Введение к работе
Актуальность проблемы. В современной нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности одним из продуктов глубокой переработки нефти являются нефтяные пеки. Наиболее распространенным способом получения нефтяных пеков является процесс низкотемпературной карбонизации. Уже не один десяток лет перед нефтепераработчиками стоит проблема нестабильности характеристик различных партий нефтяного пека, полученных при абсолютно одинаковом технологическом режиме и одинаковом исходном сырье.
Нефтяные пеки служат сырьем для получения различных углеродсо-держащих материалов для многих отраслей промышленности, поэтому они должны иметь стабильные характеристики. Обеспечение этого условия требует более глубокого знания процессов формирования нефтяного пека на всех этапах его получения.
Наиболее перспективным решением проблемы нестабильности характеристик пеков является развивающийся подход к рассмотрению явления карбонизации как сложного иерархического процесса. При этом необходимо акцентировать внимание на изучении структурных превращений углеводородных смесей, происходящих при карбонизации. Особое внимание следует уделять исследованию поведения углеводородных смесей в критических точках структурных фазовых переходов между иерархическими уровнями.
При производстве нефтяных пеков также было выявлено интереснейшее явление - формирование круговых и эллиптических макрокристаллитов с размерами 1-5 см, имеющих внутреннюю форму спирали, концентрических окружностей и других упорядоченных форм. За несколько лет до этого подобные отпечатки были получены в нефтяных пеках в лабораторных условиях. Сложность химического состава нефтяных пеков не позволила найти приемлемого объяснения их возникновению, что оставило этот вопрос открытым.
4 Цель работы: решение проблемы нестабильности характеристик нефтяных пеков. Основные задачи работы таковы:
создание математической модели иерархического формирования дисперсной фазы при низкотемпературной карбонизации углеводородных смесей;
построение компьютерного алгоритма процесса иерархического формирования дисперсной фазы;
проведение модельных экспериментов с целью численного определения критических концентраций парамагнитной фракции, достижение которых приводит к осуществлению релаксационных этапов структурирования;
разработка технологических рекомендаций по решению проблемы нестабильности характеристик нефтяных пеков.
Научная новизна. Впервые проведено компьютерное моделирование иерархического роста дисперсной фазы в карбонизуемых углеводородных смесях на масштабах от нескольких им до нескольких мкм (асфальтеновые ассоциаты -> сфероидная структура -» зернистая структура). Полученные при помощи модели численные данные находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными. Проведена детальная математическая разработка всех механизмов модели.
Показано, что незначительные изменения технологических параметров в точках достижения критических концентраций парамагнитной фракции существенно влияют на особенности протекания процессов формирования элементов структуры и, в конечном итоге, влияют на характеристики получаемых пеков.
Успешно осуществлено компьютерное моделирование начальных стадий процесса формирования макроструктуры. Морфология модельных структур была поразительно схожа с морфологией таких же структур, наблюдаемых на микрофотографиях нефтяных пеков.
5 Практическая ценность. Даны общие рекомендации по изменению технологической схемы установки для получения нефтяных пеков, что позволяет решить проблему нестабильности их свойств.
Разработанная на основе математической модели компьютерная программа автоматического расчета параметров жидкой углеводородной смеси в критических состояниях при осуществлении процесса карбонизации принята к использованию ИП НХП АН РБ.
Результаты исследований иерархии надмолекулярных структур в нефтяных пеках используются в учебном процессе УГНТУ специальности 05.17.00. при чтении курса лекций по дисциплине "Физическая природа разрушения".
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: 6-й Всероссийской студенческой научной конференции "Проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Екатеринбург, 1996); симпозиуме "Синергетика, структура и свойства материалов. Самоорганизующиеся технологии" (Москва, ИМЕТ РАН, 1996); 51-й Межвузовской студенческой научной конференции "Нефть и газ - 97" (Москва, ГАНГ, 1997); 11-й Международной конференции по проблемам прочности материалов - ICSMA-П (Прага, 1997); 1-ом Международном симпозиуме "Наука и технология углеводородных дисперсных систем" (Москва, ГАНГ, 1997).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация общим объемом 183 страниц, содержит введение, 5 глав, общие выводы, список литературных источников из 71 наименований, 16 таблиц, 80 рисунков, приложения.