Особенности термохимических превращений тяжелой смолы пиролиза при синтезе нефтеполимерной смолы

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Осуществлен синтез нефтеполимерной смолы путем термической полимеризации непредельных соединений тяжелой смолы пиролиза в автоклаве с мешалкой с последующей отгонкой непревращенных углеводородов под вакуумом. Определены кинетические параметры брутто-реакции по изменению иодного числа реакционной смеси, оценен вклад различных типов двойных связей в суммарный процесс полимеризации по данным инфракрасной спектроскопии. Методом хромато-масс-спектрометрии изучен состав дистиллятной фракции тяжелой смолы пиролиза до и после термической обработки. Определены групповой и элементный составы, физико-химические свойства вакуумного остатка тяжелой смолы пиролиза и нефтеполимерной смолы, изучены особенности их термохимических превращений методом термогравиметрии. На основе 1H и 13C спектров ЯМР установлены структурно-химические параметры исходных и вновь образующихся высокомолекулярных соединений. Предложен химизм их образования из винилароматических углеводородов, индена и его гомологов. Даны технологические рекомендации по повышению эффективности производства темных нефтеполимерных смол.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Андрей Иосифович Юсевич

Белорусский государственный технологический университет

Author for correspondence.
Email: usevich@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5592-4882
SPIN-code: 6449-6964

к. х. н., доцент

Belarus, 220006, Минск

Кирилл Игоревич Трусов

Белорусский государственный технологический университет

Email: usevich@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8320-6570
SPIN-code: 7754-1530
Belarus, 220006, Минск

References

  1. Young B., Hawkins T.R., Chiquelin C., Sun P., Gracida-Alvarez U.R., Elgowainy A. Environmental life cycle assessment of olefins and by-product hydrogen from steam cracking of natural gas liquids, naphtha, and gas oil // J. of Cleaner Production. 2022. V. 359. ID131884. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131884
  2. Лебедева М.А., Колесник В.Д., Машуков В.И., Егоров А. В. Хроматографическое определение химического состава тяжелых смол пиролиза // Известия Томского политехнического университета. 2010. Т. 316. № 3. С. 102–105.
  3. Ristic N.D., Djokic M.R., Delbeke E.I.P., Quiroga A.G., Stevens C.V., Van Geem K.M., Marin G. B. Compositional characterization of pyrolysis fuel oil from naphtha and vacuum gas oil // Energy Fuels. 2018. V. 32. № 2. P. 1276–1286. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.7b03242
  4. Цеунова М.А., Машуков В.И., Головко А.К. Исследование состава и строения высококипящей фракции тяжелой смолы пиролиза широкой фракции легких углеводородов // Химия в интересах устойчивого развития. 2013. Т. 21. С. 437–444.
  5. Djokic M.R., Muller H., Ristic N.D., Akhras A.R., Symoens S.H., Marin G.B., Van Geem K.M. Combined characterization using HT-GC × GC-FID and FT-ICR MS: A pyrolysis fuel oil case study // Fuel Processing Technology. 2018. V. 182. P. 15–25. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2018.10.007
  6. Fatayer Sh., Poddar N.B., Quiroga S., Schulz F., Schuler B., Kalpathy S.V., Meyer G., Pérez D., Guitián E., Peña D., Wornat M.J., Gross L. Atomic force microscopy identifying fuel pyrolysis products and directing the synthesis of analytical standards // J. of the Am. Chem. Soc. 2018. V. 140 (26). P. 8156–8161. https://doi.org/10.1021/jacs.8b02525
  7. Лебедева М.А., Машуков В.И., Головко А.К. Анализ и переработка тяжелой смолы пиролиза // Химия в интересах устойчивого развития. 2012. Т. 20. С. 633–638.
  8. Юсевич А.И., Трусов К.И., Осипенок Е.М., Куземкин Д.В. Оптимизация условий термической полимеризации тяжелой пиролизной смолы с целью получения нефтеполимерных смол — мягчителей резиновых смесей // Труды БГТУ. Сер. 2, Химические технологии, биотехнологии, геоэкология. 2020. № 2. С. 56–61. https://elib.belstu.by/handle/123456789/35280
  9. Zohuriaan-Mehr V.J., Omidian Et.H. Petroleum Resins: An Overview // J. of Macromolecular Science, Part C: Polymer Reviews. 2000. V. 40. № 1. P. 23–49. https://doi.org/10.1081/MC-100100577
  10. Лесняк В.П., Гапоник Л.В., Шиман Д.И., Костюк С.В., Капуцкий Ф.Н. Синтез, модификация и применение нефтеполимерных смол на основе мономерсодержащих пиролизных фракций // Химические проблемы создания новых материалов и технологий: Сб. ст. под ред. О. А. Ивашкевича. Вып. 3. Минск, 2008. С. 204–245. https://elib.bsu.by/handle/123456789/13348
  11. Wei Q., Chen X., He Y., Fu J., Liang J., Wei X., Wang L. Ni Nanoparticles supported on N-doped carbon nanotubes for efficient hydrogenation of C5 hydrocarbon resins under mild conditions // Microporous and Mesoporous Materials. 2022. V. 333. ID111727. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2022.111727
  12. Мельчаков И.С., Занавескин Л.Н., Максимов А.Л. Каталитический синтез алифатических нефтеполимерных смол // Химическая промышленность сегодня. 2024. № 3. С. 49–56.
  13. Rahmatpour A., Meymandi M.Gh. Large-Scale production of C9 aromatic hydrocarbon resin from the cracked-petroleum-derived C9 fraction: chemistry, scalability, and Techno-economic analysis // Organic Process Research & Development. 2020. V. 25. Issue 1. P. 120–135. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.0c00474
  14. Wu Ch., Chen X., Fu J., Zou J., Liang J., Wei X., Wang L. ZIF-derived Co/NCNTs as a superior catalyst for aromatic hydrocarbon resin hydrogenation: Scalable green synthesis and insight into reaction mechanism // Chem. Engineering J. 2022. V. 443. ID136193. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136193
  15. Петрухина Н.Н., Захарян Е.М., Корчагина С.А., Нагиева М.В., Максимов А.Л. Гидрирование нефтеполимерных смол на сульфидных ненанесенных наноразмерных катализаторах // Наногетерогенный катализ. 2017. Т. 2. № 2. С. 127–135. https://doi.org/10.1134/10.1134/S2414215817020083 [Petrukhina N.N., Zakharyan E.M., Korchagina S.A., Maksimov A.L., Nagieva M.V. Hydrogenation of polymeric petroleum resins in the presence of unsupported sulfide nanocatalysts // Petrol. Chem. 2017. V. 57. N14. P. 1295–1303. https://doi.org/10.1134/S0965544117140080 ]
  16. Петрухина Н.Н., Захарян Е.М., Корчагина С.А., Нагиева М.В., Максимов А.Л. Гидрирование нефтеполимерных смол на сульфидных нанесенных катализаторах // Нефтехимия. 2018. Т. 58. № 1. С. 52–59. https://doi.org/10.7868/S0028242118010070 [Petrukhina N.N., Zakharyan E.M., Korchagina S.A., Nagieva M.V., Maksimov A.L. Hydrogenation of petroleum resins in the presence of supported sulfide catalysts // Petrol. Chem. 2018. V. 58. N 1. P. 48–55. https://doi.org/10.1134/S0965544118010127]
  17. Абрамов О.Н., Сидоров Д.В., Апухтина Т.Л., Храмкова В.А. Получение пекового углеродного волокна на основе нефтяного сырья // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2015. Т. 58. Вып. 5. С. 86–89.
  18. Мухамедзянова А.А., Мухамедзянов А.Т., Гимаев Р.Н., Хайбуллин А. А. Получение пластичных анизотропных пеков из продуктов термообработки тяжелой смолы пиролиза углеводородного сырья // Журнал прикладной химии. 2015. Т. 88. Вып. 8. С. 1203–1207. [Mukhamedzyanova A.A., Mukhamedzyanov A.T., Gi-maev R.N., Khaibullin A.A. Preparation of plastic anisotropic pitches from products of heat treatment of heavy tar from pyrolysis of hydrocarbon raw materials // Russian J. of Applied Chemistry. 2015. V. 88. N 8. P. 1321–1325. https://doi.org/10.1134/S1070427215080157 ]
  19. Liu J., Chen X., Xie Q., Liang D. Controllable synthesis of isotropic pitch precursor for general purpose carbon fiber using waste ethylene tar via bromination–dehydrobromination // J. of Cleaner Production. 2020. V. 271. Article 122498. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.122498
  20. Chung Wen-Ya, Brahma Sanjaya, Hou Shang-Chieh, Chang Chia-Chin, Huang Jow-Lay. Petroleum waste hydrocarbon resin as a carbon source modified on a Si composite as a superior anode material in lithium ion batteries // Materials Chemistry and Physics. 2021. V. 259. Article 124011. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.124011
  21. Wu Sh., Song Y., Lu Ch., Yang T., Yuan Sh., Tian X., Liu Zh. High-rate soft carbon anode in potassium ion batteries: The role of chemical structures of pitches // Carbon. 2023. V. 203. P. 211–220. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.11.058
  22. Наканиси К. Инфракрасные спектры и строение органических соединений: Пер. с англ. М.: Мир. 1965. 217 с.
  23. Бродский Е.С. Масс-спектрометрический анализ углеводородов и гетероатомных соединений нефти // В сб. “Методы исследования состава органических соединений нефти и битумоидов”. Под ред. Г. Д. Гальперина. М.: Наука, 1985. С. 57–119.
  24. Никулина Н.С., Дмитренков А.И., Никулин С.С., Власова Л.А., Санникова Н.Ю. Перспектива применения для модификации древесных материалов α-винилнафталина // Вестник БГТУ им. В. Г. Шухова. 2021. № 2. С. 73–78.
  25. Gill G.B., Hawkins S., Gore P.H. Concerted and non-concerted hydrogen transfer: the thermal disproportionation of 1,2- and 1,4-dihydronaphthalenes // J. of the Chem. Soc. Chem. Communications. 1974. V. 18. P. 742. https://doi.org/10.1039/c39740000742
  26. Справочник нефтехимика. В двух томах. Т. 1. Под ред. С.К. Огородникова. Л.: Химия, 1978. 496 с.
  27. NIST Standard Reference Database Number 69. https://doi.org/10.18434/T4D303
  28. Chirico R.D., Steele W.V., Kazakov A.F. Thermodynamic properties of indan: Experimental and computational results // J. Chem. Thermodynamics. 2016. V. 96. P. 41–51. https://dx.doi.org/10.1016/j.jct.2015.12.005
  29. Chirico R.D., Steele W.V. Thermodynamic properties of 1.2-dihydronaphthalene: Glassy crystals and missing entropy // J. Chem. Thermodynamics. 2008. V. 40. Is. 5. P. 806–817. https://doi.org/10.1016/j.jct.2008.01.009
  30. Курбатов В.А. Термическая полимеризация и олигомеризация мономеров // Успехи химии. 1987. Т. LVI. Вып. 5. С. 865–887.
  31. Behar F., Beaumont V., Penteado H. Rock-Eval 6 Technology: Performances and Developments // Oil & Gas Science and Technology. 2001. V. 56. № 2. P. 111–134. https://doi.org/10.2516/ogst:2001013
  32. Zhou D., Chen X., Liang J., Wei X., Wu Ch., Li W., Wang L. High-Temperature Stability and Pyrolysis Kinetics and Mechanism of Bio-Based and Petro-Based Resins Using TGFTIR/MS // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2021. V. 60. Is. 38. P. 13774–13789. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c02535
  33. Jiang M., Wei X., Chen X., Wang L. Liang J. C9 Petroleum resin hydrogenation over a peg1000-modified nickel catalyst supported on a recyclable fluid catalytic cracking catalyst residue // ACS Omega. 2020. V. 5. Is. 32. P. 20291–20298. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c02193
  34. Bozkurt A., Akbulut U., Toppare L. Conducting polymer composites of polypyrrole and polyindene // Synthetic Metals. 1996. V. 82. Is. 1. P. 41–46. https://doi.org/10.1016/S0379-6779(97)80007-0
  35. Goel Sh., Mazumdar N., Gupta A. One-dimensional nanofibers of polyindene: Synthesis and characterization // J. of Polymer Research. 2010. V. 17. Is. 5. P. 639–645. https://doi.org/10.1007/s10965-009-9352-1
  36. Schnabel W., Levchik G.F., Wilkie Ch., Jiang D.D., Levchik S.V. Thermal degradation of polystyrene, poly(1.4-butadiene) and copolymers of styrene and 1.4-butadiene irradiated under air or argon with60Co-γ-rays // Polymer Degradation and Stability. 1999. V. 63. № 3 P. 365–375. https://doi.org/10.1016/S0141-3910(98)00114-1
  37. Федотов А.В., Красновских М.П., Мокрушин И.Г. Термическая деструкция изделий из пенополистирола // Вестник Пермского университета. Химия. 2015. Вып. 2 (18). С. 102–109.
  38. Becker C.M., Biagini A.B., Forte M.M.C., Amico S.C., Vargas J.V.C., Azambuja D.S. Sulfonation and characterization of styrene-indene copolymers for the development of proton conducting polymer membranes // Polímeros. 2012. V. 22. № 4. P. 395–400. http://dx.doi.org/10.1590/S0104-14282012005000069
  39. Химия углеводородов нефти. В трех томах. Т. II / Под ред. Б.Т. Брукса, С.Э. Бурда, С.С. Куртца, Л. Шмерлинга / Пер. с англ. под ред. проф. М.М. Кусакова. Л.: Гостоптехиздат, 1958. 391 с.
  40. Pyase L. Gupta, Prem V. Dogra, Rakesh K. Kuchhal and Pradeep Kumar. Estimation of average structural parameters of petroleum crudes and coal-derived liquids by13C and1H n. m. r. // Fuel. 1986. V. 65. Is. 4. P. 515–519. https://doi.org/10.1016/0016-2361(86)90042-6
  41. Кривдин Л.Б. Последние достижения в области ЯМР топлив: краткий обзор // Успехи химии. 2024. Т. 93. Вып. 1. RCR5105. https://doi.org/10.59761/RCR5105
  42. Вацулик П. Химия мономеров. Т. I. Под ред. И.Л. Кнунянца. М.: Изд-во иностранной литературы, 1960. 739 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Kinetic curves of thermal polymerization of unsaturated TSP compounds: 1, 1´- dependences of the iodine number of the reaction mixture on the reaction time at 260 and 240°C, respectively; 2, 2´- dependences of the inverse concentrations of double bonds in the reaction mixture on the reaction time at 260 and 240°C, respectively.

Download (118KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. IR spectra of MNPVO TSP at the beginning (solid line) and after seven hours (dashed line) of heat treatment. Above the wave numbers in parentheses are the values of the Pearson correlation coefficient between the band intensities and the iodine number of the reaction mixture.

Download (84KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the intensity of olefin bands in the IR spectrum of TSP on the time of its heat treatment: 1, 2, 3 - respectively 991, 767 and 945 cm-1 at 260°C; 1´, 2´, 3´ - the same at 240°C.

Download (131KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Thermograms of the vacuum residue of TSP (1, 1´) and NPS (2, 2´): 1, 2 - TG curves; 1´, 2´ - DTG curves; I-IV - reaction stages.

Download (152KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependences of structural parameters of middle molecules on the degree of condensation of aromatic systems (RA): I - fraction of bridging atoms among aromatic carbon atoms (#CAr-Ar/#CAr); II - average number of carbon atoms per aromatic ring (#CAr/RAr). The dots on the graphs correspond to model aromatic systems: 1 - benzene; 2 - naphthalene + two benzenes; 3 - naphthalene + benzene; 4 - naphthalene; 5 - naphthalene + anthracene; 6 - anthracene; 7 - anthracene + tetracene; 8 - tetracene.

Download (203KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Schemes of homo-oligomerization reactions of styrene and indene derivatives: R - methyl, ethyl; Ar - substituted or unsubstituted phenyl; n = 0-2.

Download (231KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Schemes of the co-oligomerization reactions of styrene and indene derivatives: R - methyl, ethyl; Ar - substituted or unsubstituted phenyl; n = 0-2.

Download (258KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Possible structures of middle molecules of asphaltenes based on trimer (E), tetramer (F) and pentamer (G) of styrene: R - methyl, ethyl; Ar - substituted or unsubstituted phenyl; n = 0-2.

Download (124KB)
Indexing metadata
10. Scheme

Download (118KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences