии, энергии Гиббса, теплоемкости) исходной нефти и продуктов переработки высоковязкой нефти с помощью воздействия электрогидроимпульсным разрядом;

- исследование влияния диэлектрической проницаемости нефти и нефтепродуктов путем воздействия электрогидроимпульсного эффекта (ЭГЭ).

Объектом исследования являются высоковязкая нефть месторождения Каражанбас и продукты реакции, полученные после обработки высоковязкой нефти электрогидроимпульсным воздействием в присутствии гетерогенных каталитических добавок и донора водорода.

Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые:

- рассчитана геометрическая конфигурация нефтяного асфальтена в процессе электрогидроимпульсной обработки квантово-химическим методом Хартри-Фока (ОХФ) в базисе 3-21G(d) с оптимизацией геометрии в полуэмпирическом приближении PM3 и показано, что при приближения атакующего электрофила (водородный радикал) к молекуле нефтяного асфальтена на расстоянии 1,2 Å наблюдается минимум энергии, который соответствует образованию нового нефтяного асфальтена;

- определены оптимальные условия активации тяжелой органической массы высоковязкой нефти с использованием электрогидравлического эффекта;

- установлено, что выбранная каталитическая добавка на основе железа обладает крекирующей и гидрирующей активностью, а донор водорода - тетралин влияет на цепной механизм реакции гидрирования антрацена и бензотиофена;

- рассчитаны термодинамические функции (энтальпия, энтропия, энергия Гиббса и теплоемкость) исходных продуктов и полученных гидрогенизатов с помощью электрогидроимпульсного воздействия;

- установлено влияние электрогидроимпульсной обработки на процесс перемещения никеля и ванадия из высоковязкой нефти в твердую фазу;

- предложена схема – механизм образования высокореакционных радикалов типа Н˙, ˙ОН и ионов Н⁺, которые образуются в две стадии и вызывают цепную реакцию деалкилирования, декарбоксилирования и гидрирование полиароматических углеводородов, входящих в состав тяжелой части органической массы тяжелой нефти.

Практическая значимость работы. Предложен упрощенный одностадийный метод переработки высоковязкой тяжелой нефти месторождения Каражанбас, без использования активных каталитических добавок, с помощью электрогидроимпульсного воздействия, позволяющего улучшить физико-химические (реологические) свойства, обеспечить высокий выход легких и средних фракций до 300^оС.

На защиту выносятся следующие положения и результаты диссертационной работы.

- результаты квантово-химических расчетов активации нефтяного асфальтена и влияния электрогидроимпульсного воздействия на процесс деметаллизации высоковязкой нефти месторождения Каражанбас;

- результаты влияния различных факторов (продолжительность обработки, разрядное напряжение, межэлектродное расстояние, емкость конденсаторной батареи) на кинематическую вязкость и выход легкой и средней фракций до 300^оС и определение оптимальных условий проведения процесса активации органической массы высоковязкой тяжелой нефти месторождения Каражанбас в электрогидрорежиме;

- результаты влияния каталитических добавок на качественный и количественный состав широкой фракции до 300^оС неклассической нефти и предложена схема - механизм каталитической гидрогенизации антрацена и бензотиофена в присутствии донора водорода;

- результаты исследования кинетики процесса и установление термодинамических функций активации органической массы тяжелой нефти месторождения Каражанбас и гидрогенизатов с помощью электрогидроимпульсной обработки.

Личный вклад автора заключается в выполнении всех этапов диссертационной работы, обобщении интерпретации экспериментальных результатов на основе анализа литературы.

Связь с планом основных научных работ. Актуальность темы диссертации подтверждается тем, что работа выполнена в соответствии с программой фундаментальных исследований МОН РК Ф. 0369/13 по теме «Физика электрогидравлических и турбулентных явлений в многокомпонентных газожидкостных смесях» (номер госрегистрации 0106 РК 00529 2006 – 2008 гг).

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждены на II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования в Казахстане и сопредельных территориях» (г. Павлодар, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Цивилизация и глобализация духовных ценностей народов Средней Азии и Казахстана», посвященной 95-летию Динмухамеда Ахметовича Кунаева (г. Чимкент, 2007 г.), Международной научно-практической конференции «Валихановские чтения - 13» (г. Кокчетав, 2008 г.), 10–й Международной научной конференции «Физика твердого тела» (г. Караганда, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии» (г. Темиртау, 2009 г.), Международной научно-практической конференции «Хаос и структуры в нелинейных системах. Теория и эксперимент» (г. Астана, 2008 г.), Международном Беремжановском съезде по химии и химической технологии (г. Караганда, 2008 г.).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 14 научных работ, из них 6 статей в журналах, входящих в рекомендуемый список ККСОН МОН РК, в том числе 3 в журнале «Вестник Карагандинского государственного университета», серия “Химия”, 1 статья в серии “Физика”, 1 статья в «Химическом Журнале Казахстана», 1 статья в «Eurasian phуsical teсhnical journal», и 8 публикаций в сборниках материалов и тезисов международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, основной части, в которой представлены данные литературного обзора, результаты обсуждения собственных работ и экспериментальных данных, заключения, списка использованных источников. Объем диссертации 123 страницы, в том числе 52 рисунка и 26 таблиц, список использованной литературы включает 127 наименований.