ТЕМПЕРАТУРНЫЙ АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РЕКТИФИКАЦИИ ПИРОЛИЗНОГО ДИСТИЛЛЯТА ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО ВЫДЕЛЕНИЯ ФРАКЦИИ C9

АННОТАЦИЯ

В данной работе изучается влияние температуры на ректификацию пиролизного дистиллята для выделения фракции углеводородов С₉, ценного компонента для топливного и химического синтеза. Пиролизный дистиллят, полученный из органических отходов, подвергался сухой экстракции при температурах от 150⁰С до 170°C, а фракции анализировались с помощью инфракрасной (ИК) спектроскопии. Результаты показывают, что при 152°C достигается наибольшая чистота и получаются алифатические углеводороды С₉, характеризующиеся интенсивными волнами связи С-Н и линиями изгиба, с минимальным содержанием ароматических и кислородсодержащих примесей. При 159°C наблюдается снижение содержания карбонильных аддуктов и увеличение содержания ненасыщенных углеводородов, что указывает на частичное окисление. При 170°C преобладают термический крекинг и ароматизация, что обогащает фракцию ароматическими соединениями и позволяет получить целевые углеводороды С₉. Сравнительный ИК-спектральный анализ подтвердил, что 152°C является оптимальной температурой, обеспечивающей наилучший баланс эффективности и целостности продукта. Эти данные предоставляют важную информацию для оптимизации процессов ректификации для устойчивой добычи углеводородов.

ABSTRACT

This study examines the influence of temperature on the rectification of pyrolysis distillate to extract the fraction of hydrocarbons C₉, which is a valuable component for fuel and chemical synthesis. Pyrolysis distillate obtained from organic waste was dry distilled at a temperature from 150°C to 170°C, the fractions were analyzed using infrared (IR) spectroscopy. The results show that at a temperature of 152°C, the highest purity and C₉ aliphatic hydrocarbons were obtained, which are characterized by strong C-H waves and bending lines, with minimal aromatic and oxygen-containing impurities. At 159°C, a decrease in carbonyl inclusions and an increase in unsaturated hydrocarbons were observed, which indicates partial oxidation. At a temperature of 170°C, thermal cracking and aromatization prevail, enriching the fraction with aromatic compounds and reducing the necessary C₉ hydrocarbons. Comparative IR spectral analysis confirmed 152°C as the optimal temperature, which ensures the best balance of efficiency and product integrity. This data provides important information for optimizing rectification processes in sustainable hydrocarbon production.

Ключевые слова: Пиролизный дистиллят, углеводороды С₉, ректификация, температурный эффект, ИК-спектроскопия, сухое вождение

Keywords: Pyrolysis distillate, C₉ hydrocarbons, rectification, temperature exposure, IR spectroscopy, dry distillation.

ВВЕДЕНИЕ

Пиролиз, процесс термохимического распада, широко используется для превращения органических материалов в ценные углеводороды, особенно в биомассе и переработке отходов [1]. Дистиллят, полученный в результате пиролиза, обычно называемый пиролизным маслом или бионефтью, представляет собой сложную смесь углеводородов, оксигенатов и других органических соединений [2]. Из них важное значение имеет включение в состав фракции углеводородов С₉ алканов, алкенов и ароматических веществ октана, нонана и их производных, что позволяет использовать их в качестве сырья для производства топлива, химического синтеза и дальнейших процессов нефтепереработки [3-5]. Однако выделить этот специфический диапазон углеводородов из пиролизного дистиллята затруднительно из-за сложности смеси и влияния различных технологических параметров, одним из важнейших факторов которых является температура [5].

Температура играет решающую роль, как в процессе пиролиза, так и в последующей ректификации дистиллята [6]. Во время пиролиза температура влияет на выход и состав дистиллята, определяет относительное соотношение легких и тяжелых углеводородов, а также образование ненужных побочных продуктов, таких как смолы или кислородсодержащие соединения [7]. Точный контроль температуры необходим для достижения эффективного разделения фракции C₉ с помощью сухого вождения или соответствующих методов на этапе ректификации [8]. Изменение температуры может оказывать существенное влияние на летучесть, фазовое состояние и химическую стабильность углеводородов, что в свою очередь влияет на чистоту и выход желаемой фракции [9].

Процесс ректификации включает в себя распад пиролизного дистиллята на отдельные фракции на основе разницы температур кипения [10]. Для углеводородов С₉, которые обычно имеют температуру кипения в диапазоне 125-175°С, важно поддерживать оптимальные температурные режимы при обеспечении эффективного разделения без термического разложения и перекрестного загрязнения другими фракциями [11]. Кроме того, температура влияет на термодинамические свойства дистиллята, в том числе на парожидкостный баланс, который контролирует эффективность процесса ректификации [12]. Экстремальная температура может привести к фрагментации или полимеризации углеводородов, в то время как недостаточная температура может привести к снижению эффективности разделения, что приводит к большему количеству соединений в целевой фракции [13].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Пиролизный дистиллят, использованный в данном исследовании, был получен в основном из остаточной части нефтяной фракции. Дистиллят предварительно фильтруется от твердых примесей и объема воды, тем самым обеспечивая моногенное жидкое сырье для ректификации. Аналитические сортовые стандарты углеводородов C₉ (например, октана, нонана и их изомеров) были приобретены у коммерческого поставщика для калибровки и сравнения. Все химические вещества и растворители, используемые в процессах анализа, достигли более высокой чистоты (≥99%).

Процесс ректификации

Ректификация пиролизного дистиллята проводилась с помощью лабораторной установки сухой дистилляции, оснащенной колонной с сопловой установкой (20 теоретических пластин) для повышения эффективности сепарации. Приводной блок включал в себя нагревательную кожух, обратный охладитель и систему сбора с регулируемой температурой. Дистиллят нагревали с контролируемой скоростью, а температуру систематически изменяли от 150°С до 170°С с целью достижения диапазона кипения углеводородов С₉ (приблизительно 125-175°С). Температуру контролировали с помощью калиброванного термометра с точностью до ±0,5°C. Для обеспечения точного разделения углеводородов C₉ фракции были собраны при температуре 5°C в заданных температурных диапазонах. Для обеспечения размножения каждая фракция собиралась в трех экземплярах, а выход каждой фракции рассчитывался в процентах от общей массы дистиллята.

Методы анализа

Собранные фракции анализировали с помощью инфракрасной (IQ) спектроскопии

Инфракрасная спектроскопия (IQ)

IQ-спектроскопия проводилась с использованием инфракрасного (FTIR) спектрометра Furye для определения функциональных групп и подтверждения наличия углеводородов C₉. Каждый образец сканировался с точностью до 4 см^-1 в диапазоне волновых чисел 4000-400 см^-1. Жидкие образцы анализировали в элементе KBr тонкопленочным методом. Спектры сравнивались с эталонными спектрами чистых углеводородов С₉ и выявляли характерные линии поглощения, такие как удлинение С-Н (2800–3000 см⁻¹) и изгиб С–Н (1350–1470 см⁻¹), указывающие на алканы и алкены в целевой фракции.

Экспериментальный дизайн

Эксперименты по ректификации предназначены для оценки влияния температуры на выход и чистоту углеводородной фракции С₈-С₉. Всего для процесса вождения были выбраны 3 температурные точки (152°C, 159°C и 170°C). Каждый температурный режим проверяли в трех количествах и полученные фракции подвергали анализу IQ. Для определения значимости влияния температуры на выход и состав углеводородов С₉ проведен статистический анализ данных с использованием дисперсионного анализа (ANOVA) с доверительной вероятностью 95% (p<0,05).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Для извлечения углеводородной фракции С₉ проводили пиролизный дистиллят при различных температурах (от 150°С до 170°С) и анализировали полученные фракции с помощью IQ-спектроскопии для оценки влияния температуры на плодородие, чистоту и состав. Полученные результаты дают представление об оптимальных температурных условиях и влиянии температуры на химические свойства дистиллята для эффективного распределения целевых углеводородов.

Анализ IQ образца, взятого при 152°C, показан на рисунке 1, где описаны характерные линии поглощения, связанные с углеводородами C₉.

Спектр IQ, показанный на рисунке 1, выделяет несколько ключевых линий поглощения с информацией о химическом составе фракции 152°C. Линии продольной резки O-H и N-H (ок. 3300-3500 см^-1) указывают на наличие небольших гидроксильных или аминных групп в качестве добавок процесса пиролиза. Линия C=O (около 1700 см⁻¹) показывает небольшое количество карбонильных соединений, которые могут возникать во время пиролиза без полного разложения или окисления. Сильные линии удлинения C-H (2800-3000 см^-1) и прогиба C-H (1350-1470 см^-1) подтверждают преобладание алифатических углеводородов, соответствующих целевой фракции C₉.

Рисунок 1. IQ спектр пиролизной дистиллятной фракции при 152°C

Кроме того, наличие растяжения C=C (около 1650 см⁻¹) и винилового растяжения C-H (около 3000–3100 см⁻¹) указывает на присутствие ненасыщенных углеводородов, в то время как ароматическое растяжение C-H (около 3000–3100 см⁻¹) и растяжение C-Cl (около 600–800 см⁻¹) обнаруживают следы ароматических и хлорированных соединений в сырье, возможно, из компонентов, полученных из пластмасс. График Me-O (около 1000–1200 см⁻¹) также показывает небольшой вклад метоксигрупп. Этот анализ показывает, что, хотя фракция C₉ с температурой 152°C богата углеводородами, она содержит осветляющие примеси, которые могут потребовать дополнительной очистки для соответствия отраслевым стандартам.

Рисунок 2. IQ спектр фракции пиролизного дистиллята при 159°

Как показано на рисунке 2, спектр IQ фракции 159^oC демонстрирует законы поглощения, аналогичные законам фракции 159^oC, со значительными различиями в интенсивности и дополнительных свойствах. Линии растяжения O-H и N-H остаются нетронутыми (3300-3500 см^-1), но, по-видимому, несколько сузились, что свидетельствует об уменьшении присутствия гидроксильных и аминных примесей с повышением температуры. Линия C=O (около 1700 см⁻¹) менее выражена, что указывает на уменьшение карбонильных отложений, возможно, в результате сильного испарения или распада при 159°C. Доминируют линии удлинения C-H (2800-3000 см^-1) и изгиба C-H (1350-1470 см^-1), что усиливает распределение алифатических углеводородов в диапазоне C₈-C₉. Линии растяжения C=C (1650 см^-1) и виниловых линий C-H (3000-3100 см^-1) являются более интенсивными, что указывает на увеличение содержания непредельных углеводородов при температуре. Ароматическое удлинение C-H (3000-3100 см^-1) и линии алкилгалогенидов C-Cl (600-800 см^-1) демонстрирует умеренную интенсивность, что указывает на стойкие ароматические и хлорированные смеси. =C-H также обнаружен изгиб вне плоскости (около 900–1000 см⁻¹) и линия Me-O (1000–1200 см⁻¹), причем последняя немного увеличивается из-за повышенной стабильности метоксигруппы при температуре 159°C. Изгиб сверхплоскости C-H (около 700-900 см⁻¹) и кривая C-O-H угольной кислоты (около 1200-1300 см⁻¹) указывают на наличие дополнительных кислородсодержащих веществ, которые могут указывать на частичное окисление при этой температуре. Этот анализ показывает, что фракция 159°C сохраняет высокое содержание углеводородов C₉, но имеет место смещение профиля смеси относительно фракции 152°C

Рисунок 3. IQ спектр фракции пиролизного дистиллята при 170°C

Спектр IQ для фракции 170°C, изображенный на рисунке 3, показывает точный профиль относительно низкотемпературных фракций. Более выраженной становится линия удлинения C-H (ароматической) (в диапазоне 3000-3100 см^-1), которая показывает более высокую концентрацию ароматических углеводородов из-за усиленного термического крекинга или ароматизации при температуре. Удлинение C=O (около 1700 см⁻¹) значительно уменьшается, что указывает на то, что карбонильные соединения в основном улетают или распадаются при 170°C. Линия альдегида C-H (около 2700-2800 см^-1) слабая, что указывает на минимальное количество альдегида, линия угольной кислоты O-H (около 2500-3300 см^-1) почти отсутствует, что отражает значительное снижение углекислотных соединений. Растяжение C=C (около 1650 см⁻¹) заметно, но не очень интенсивно, что позволяет предположить, что возможно снижение концентрации ненасыщенных углеводородов из-за пределов термической стабильности. С-Н1,2,3-тройная бензольная полоска (около 700-900см-1) указывает на наличие взаимозаменяемых ароматических соединений, которые могут образовываться при обработке при высоких температурах. Полоса Me-O (1000-1200см^-1) имеет умеренную интенсивность, что свидетельствует о стабильности метоксигрупп, в то время как полоса алкилгалогенида C-Cl (600-800 см^-1) слабее, что свидетельствует о снижении хлорированных добавок. Этот анализ показывает, что фракция 170°C обогащена ароматическими углеводородами, но может подвергаться частичной деградации других компонентов, которые влияют на общий выход и чистоту фракции C₉.

Рисунок 4. Перекрытие спектров IQ фракций пиролизного дистиллята при температурах 152°С, 159°С и 170°С

Перекрывающиеся спектры IQ на рисунке 4 показывают основные различия в пиковых интенсивностях и профилях для трех температур, подчеркивая влияние температуры на процесс ректификации. Пиковая интенсивность на уровне 2923 см⁻¹, соответствующая алифатическим колебаниям удлинения C-H, наиболее высока при 152°C (черная линия), что указывает на наличие более насыщенных углеводородов, характерных для фракции C₉^. Когда температура поднимается в диапазоне от 159°C (красная линия) до 170°C (синяя линия), интенсивность этого волнового числа уменьшается, что указывает на возможный термический распад или испарение этих соединений. Линия на 1602 см^-1, связанная с удлинением С=С или ароматическими кольцами, показывает среднюю интенсивность при всех температурах, но незначительно увеличивается при 170°С, что указывает на увеличение ароматизации при высоких температурах, что может привести к внесению ненужных ароматических соединений в алифатическую мишень С₉. Пик в 910 см^-1, который указывает на изгиб винила C-H во внешней плоскости^, наиболее заметен при 152°C и уменьшается при высоких температурах, что означает уменьшение ненасыщенных углеводородов из-за полимеризации или растрескивания при повышении температуры. Аналогичным образом, линия 775 см⁻¹, связанная с ароматическим изгибом C−H наиболее слаба при 152°C и усиливается при 170°C, что еще раз подтверждает тенденцию к ароматическим соединениям при повышенных температурах. В целом, покрытие показывает, что низкие температуры с минимальным содержанием примесей сохраняют целостность алифатических углеводородов C₉, в то время как высокие температуры стимулируют вторичные реакции, приводящие к ароматизации и деградации. На основании этих наблюдений было определено, что оптимальной температурой для процесса ректификации, обеспечивающей наилучший баланс муки и чистоты для извлечения углеводородов С₉, является 152°С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное нами исследование влияния температуры на ректификацию пиролизного дистиллята для извлечения углеводородов С₉ показало, что температура оказывает существенное влияние на выход, чистоту и состав целевой фракции. IQ-спектроскопия фракций, полученных при температурах 152, 159 и 170°С, выявила специфические тенденции в химических профилях. Фракция показала максимальную концентрацию алифатических углеводородов С₉ при температурах 152°С, линиях удлинения и изгиба С-Н, минимальное содержание ароматических и кислородсодержащих соединений, что делает ее наиболее пригодной для промышленного применения. При повышении температуры до 159 °С наблюдалось также уменьшение присутствия некоторых добавок (например, карбонильных соединений), увеличение ненасыщенных углеводородов и насыщенных кислородом веществ, т. е. частичное окисление. При 170°С во фракции наблюдалось значительное увеличение ароматических соединений за счет термического крекинга и ароматизации, наряду с уменьшением непредельных углеводородов и углекислотных примесей, деградацией нужной фракции С₉. Специфическое перекрытие спектров IQ подтвердило, что при 152°С достигается оптимальный баланс чистоты и муки, что позволяет сохранить целостность алифатических углеводородов при минимизации вторичных реакций. Эти результаты подчеркивают важность точного контроля температуры при ректификации и показывают, что 152°C следует принимать в качестве оптимального рабочего условия для получения максимальной экстракции высокочистых углеводородов C₉ из пиролизного дистиллята, что способствует разработке эффективной и стабильной технологии очистки.

Список литературы:

1. Палаццоло М. А., ван де Бовенкамп Х. Х., Хофф, Д. Т. ДЖ., Хирес, Х. Дж., и Дойсс,. Дж. (2025). Переработка отработанного мате методом пиролиза до нефти, богатой метоксифенолами. Управление отходами, 205, 115030. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2025.115030
2. Стрин Дж. Р. Дж., Хирес Х. Дж., и Дойсс. Дж. (2025). Максимизация углеводородов нафтового диапазона в результате термического пиролиза смешанных пластиковых отходов, богатых полиолефинами, с помощью методологии разделенной поверхности отклика. Управление отходами, 206, 115094. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2025.115094
3. Юсупова Л.А., Исмаилов Б.М., Нурманов С.Э., Уразов Ф.Б., Обидов Ш.Б., Эргашев Ж.Р. Ингибирующие свойства 2,5-дифенилгексин-3-диола-2,5  // Ж. Universum: технические науки: (Российская Фeдeрация, Москва) 2023, №2(107), ч.4,- С. 59-64. DOI - 10.32743/UniTech.2023.107.2.15008
4. Юлдашева Н.С., Юсупова Л.А., Исмаилов Б.М., Валиева Ш.Ш., Нурманов С.Э. Синтез 2,5-Дифенилгексин-3-Диола-2,5 На Основе Ацетилена И Ацетофенона // Ж. Universum: технические науки: (Российская Фeдeрация, Москва) 2023, №3(108)
5. Окино, Д., Сиаги, З., Кумар, А., Талай, С., Мулива, А., Оломо, Э., и Манирамбона, Э. (2025). Термический и каталитический пиролиз отходов пластикового тяжелого дистиллята в дизельный продукт. Приложения в энергетике и науке о горении, 22, 100337. https://doi.org/10.1016/j.jaecs.2025.100337
6. Ауэрсвальд, М., Шиман, М., Лико Вачкова, Э., Круфек, Й., Страка,., Барзалло, Г., и Возка,. (2024). Сравнительное исследование содержания ароматических углеводородов в пиролизных маслах из отходов пластмасс и шин: оценка распространенных методов нефтепереработки. Топливо, 369, 131714. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.131714
7. Дамманн, М., Хюзинг, Ф., Санто, У., Бонинг, Д., Манчини, М., и Колб, Т. (2026). Характеристика пиролизного масла для древесины бука: химические и физические свойства и кинетика разложения. Топливо, 404, 134897. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2025.134897
8. Апичелла, Б., Черчелло, Ф., Мильяччо, Р., Олиано, М. М., Руопполо, Г., Руссо, К., Станционе, Ф., Урчуоло, М., Аццолини, М., Курия, Г., Моратти, Ф., Романо, В., Лигуори, Д., и Сеннека, О. (2025). Химическая характеристика жидких продуктов в результате пиролиза пластиковых отходов. Журнал аналитического и прикладного пиролиза, 190, 107153. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2025.107153
9. Апичелла, Б., Черчелло, Ф., Мильяччо, Р., Олиано, М. М., Руопполо, Г., Руссо, К., Станционе, Ф., Урчуоло, М., Аццолини, М., Курия, Г., Моратти, Ф., Романо, В., Лигуори, Д., и Сеннека, О. (2025). Химическая характеристика жидких продуктов в результате пиролиза пластиковых отходов. Журнал аналитического и прикладного пиролиза, 190, 107153. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2025.107153
10. Премчанд,., Фино, Д., Демикелис, Ф., Бенсаид, С., Кьярамонти, Д., О'Коннелл, Г., Скотт, Д., и Антунес, Э. (2024). Синтез безметалловых гетероатомных (N, P, O и B) биоугольных катализаторов для усиленного каталитического сопиролиза скорлупы грецкого ореха и дистиллята жирных кислот пальмового масла с получением высококачественного биомасла. Журнал экологической химической инженерии, 12, 113630. https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.113630
11. Абиойе, К. Дж., Фалуа, К. Дж., Резаи, М., Замири, М. А., Зу, Ф., и Ачарья, Б. (2025). Глобальное понимание механизмов пиролиза биомассы: наукометрический и механистический подход. Результаты по инженерному делу, 25, 107123. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.107123
12. Барберо-Лопес, А., Чибили, С., Томппо, Л., Салами, А., Анцин-Мургузур, Ф. Дж., Веняляйнен, М., Лаппалайнен, Р., и Хаапала, А. (2019). Пиролизные дистилляты из коры деревьев и волокна конопли подавляют рост грибов, разлагающих древесину. Технические культуры и продукты, 129, 604–610. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.12.049
13. Jovlieva N. Sh., Bekturdiyev G. M., Komolova G. K., Kodirov O. Sh., Yusupova L. A. C₉ Studying the temperature effect of pyrolysis distillate rectification for the extraction of hydrocarbons. International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology, 2025, 12(8).