Каталитический комплекс для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка

Название	Каталитический комплекс для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка
Разработчик (Авторы)	Кемалов Руслан Алимович, Алмохамад Алфанди Мохамад, Кемалов Алим Фейзрахманович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2853623
Дата регистрации	25.12.2025
Правообладатель	Общество с ограниченной ответственностью "Сирирос Битум"
Область применения (класс МПК)	B01J 31/02 (2006.01) B01J 31/04 (2006.01) B01J 23/34 (2006.01) B01J 23/04 (2006.01) C10C 3/02 (2006.01) C08L 95/00 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической отраслям промышленности, в частности к способам переработки тяжелых нефтей и нефтяных остатков с последующим получением битумов нефтяных дорожных.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту РФ №2422202 «Катализатор синтеза Фишера-Тропша и способ получения углеводородов на этом катализаторе». Сущностью является катализатор синтеза Фишера-Тропша, содержащий носитель и активный кобальтсодержащий компонент, отличающийся тем, что активный кобальтсодержащий компонент представляет собой иммобилизованные на поверхности катализатора кобальт-оксидные структуры, характеризуемые максимумом потребления водорода в диапазоне температур 500-800 °С на кривой термопрограммированного восстановления, при этом количество кобальт-оксидных структур на поверхности катализатора должно быть не менее чем необходимо для расходования 0,3 ммоль Н2/г катализатора.

Недостатком данного изобретения является недостаточная эффективность получения углеводородов, так как одновременно в реакторе происходят как быстрые, так и медленные процессы, что усложняет выделение определенного вида фракции нефтепродуктов, а для получения атомарного водорода возникает существенно высокий расход энергии, т.е. большая энергозатратность.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту РФ №2279912 «Катализатор синтеза углеводородов С5-С100 способ их получения и способ получения катализатора». Сущностью является катализатор синтеза углеводородов С5-С100, содержащий носитель на основе оксида алюминия, полученного из гидроксида алюминия со структурой гиббсита, и кобальт, содержание которого составляет 15-50 мас.%.

Недостатком известного изобретения является сложность и энергоемкость процесса приготовления.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлено изобретение по патенту РФ №2699065 «Катализатор процесса облагораживания тяжелого нефтяного сырья и способ его приготовления (варианты)». Сущностью является катализатор облагораживания тяжелого нефтяного сырья, представляющий из себя наночастицы на основе молибденсодержащих фаз, формирующийся «in situ» при облагораживании тяжелого нефтяного сырья в присутствии воды, отличающийся тем, что катализатор дополнительно содержит наночастицы сокатализатора на основе Fe, Co или Ni и имеет состав MoS2/MoO2 + MexOy и/или MemSn, с содержанием фазы MoS2 3-78 мас. %, остальное – MoO2, наночастицы сокатализатора имеют состав MexOy и/или MemSn, где Ме = Fe, Co, Ni, а x, y, m и n могут варьироваться и зависят от степени окисления металла и условий формирования катализатора, при этом размер частиц на основе молибденсодержащих фаз составляет 6-380 нм и размер частиц на основе Fe, Co или Ni составляет 2-366 нм.

Недостатком известного является использование в составе наноразмерных катализаторов из металлов VIII группы, которые являются дорогостоящими и не позволяют в необходимой мере контролировать размер частиц образующегося дисперсного катализатора, что в конечном счете будет сказываться на качестве целевого продукта.

Техническим результатом заявленного технического решения является расширение арсенала известных средств указанного назначения путем разработки каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка, позволяющий достигнуть более технологически упрощенного и рентабельного процесса получения заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка с химически стабильным процессом получения и составом, а также улучшенными качественными характеристиками конечного продукта.

Сущностью заявленного технического решения является каталитический комплекс для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка, включающий комплекс инициирующих добавок, при сочетании которых происходят межмолекулярные взаимодействия, приводящие к образованию дисперсных полимерных структур, которые в реакциях с компонентами тяжелых нефтяных остатков образуют устойчивые углеводородные соединения и сохраняются в условиях термических и окислительных процессов битумообразования, со следующим составом: сырое талловое масло, глицерин дистиллированный и перманганат калия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 – Фиг.2.

На Фиг.1 представлена Таблица 1, в которой приведены физико-химические показатели глицерина дистиллированного.

На Фиг.2 представлена Таблица 2, в которой приведены физико-химические показатели полученного битума нефтяного неокисленного марки БНД 130/200, полученного с применением заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка.

На Фиг.3 представлена Таблица 3, в которой приведены физико-химические показатели полученного битума нефтяного неокисленного марки БНД 100/130, полученного с применением заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка.

На Фиг.4 представлена Таблица 4, в которой приведены физико-химические показатели полученного битума нефтяного неокисленного марки БНД 70/100, полученного с применением заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка.

На Фиг.5 представлена Таблица 5, в которой приведены физико-химические показатели полученного битума нефтяного неокисленного марки БНД 50/70, полученного с применением заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка.

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.

Далее заявителем приведена характеристика исходных материалов и оборудования.

1. Сырое талловое масло (СТМ) является продуктом лесопереработки, получается путем разложения сульфатного мыла, которое образуется во время варки древесного сырья. В дальнейшем при вакуумной ректификации сырого таллового масла получают дистиллированное талловое масло (ДТМ), жирные кислоты таллового масла (ЖКТМ), канифоль, таловый пек и другие продукты. По происхождению различают лиственные и хвойные талловые масла. Кислотное число выше у хвойного таллового масла (ТМ), а неомыляемые вещества выше у лиственного ТМ.

Сырое талловое масло не растворимо в воде. Именно благодаря этому свойству данный продукт является эффективным и экономичным решением для применения на производствах связанных с водной фазой. Например, при производстве бетонных изделий, важно обеспечить разделение формы от раствора. Для этих целей можно применять ряд синтетических нефтепродуктов и их производных смазок и масел, однако, разделительная жидкость на основе СТМ имеет ряд преимуществ – это и цена на СТМ и экологичность и отсутствие вредных испарений, что немаловажно при контактной работеохлаждающих материалов [https://roadtm.com/syroe-tallovoe-maslo/#:~:text=Сырое%20талловое%20масло. %20Описание%3A%20сокращенно,таловый%20пек%20и%20другие%20продукты].

2. Перманганат калия (KMnO4) – марганцовокислый калий, калиевая соль марганцовой кислоты. Представляет собой тёмно-фиолетовые, почти чёрные кристаллы, при растворении в воде образующие ярко окрашенный раствор цвета фуксии. При нагревании разлагается с выделением кислорода (этим способом пользуются в лаборатории для получения чистого кислорода). Схему реакции упрощённо можно представить уравнением:

2KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2

[https://ru.wikipedia.org/wiki/Перманганат_калия].

Перманганат калия вступает в образование оксокомплекса марганца (марганцево-порфириновые комплексы), который затем вступает в реакцию с алканами (н-парафинами) путём их окисления.

3. Глицерин дистиллированный – органическое соединение, простейший представитель трёхатомных спиртов с формулой C3H5(OH)3. Представляет собой вязкую прозрачную жидкость со сладким вкусом [https://ru.wikipedia.org/wiki/Глицерин].

Глицерин этерифицируется карбоновыми и минеральными кислородосодержащими кислотами с образованием соответствующих сложных эфиров. При дегидратации он образует токсичный акролеин:

и окисляется до глицеринового альдегида: CH2OH–CHOH–CHO

и дигидроксиацетона: CH2OH–CO–CH2OH

или глицериновой кислоты: CH2OH–CHOH–COOH.

Сложные эфиры глицерина являются важными метаболитами процессов каталитического облагораживания, существенное биологическое значение также имеют фосфолипиды – смешанные глицериды фосфорной и карбоновых кислот.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что заявленный каталитический комплекс для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка получают путем компаундирования комплекса инициирующих добавок, при взаимодействии которых происходят межмолекулярные взаимодействия, приводящие к образованию дисперсных полимерных структур. Такие структуры в реакциях с компонентами тяжелых нефтяных остатков достаточно устойчивы и сохраняются в условиях термических и окислительных процессов битумообразования. При проведении данного процесса каталитического облагораживания происходит изменение количества и качества ингредиентов дисперсной фазы и дисперсионной среды, что влияет на реакционную способность компонентов дисперсной системы, различающихся механизмом химических превращений.

Химико-технологический процесс каталитического облагораживания углеводородов (RH) в жидкой фазе протекает по механизму цепных вырождено-разветвленных реакций, который может быть записан в следующем виде:

Термическое разложение перманганата калия при нагревании

2KMnO4 → K2MnO4 + MnO2 + O2

2KMnO4 + 3H2O2 → 2MnO2 + 2KOH + 2H2O + 3O2↑,

Целевые продукты реакции – кислоты (RCOOH) – образуются в результате протекания многочисленных реакций, промежуточными продуктами которых являются гидропероксиды ROOH, спирты ROH, кетоны RCOR1 и альдегиды RICHO.

Химизм реакции окисления можно представить в виде последовательности нескольких стадий:

Кинетику окисления при больших концентрациях О2 в газе можно описать уравнением

где Wi – общая скорость зарождения цепей; k2, k6 – константы скорости продолжения и квадратичного обрыва цепи на радикалах соответственно; [RH] – концентрация углеводорода.

При низких концентрациях О2 кинетика окисления описывается как

где k1, k2 – константы скорости зарождения и квадратичного обрыва цепи на радикалах R*; [O2] – концентрация кислорода в углеводороде.

На механизм окисления компонентов дисперсной фазы может влиять природа компонентов дисперсионной среды, в первую очередь содержание в ней веществ с подвижными атомами водорода. Этот эффект иллюстрируется диаграммой:

где [R*] – вещество и радикал в форме ассоциата, RN – исходное вещество.

Зарождение цепочки происходит в результате действия кислорода на свободные радикалы, покидающие частицы дисперсной фазы в дисперсионной среде. Компоненты масел преобразуются в основном в смолистые компоненты. Возможно, что в начальный период окисления ассоциаты смолы могут действовать как ловушка для свободных радикалов, которые рекомбинируют в ассоциатах с образованием молекул или менее активных радикалов. В границах следующей стадии преимущественно окисляются наименее полярные компоненты смол, которые превращаются в асфальтены, претерпевающие структурные изменения по мере накопления. Структурная перестройка нефтяных остатков обусловлена динамическим упорядочением алифатических цепей и ароматических углеводородов в окружении ядер частиц дисперсной фазы.

Получение заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка осуществляют в целом следующим способом.

Сырое талловое масло в количестве 35-60% мас. подают в нагреватель, где предварительно подогревают при перемешивании до температуры 130-140 °С.

Далее подогретое сырое талловое масло подают в смесительный реактор вместе с глицерином дистиллированным в количестве 7-15% мас. при перемешивании и с поддержанием постоянной температуры нагрева 130-140 °C.

Дальнейшая реакция смеси протекает при температуре 120-130 °С в течение 30 минут, в следствие которого происходит образование сложных эфиров, вызывая реакцию этерификации, выходным продуктом которого являются полиэфиры.

Далее вводят перманганат калия в количестве 25-58% мас. и продолжают процесс перемешивания при 140-150 °С в течение 10 минут.

Далее полученный каталитический комплекс вводят в количестве 3-6% мас. в тяжелый нефтяной остаток и продолжают процесс перемешивания при 200-230 °С в течение 160-180 минут и получают неокисленный битум марок БНД 130/200, БНД 100/130, БНД 70/100 и БНД 50/70.

Далее приводятся примеры конкретного выполнения заявленного технического решения.

Для экспериментальной проверки заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка были приготовлены 4 варианта состава с различным содержанием компонентов в заявленных интервалах.

Пример 1. Получение каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка со следующим содержанием компонентов, % мас.: сырое талловое масло – 60%, глицерин дистиллированный – 15%, перманганат калия – 25%, для получения битума нефтяного неокисленного марки БНД 130/200

Сырое талловое масло в количестве, например, 60 кг подают в нагреватель, где предварительно подогревают при перемешивании до температуры, например, 130 °С.

Далее подогретое сырое талловое масло подают в смесительный реактор вместе с глицерином дистиллированным в количестве, например, 15 кг при перемешивании и с поддержанием постоянной температуры нагрева 130 °C.

Дальнейшая реакция смеси протекает при температуре 120 °С в течение 30 минут, в следствие которого происходит образование сложных эфиров, вызывая реакцию этерификации, выходным продуктом которого являются полиэфиры.

Далее вводят перманганат калия в количестве, например, 25 кг и продолжают процесс перемешивания при 140 °С в течение 10 минут.

Далее полученный каталитический комплекс вводят в количестве, например, 3 % мас. в тяжелый нефтяной остаток, например, в нефтяной гудрон и продолжают процесс перемешивания при 200 °С в течение 160минут и получают неокисленный битум марки БНД 130/200.

Пример 2. Получение каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка со следующим содержанием компонентов, % мас.: сырое талловое масло – 50%, глицерин дистиллированный – 10%, перманганат калия – 40% для получения битума нефтяного неокисленного марки БНД 100/130

Сырое талловое масло в количестве, например, 50 кг подают в нагреватель, где предварительно подогревают при перемешивании до температуры, например, 130 °С.

Далее подогретое сырое талловое масло подают в смесительный реактор вместе с глицерином дистиллированным в количестве, например, 10 кг при перемешивании и с поддержанием постоянной температуры нагрева 135 °C.

Дальнейшая реакция смеси протекает при температуре 125 °С в течение 30 минут, в следствие которого происходит образование сложных эфиров, вызывая реакцию этерификации, выходным продуктом которого являются полиэфиры.

Далее вводят перманганат калия в количестве, например, 40 кг и продолжают процесс перемешивания при 145 °С в течение 10 минут.

Далее полученный каталитический комплекс вводят в количестве, например, 4 % мас. в тяжелый нефтяной остаток, например, в нефтяной гудрон и продолжают процесс перемешивания при 210 °С в течение 170 минут и получают неокисленный битум марки БНД 100/130.

Пример 3. Получение каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка со следующим содержанием компонентов, % мас.: сырое талловое масло – 40%, глицерин дистиллированный – 10%, перманганат калия – 50% для получения битума нефтяного неокисленного марки БНД 70/100

Сырое талловое масло в количестве, например, 40 кг подают в нагреватель, где предварительно подогревают при перемешивании до температуры, например, 130 °С.

Далее подогретое сырое талловое масло подают в смесительный реактор вместе с глицерином дистиллированным в количестве, например, 10 кг при перемешивании и с поддержанием постоянной температуры нагрева 140 °C.

Дальнейшая реакция смеси протекает при температуре 130 °С в течение 30 минут, в следствие которого происходит образование сложных эфиров, вызывая реакцию этерификации, выходным продуктом которого являются полиэфиры.

Далее вводят перманганат калия в количестве, например, 50 кг и продолжают процесс перемешивания при 150 °С в течение 10 минут.

Далее полученный каталитический комплекс вводят в количестве, например, 5 % мас. в тяжелый нефтяной остаток, например, в нефтяной гудрон и продолжают процесс перемешивания при 220 °С в течение 180 минут и получают неокисленный битум марки БНД 70/100.

Пример 4. Получение каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка со следующим содержанием компонентов, % мас.: сырое талловое масло – 35%, глицерин дистиллированный – 7%, перманганат калия – 58% для получения битума нефтяного неокисленного марки БНД 50/70

Сырое талловое масло в количестве, например, 35 кг подают в нагреватель, где предварительно подогревают при перемешивании до температуры, например, 130 °С.

Далее подогретое сырое талловое масло подают в смесительный реактор вместе с глицерином дистиллированным в количестве, например, 7 кг при перемешивании и с поддержанием постоянной температуры нагрева 130°C.

Дальнейшая реакция смеси протекает при температуре 120 °С в течение 30 минут, в следствие которого происходит образование сложных эфиров, вызывая реакцию этерификации, выходным продуктом которого являются полиэфиры.

Далее вводят перманганат калия в количестве, например, 58 кг и продолжают процесс перемешивания при 140 °С в течение 10 минут.

Далее полученный каталитический комплекс вводят в количестве, например, 6 % мас. в тяжелый нефтяной остаток, например, в нефтяной гудрон и продолжают процесс перемешивания при 230 °С в течение 160 минут и получают битум нефтяной неокисленный марки БНД 50/70.

Битумы нефтяные неокисленные полученные с применением заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка были испытаны в соответствии с ГОСТ 33133-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Битумы нефтяные дорожные вязкие» в аккредитованной испытательной лаборатории дорожной организации.

Результаты физико-химических показателей представлены в Таблице 2-5 на Фиг.2-5.

Как видно из Таблиц 2-5 (см. графич. часть), все показатели битумов нефтяных неокисленных полученных с применением заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка с заявленными компонентами и в заявленных интервалах соотношений компонентов удовлетворяют требованиям ГОСТ 33133-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Битумы нефтяные дорожные вязкие», что подтверждает достижение заявленного технического результата.

Основываясь на описанном выше, можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно – расширен арсенал известных средств указанного назначения путем разработки каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка, позволяющий достигнуть более технологически упрощенного и рентабельного процесса получения заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка с химически стабильным процессом получения и составом, а также улучшенными качественными характеристиками конечного продукта (Таблица 2-5 на Фиг.2-5).

При этом заявленное техническое решение обеспечивает:

• упрощенный технологический процесс получения каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка в результате отсутствия целого ряда технологических приемов, на примере аналога по патенту РФ №2279912, в котором необходимо выполнить несколько последовательных действий: смешивание соединений кобальта с гидроксидом алюминия и прокаливания, пропитка в две или более стадии носителя на основе оксида алюминия водным раствором соли кобальта и термическую обработку. Процесс получения заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка состоит из поочередного смешивания исходных компонентов, а также без использования чистого водорода и без применения высоких температур для инициирования реакции, что обеспечивает простоту, низкую рентабельность и энергозатратность процесса получения заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка.

• более низкую себестоимость заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка, ввиду отсутствия в составе дорогостоящих наноразмерных катализаторов из металлов VIII группы.

• более химически стабильный процесс получения заявленного каталитического комплекса для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка, так как химический процесс протекают по механизму цепных вырождено-разветвленных реакций, по которому шанс получения побочных продуктов несоизмеримо мал, по сравнению с аналогом по патенту РФ №2422202.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как при определении уровня техники не выявлено техническое решение, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) совокупности признаков, перечисленных в формуле изобретения, включая характеристику назначения.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как может быть изготовлено с использованием известных материалов, комплектующих изделий, стандартных технических устройств и оборудования.

Формула изобретения

Каталитический комплекс для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка, включающий комплекс инициирующих добавок, при сочетании которых происходят межмолекулярные взаимодействия, приводящие к образованию дисперсных полимерных структур, которые в реакциях с компонентами тяжелых нефтяных остатков образуют устойчивые углеводородные соединения и сохраняются в условиях термических и окислительных процессов битумообразования, со следующим составом: сырое талловое масло, глицерин дистиллированный и перманганат калия, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Изобретение "Каталитический комплекс для каталитического облагораживания тяжелого нефтяного остатка" (Кемалов Руслан Алимович, Алмохамад Алфанди Мохамад, Кемалов Алим Фейзрахманович ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога