Получение углерод-минеральных сорбентов на основе белой

Инновационные технологии 21
века в области химии, химической
технологии, новых материалов
Получение углерод-минеральных
сорбентов на основе белой сажи и
нефтяного пека
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Филиал федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения высшего профессионального образования
«Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате
(Филиал ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате)
Автор проекта:
студент гр. ТП-09-21
Руководитель:
канд. техн. наук
В.Ф. Нигматуллин
П.В. Кугатов
Актуальность проекта
Целесообразно выделить следующие
основные области использования пористых
углеродных материалов:
• адсорбция паров и газов из их смесей с
воздухом и разделение и очистка газов;
• адсорбция из растворов (в пищевой и
химической технологии, для очистки
сточных вод);
• в области катализа ( в качестве
катализаторов
или
носителей
для
катализаторов)
• в области медицины, хроматографии.
В основном пористые материалы обладают высокой стоимостью из-за
высоких эксплуатационных затрат на их производство. Также технологии
получения данных материалов экологически опасны и энергоемки. Поэтому
есть необходимость в создании дешевого углеродного материала с требуемыми
значениями удельной поверхности, прочности, который мог бы использоваться
в качестве сорбента или носителя для катализаторов.
Сырье
В качестве сырья используются:
• Белая сажа (в работе представлены марки белой сажи БС-50, БС-100, БС-120,
У-333) представляет собой диоксид кремния, который получается осаждением из
раствора силиката натрия (жидкого стекла) кислотой (соляной в РФ и серной за
рубежом), с последующей фильтрацией, промывкой и сушкой. Химическая
формула - mSiО2·nН2О.
Получение суспензии полупродукта - силиката кальция:
Na2O·mSiO2 + CaCl2 + pH2O = CaO·mSiO2·nH2O + 2NaCl + (p-n)H2O.
Получение суспензии белой сажи:
CaO·mSiO2·nH2O + 2HCl = mSiO2·nH2O + CaCl2 + H2O.
• Пек представляет собой битуминозный материал черного или бурого цвета с
блестящим раковистым изломом. При нормальных условиях - обычно твердое
вещество, а при нагревании выше температуры размягчения переходит в вязкотекучее состояние. Спекающая способность пека в большей степени оценивается
его коксуемостью, коксовым остатком и содержанием α- и β-фракций, а
связующая способность - преимущественно температурой размягчения,
плотностью, вязкостью и содержанием α-фракций.
Исследование влияния содержания пека
на характеристики образцов
Снимки были сделаны на электронном микроскопе JEOL JSM-6610LV.
В7 10/90
В3 30/70
В5 50/50
№ Опыта
Sуд.,м2/г
Прочность на раздавливание,
МПа
В7 10/90
75
1,32
В6 20/80
76
1,34
В3 30/70
67
1,49
В4 40/60
73
1,91
В5 50/50
44
2,03
Потеря массы, %
Прокалка белой сажи БС-100 и исследование свойств
полученных образцов из прокаленной белой сажи
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
200
400
600
800
1000
Температура прокаливания, °С
90
3.00
80
2.50
70
60
2.00
50
1.50
40
30
1.00
20
0.50
10
0
0
200
400
600
800
1000
Температура прокаливания белой сажи БС-100, °C
0.00
1200
Прочность, МПа
Удельная поверхность, м2/г
1200
Исследование влияния температуры карбонизации
на характеристики гранул
Исследования проводились при температуре карбонизации 700-1000 °С.
Содержание пека в смесях 30%.
Конечная
температура нагрева,
°С
Прочность на
раздавливание,
МПа
Удельная
поверхность (метод
БЭТ), м2/г
В3
700
1,15
67
В17
800
1,11
70
В18
900
1,32
32
В16
1000
2,53
29
В24
700
1,08
52
В25
800
1,09
51
900
1,80
47
1000
2,84
25
№ Опыта
В26
В27
Марка белой сажи
БС-100
БС-120
Исследование влияния марок белой сажи
на характеристики образцов
Образцы сделаны с содержанием пека в смеси 30% и при температуре
карбонизации 1000°С.
Марка белой сажи
Размер частиц, нм
Sуд.,м2/г
Прочность на
раздавливание,
МПа
В16
БС-100
23-34
29
2,53
В27
БС-120
19-27
25
2,84
В28
У333
-
28
-
В29
БС-50
50-70
16
-
№ Опыта
Получение образцов по двустадийной схеме
На первой стадии количество добавляемого пека относительно невелико (110%), температура термообработки - 1000 °С. На второй стадии количество пека –
30%, температура карбонизации – 700 °С.
Прочность на раздавливание,
Мпа
Содержание
пека во
вторичном
сырье, %
Экструдаты
Таблетки
Опыт В14
10
2,51
Опыт В15
5
Опыт В19
1
№
Опыта
Удельная
поверхность,
м2/г
Поверхность
макропор, м2/г
Объем
микропор,
см3/г
1,49
56
14
0,019
2,14
6,43
15
4
0,008
0,85
0,76
17
11
0,005
Измерение удельной поверхности. Метод БЭТ
0.0025
0.002
а, моль/г
0.0015
0.001
0.0005
0
0.0000
0.2000
0.4000
0.6000
Р/Р0
0.8000
1.0000
Поверхность макропор и объем микропор рассчитан с помощью αS метода.
0.0004
y = 0,000078989x + 0,000212532
R² = 0,938
Количество адсорбата, моль/г
0.00035
0.0003
0.00025
0.0002
y = 0,000061334x + 0,000060075
R² = 0,999
0.00015
0.0001
y = 0,000023384x + 0,000084878
R² = 0,960
0.00005
0
0
0.5
1
1.5
αS
Опыт В14 10/90
Опыт В15 5/95
Опыт В19 1/99
2
Исследование влияния количества пека, добавляемого на
второй стадии, на характеристики образцов
№ Опыта
Содержание
пека на второй
стадии, %
Опыт В23
10
5
6,17
0,00001
-
0,0036
Опыт В22
20
12
11,06
0,0013
0,40
0,02
Опыт В15
30
15
4,49
0,0072
0,41
2,14
Опыт В21
40
51
7,79
0,0228
0,43
0,59
Опыт В20
50
46
11,89
0,0172
0,78
Удельная
Суммарный Прочность на
Объем
поверхность, Макроповерхность
объем пор, раздавливание,
микропор
м2/г
см3/г
Мпа
Наиболее оптимальными значениями удельной поверхности и прочности
обладает образец В15 с содержанием пека на второй стадии 30%. Суммарный
объем пор у образцов сопоставим. Данный образец можно использовать в
качестве носителя для катализаторов.
Процесс выщелачивания
Для увеличения удельной поверхности образцов был применен процесс
выщелачивания 3М NaOH.
№
Опыта
Содержание
пека на первой
стадии, %
Содержание
Удельная
Суммарный
пека на второй
Объем
поверхность, Макроповерхность
объем пор,
стадии, %
микропор
м2/г
см3/г
Опыт В15
5
30
99
33,12
0,0644
2,51
Опыт В21
5
40
167
46,85
0,0644
2,13
Опыт В20
5
50
124
42,90
0,0324
1,45
Опыт В14
10
30
203
-
-
-
После процесса выщелачивания у образцов вдвое увеличилась удельная
поверхность и значительно увеличился объем пор, что позволяет данные образцы
использовать в качестве сорбентов.
Рекомендуемые значения основных параметров
приготовления гранул пористого материала
Параметр
Значение
Первая ступень карбонизации
Содержание пека в смеси на первой ступени, %
Время перемешивания, мин
5-10
Не менее 60
Температура карбонизации, °С
Не менее 1000
Способ гранулирования
Экструзия
Скорость нагрева, град./мин
Не более 15
Вторая ступень карбонизации
Содержание пека в смеси на второй ступени, %
Температура карбонизации, °С
30-40
Не менее 700
Способ гранулирования
Экструзия
Выщелачивание
Концентрация NaOH
Время выщелачивания, мин
3M
Не менее 75
Продукция проекта
№ Опыта
Опыт В21
выщелоченный
Опыт В15
Содержание
пека на
первой
стадии, %
5
5
Содержание
пека на
Удельная
Суммарный
Сфера
Макроповерх Объем
второй
поверхность,
объем пор, использован
ность
микропор
стадии, %
м2/г
см3/г
ия
40
30
167
15
47
5
0,0644
0,0072
2,13
сорбент
0,41
Носитель
для
катализатора
Защита интеллектуальной собственности
Подача заявки на получение патента предусмотрена в скором времени.
Технологическое оформление процесса
I – нефтяной пек; II – сырьевая смесь (белая сажа (БС-100) с 5% содержанием пека и карбонизированная
при 1000 °С); III – бензин; IV – химически очищенная вода; V – топливно-воздушная смесь; VI – готовый
углеродный носитель; VII – дымовые газы; VIII – щелочь (NaOH 3M); IX – отработанная щелочь на утилизацию;
X – готовый углеродный сорбент; Д-1 – молотковая дробилка; БМ-1, БМ-2 – барабанные мельницы; Г-1, Г-2 –
грохоты; М-1, М-2 – мешалки; Е-1, Е-2, Е-3 – емкости; И-1 – испаритель; КХ-1 – конденсатор-холодильник; ТМ-1
– таблеточная машина; П-1 – барабанная печь; Х-1 – холодильник; КУ-1 – котел-утилизатор; Р-1 – реактор для
процесса выщелачивания
Расчет капитальных затрат
Расчет капитальных затрат включает затраты на оборудование, здания и
сооружения. Основываясь на величине проектной мощности оборудования,
определяем стоимость технологического оборудования. Затраты на силовое
оборудование, КИП, на его доставку ,монтаж, а также затраты на
строительство зданий и сооружений рассчитываем в виде процентной
стоимости от стоимости технологического оборудования.
Наименование
Сумма, тыс.руб.
Технологическое оборудование
9988,0
Вспомогательное оборудование
908,0
Силовое оборудование (60% от технологического оборудования)
5992,8
КИП (15% от технологического оборудования)
1498,2
Стоимость оборудования с учетом затрат на доставку и монтаж
19751,3
Затраты на возведение зданий и сооружений
6991,6
Дополнительные затраты
3495,8
Капитальные затраты
30238,7
Расчет себестоимости
Единица
измерения
Норма расхода
Цена, руб.
Руб. на 1 т
продукции
Белая сажа БС-100
т
1,594
48410
77165,54
Нефтяной пек
т
0,463
7000
3241,00
Бензин
т
0,05556
15000
833,40
Щелочь
т
20,408
14900
304079,2
т
0,001
2000,00
2,00
Вода
тыс. м3
0,001
530,05
0,53
Электроэнергия
тыс. кВт
0,002
666,01
1,33
Статьи затрат
Топливо
Заработная плата
4800,00
Отчисления на соцстрах
1824,00
Амортизация
3023,87
Затраты на текущий ремонт
40,00
Общезаводские расходы
100,00
Полная себестоимость для носителя
91031,67
Полная себестоимость для сорбента
395110,87
Расчет эффективности инвестиционного
проекта
Показатели
Значение
Производительность установки, т/год
1000
Капитальные затраты, млн. руб.
30,24
Себестоимость продукции носителя, тыс. руб./т
91,03
Себестоимость продукции сорбента, тыс. руб./т
395,11
Цена готовой продукции носителя, тыс. руб./т
120
Цена готовой продукции сорбента, тыс. руб./т
380
Горизонт расчета, лет
5
Чистый дисконтированный доход NPV, млн. руб.
11,04
Внутренняя норма доходности IRR, %
0,24
Простой срок окупаемости проекта, лет
3,19
Дисконтированный срок окупаемости, лет
4,54
БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ!
Контактная информация:
Почтовый адрес: 453265 РБ г. Салават ул. Калинина 54-42
Контактный телефон: 89177600261