Кинетические закономерности каталитической деструкции макромолекулярной структуры каменного угля в процессе прямого ожижения

Оригинальная статья

УДК 66.096.5:662.74 c А.В. Введенская, М.Н. Глубокова, 2025

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Уголь №10-2025 /1198/

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2025-10-35-43

Авторы

Введенская А.В. исследователь, ФГБОУ ВО ?Самарский государственный медицинский университет? МЗ РФ, 443099, г. Самара, Россия, e-mail: wasily10@mail.ru

Глубокова М.Н. канд. мед. наук, доцент, ФГБОУ ВО ?Самарский государственный медицинский университет? МЗ РФ, 443099, г. Самара, Россия

Аннотации

Представлены результаты систематического исследования кинетических закономерностей каталитической деструкции макромолекулярной структуры каменного угля в процессе прямого ожижения с использованием дисперсных железо-молибденовых катализаторов. Исследование направлено на установление механизма разрыва межкольцевых связей в трехмерной макромолекулярной сетке угольного вещества и оптимизацию условий получения жидких углеводородов. Экспериментальные исследования проводились в автоклавной установке при температурах 375-450°С, начальном давлении водорода 6-17 Мпа с использованием каменных углей различной стадии метаморфизма в присутствии рецикловых растворителей. Применены методы газовой хроматографиимасс-спектрометрии, элементного анализа, ИК-спектроскопии и математического моделирования кинетических процессов. Установлено, что каталитическая деструкция угольного вещества протекает по механизму последовательных реакций с образованием промежуточных продуктов различной молекулярной массы: преасфальтенов, асфальтенов и масел. Определены кинетические параметры основных стадий процесса: константа скорости первичной деструкции составляет 0,024 мин–1 при 430°С, энергия активации процесса равна 142 кДж/моль. Максимальная конверсия угольного вещества достигает 78% при оптимальных условиях процесса с выходом жидких продуктов 65%. Выявлена ключевая роль дисперсного железного катализатора в активации молекулярного водорода и стабилизации радикальных фрагментов, образующихся притермическом разрыве слабых связей в макромолекулярной структуре угля. Разработанная кинетическая модель позволяет прогнозировать выход целевых продуктов и имеет важное значение для оптимизации промышленных процессов прямого ожижения угля.

Ключевые слова

Прямое ожижение угля, каталитическая деструкция, макромолекулярная структура, кинетические закономерности, железные катализаторы, жидкие углеводороды, рецикловые растворители.

Список литературы

1. Киряева Т.А., Опарин В.Н., Яценко Д.А. Микро-наноструктурный анализ особенностей в строении угольного вещества в зависимости от стадий его метаморфизма // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2021.№ 5. С. 5-23. Kiryayeva T.A., Oparin V.N., Yatsenko D.A. Micro-nanostructural analysis of the structure of coal matter depending on the stages of its metamorphism. Gornyj informatsionno-analiticheskij byulleten’. 2021;(5):5-23. (In Russ.).
2. Balpanov N.Zh., Baikenov M.I., Gyulmaliev A.M., Absat Z.B., Batkhan Zh., Ma F., Su K., Kim S.V., Baikenova G.G., Aitbekova D.E., Tusipkhan A. Thermokinetic parameters of the primary coal tars destruction in the presence of catalysts and polymeric materials. Bulletin of the Karaganda University. Chemistry Series. 2021;2(102):86-95.
3. Котельников В.И., Рязанова Е.А. Мезоструктурная углеродная матрица в процессе непрерывного пиролиза в различных условиях формирования. Использование метода Монте-Карло и элементов искусственного интеллекта // Кокс и химия. 2022. № 12. С. 2-6. Kotel’nikov V.I., Ryazanova E.A. Mesostructured carbon matrix in the process of continuous pyrolysis under various formation conditions. Using the Monte Carlo method and elements of artificial intelligence. Koks i khimiya. 2022;(12):2-6. (In Russ.).
4. Ульянова Е.В., Малинникова О.Н., Пашичев Б.Н. Влияние неоднородности структуры угля на особенности его термического разложения // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2020. № 2. С. 71-81. Ulyanova E.V., Malinnikova O.N., Pashichev B.N. Influence of Coal Structure Heterogeneity on the Features of Its Thermal Decomposition. Gornyj informatsionno-analiticheskij byulleten’. 2020;(2):71-81. (In Russ.).
5. Механизм внезапных выбросов метана в угольных пластах / И.Е. Колесниченко, Е.А. Колесниченко, Е.И. Любомищенко и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2020. № 1. С. 108-120. Kolesnichenko I.E., Kolesnichenko E.A., Lyubomishchenko E.I. et al. Mechanism of Sudden Methane Emissions in Coal Seams. Gornyj informatsionno-analiticheskij byulleten’. 2020;(1):108-120. (In Russ.).
6. Попова А.Н., Созинов С.А., Исмагилов З.Р. Исследование формирования кристаллической структуры каменноугольного пека, полученного карбонизацией каменноугольной смолы // Кокс и химия. 2022. № 10. С. 23-27. Popova A.N., Sozinov S.A., Ismagilov Z.R. Study of the formation of the crystalline structure of coal tar pitch obtained by carbonization of coal tar resin. Koks i khimiya. 2022;(10):23-27. (In Russ.).
7. Изучение кинетических и структурных параметров термолиза высокомолекулярных соединений тяжелой нефти / А.А. Бойцова, Ф. Байталов, С.В. Строкин и др. // Технологии нефти и газа. 2020. № 3. С. 23-29. Boitsova A.A., Baitalov F., Strokin S.V. et al. Study of the kinetic and structural parameters of thermolysis of high-molecular-weight compounds of heavy oil Tekhnologii nefti i gaza. 2020;(3):23-291. (In Russ.).
8. Клер А.М., Тюрина Э.А., Медников А.С. Математическое моделирование установок комбинированного производства жидких углеводородов и электроэнергии на основе угля // Химия твердого топлива. 2020. № 3. С. 14-26. Kler A.M., Tyurina E.A., Mednikov A.S. Mathematical Modeling of Combined Production of Liquid Hydrocarbons and Electricity Based on Coal. Khimiya tverdogo tela. 2020;(3):14-26. (In Russ.).
9. Рентгенофазовый анализ углеродных материалов, полученных карбонизацией угля Каа-Хемского месторождения / Г.Р. Монгуш, К.К.О. Чульдум, А.Н. Попова и др. // Кокс и химия. 2024. № 9. С. 2-8. Mongush G.R., Chuldum K.K.O., Popova A.N. et al. X-ray phase analysis of carbon materials obtained by carbonization of coal from the Kaa-Khem deposit. Koks i khimiya. 2024;(9):2-8. (In Russ.).
10. Исследование структурных особенностей углеродных материалов, полученных пиролизом каменного угля Каа-Хемского месторождения под давлением собственных летучих веществ / Г.Р. Монгуш, К.К. О. Чульдум, А.П. Никитин и др. // Кокс и химия. 2021. № 5. С. 26-35. Mongush G.R., Chul’dum K.K.O., Nikitin A.P. et al. Study of the structural features of carbon materials obtained by pyrolysis of coal from the Kaa-Khem deposit under the pressure of their own volatile substances. Koks i khimiya. 2021;(5):26-35. (In Russ.).
11. Начальные стадии взаимодействия углей низкой и средней стадии метаморфизма с воздушной средой / С.А. Семенова, Ю.Ф. Патраков, С.Ю. Лырщиков и др. // Кокс и химия. 2023. № 4. С. 2-11. Semenova S.A., Patrakov Yu.F., Lyrshchikov S.Yu. et al. Initial stages of interaction between low- and medium-stage coal metamorphism and the air environment. Koks i khimiya. 2023;(4):2-11. (In Russ.).
12. Ивашкина Е.Н., Форутан С.К. Термодинамический анализ реакций получения низших олефинов в технологии FCC на основе учета функциональных групп в молекулах углеводородов и квантовой химии // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2022. Т. 333. № 11. С. 101-114. Ivashkina E.N., Forutan S.K. Thermodynamic analysis of reactions for obtaining lower olefins in FCC technology based on the consideration of functional groups in hydrocarbon molecules and quantum chemistry. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov. 2022;333(11):101-114. (In Russ.).
13. Сравнительное исследование отечественных углей и разработка угольных добавок в технологии комбинированного термоги-дрокрекинга гудрона. Часть 4. Изучение фазового состава углей методом рентгеновской диффракции / З.Р. Исмагилов, А.К. Шига-бутдинов, В.В. Пресняков и др. // Кокс и химия. 2023. № 10. С. 6-10. Ismagilov Z.R., Shigabutdinov A.K., Presnyakov V.V. et al. Comparative study of domestic coals and development of coal additives in the technology of combined thermohydrocracking of tar. Part 4.ьStudy of the phase composition of coals by X-ray diffraction. Koks i khimiya. 2023;(10):6-10. (In Russ.).
14. Кинетическая модель каталитического риформинга бензина с учетом изменения реакционного объема и термодинамических параметров / Р.З. Зайнуллин, К.Ф. Коледина, И.М. Губайдуллин и др. // Кинетика и катализ. 2020. Т. 61. № 4. С. 550-559. Zainullin R.Z., Kaledina K.F., Gubaidullin I.M. et al. Kinetic model of catalytic reforming of gasoline, taking into account changes in the reaction volume and thermodynamic parameters. Kinetika i kataliz. 2020;61(4):550-559. (In Russ.).
15. Исследование состава продуктов низкотемпературной термической деструкции углей Кузбасса трех марок / Е.С. Михайлова, О.М. Гаврилюк, Я.В. Крафт и др. // Кокс и химия. 2021. № 11. С. 2-9. Mikhailova E.S., Gavrilyuk O.M., Kraft Ya.V. et al. Study of the composition of the products of low-temperature thermal destruction o Kuzbass coals of three grades. Koks i khimiya. 2021;(11):2-9. (In Russ.).

Для цитирования

Введенская А.В., Глубокова М.Н. Кинетические закономерности каталитической деструкции макромолекулярной структуры каменного угля в процессе прямого ожижения // Уголь. 2025;(10):35-43. DOI: 10.18796/0041-5790-2025-10-35-43.

Информация о статье

Поступила в редакцию: 15.08.2025

Поступила после рецензирования: 18.09.2025

Принята к публикации: 29.09.2025