Нижегородские ученые собрали установку с самым большим на настоящий момент реактором – с помощью электрических разрядов она позволяет перерабатывать тяжелую нефть при низких температурах и без дополнительных реагентов. В результате получается, в частности, смесь газов, которые используют в химической промышленности.
Запасы тяжелой нефти составляют 70% от мировых. Но перерабатывать ее сложно из-за высокой плотности и вязкости, большого количества серосодержащих соединений. Современные методы имеют недостатки: они требуют высоких температур и давления, большого количества водорода, а также специального оборудования. При этом для нагрева и поддержания высоких температур надо сжигать немало углеводородного топлива, что приводит к значительным выбросам углекислого газа.
Этого можно избежать, если вместо высокотемпературных установок и печей использовать плазменные реакторы. Они не требуют дорогостоящих катализаторов и водорода, работают на электроэнергии с атомных и гидроэлектростанций, в ходе их работы не выделяется CO2. Например, при плазменном пиролизе нефти под действием электрических разрядов образуются высокореактивные соединения: радикалы и ионы. Они воздействуют на молекулы органических соединений в нефти, в результате чего запускаются специфические реакции. Это приводит к расщеплению крупных молекул на более мелкие, которые потом могут использоваться во многих химических процессах. Несмотря на достоинства такой обработки нефти, внедрение этого метода в промышленность ограничено небольшими размерами реакторов.
Ученые из Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева собрали установку для плазменного пиролиза нефти. Она состояла из реактора, системы управления и регистрации электрических разрядов, а также системы сбора образующихся газов. Объем реактора составил 300 см3, что в 7,5 раз больше, чем у предыдущих моделей.
Чтобы проверить работоспособность установки, исследователи использовали мазут: его заливали между двумя электродами. Авторы доказали, что увеличение мощности энергетического воздействия приводит к повышению производительности, энергоэффективности процесса и выходу газообразных продуктов, а также влияет на их количество. Так, в ходе процесса выделялся водород, ацетилен (C2H2), этилен (C2H4), метан (CH4) и углеводороды, содержащие от трех до пяти атомов углерода. Все это широко используют в химической промышленности.
Напряжение 500 В оказалось оптимальным, так как потребление энергии в этом случае было самым низким, а выход ценных газообразных углеводородов самым высоким — до 46,5% от общей массы. Выход твердофазных продуктов достигал более 70%, и среди них ученые обнаружили неупорядоченный графит и многослойные углеродные нанотрубки, которые можно использовать в электронике. Кроме того, твердые продукты содержали атомы серы, кислорода, ванадия и никеля, что делает эти структуры привлекательными для применения в промышленности в качестве ускорителей химических реакций.
«Мы будем пытаться повысить глубину переработки мазута, увеличить производительность и рентабельность плазмохимического пиролиза. Также мы планируем исследовать углеродные наноструктуры для использования их в качестве катализаторов и адсорбентов», — рассказал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева Евгений Титов.
Также в исследовании принимали участие ученые из Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН, Курчатовского института и Московского физико-технического института.
Результаты исследования опубликованы в журнале Energies.
