Composition and structure of asphaltenes and resins isolated from vacuum residue exposed to combined thermo- and hydrocracking process in suspension phase

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The composition of asphaltenes and resins of concentrated product of hydrocracked vacuum residue (CPHVR) obtained by the technology of combined thermal and hydrocracking in a suspension phase has been studied for the first time. The asphaltene content in CPHVR is 48.6 wt.%, and the resin content is 14.3 wt.%. Comparative analysis of asphaltenes and resins of CPHVR by IR spectroscopy, MALDI mass spectrometry, elemental analysis, TGA, EPR and AAS allowed us to compare their composition and structure with the corresponding components in the initial vacuum residue. It was shown that asphaltenes and resins of CPHVR differ from the corresponding components of the initial vacuum residue by a lower molecular weight, a higher proportion of aromatic and condensed structures and a more than 30-fold reduced content of vanadium and nickel. The obtained results suggest that the composition of asphaltenes and resins of CPHVR mainly contains new components formed due to polycondensation, as well as certain polyaromatic structures that cannot be converted into distillates under hydrocracking conditions.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Makhmut R. Yakubov

Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences

Email: yakubovmr@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0504-5569

доктор химических наук, доцент, заместитель руководителя по научной работе, заведующий лабораторией Переработка нефти и природных битумов

Russian Federation, Kazan, 420088 Tatarstan

Alexey A. Khramov

JSC "TAIF-NK"

Email: Hramov_Aleks@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-8870-0457
Russian Federation, Nizhnekamsk, 423574 Tatarstan

Marat R. Idrisov

JSC "TAIF-NK"

Email: idrisovmarat@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0997-2872
Russian Federation, Nizhnekamsk, 423574 Tatarstan

Yulia Yu. Borisova

Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences

Email: uborisova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-1677-3668

кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории физикохимии высокомолекулярных нефтяных компонентов

Russian Federation, Kazan, 420088 Tatarstan

Dmitry N. Borisov

Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences

Email: boriku@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3755-7764

кандидат химических наук, руководитель лаборатории физикохимии высокомолекулярных нефтяных компонентов

Russian Federation, Kazan, 420088 Tatarstan

Svetlana G. Yakubova

Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences

Email: yakubovasg@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2845-2573

кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории переработки нефти и природных битумов

Russian Federation, Kazan, 420088 Tatarstan

Elvira G. Tazeeva

Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences

Email: tazeeva_elvira@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6419-708X

младший научный сотрудник лаборатории переработки нефти и природных битумов

Russian Federation, Kazan, 420088 Tatarstan

Damir I. Tazeev

Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: tazeevexc4@yahoo.com
ORCID iD: 0000-0002-7074-6508

кандидат химических наук, младший научный сотрудник лаборатории переработки нефти и природных битумов

Russian Federation, Kazan, 420088 Tatarstan

References

  1. Максимов А.Л., Зекель Л.А., Кадиева М.Х., Гюльмалиев А.М., Дандаев А.У., Батов А.Е., Висалиев М.Я., Кадиев Х.М. Оценка активности дисперсных катализаторов в реакциях гидрокрекинга углеводородного сырья // Нефтехимия. 2019. Т. 59, № 5. С. 516–523. https://doi.org/10.1134/S0028242119050101 [Maksimov A.L., Zekel L.A., Kadieva M.K., Gulmaliev A.M., Dandaev A.U., Batov A.E., Visaliev M.Y., Kadiev K.M. Assessment of the activity of dispersed catalyst in hydrocracking reactions of hydrocarbonaceous feedstock // Petrol. Chem. 2019. V. 59, № 9. P. 968–974. https://doi.org/10.1134/S096554411909010X]
  2. Окунев А.Г., Пархомчук Е.В., Лысиков А.И., Парунин П.Д., Семейкина В.С., Пармон В.Н. Каталитическая гидропереработка тяжелого нефтяного сырья // Успехи химии. 2015. Т. 84, № 9. С. 981–999. https://doi.org/10.1070/RCR4486 [Okunev A.G., Parkhomchuk E.V., Lysikov A.I., Parunin P.D., Semeykina V.S., Parmon V.N. Catalytic hydroprocessing of heavy oil feedstocks // Russ. Chem. Rev. V. 84, № 9. P. 991–999. https://doi.org/10.1070/RCR4486]
  3. Pham D.V., Nguyen N.T., Kang K.H., Seo P.W., Yun D., Phan P.D., Park Y.K., Park S. Comparative study of single- and two-stage slurry-phase catalytic hydrocracking of vacuum residue for selective conversion of heavy oil // Catalysis Today. 2024. V. 426. ID114391. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2023.114391
  4. Al-Attas T.A., Ali S.A., Zahir M.H., Xiong Q., AlBogami S.A., Malaibari Z.O., Razzak S.A., Hossain M.M. Recent advances in heavy oil upgrading using dispersed catalysts // Energy Fuels. 2019. V. 33, № 9. P. 7917–7949. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b01532
  5. Prajapati R., Kohli K., Maity S.K. Slurry phase hydrocracking of heavy oil and residue to produce lighter fuels: An experimental review // Fuel. 2021. V. 288. ID119686. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.119686
  6. Sahu R., Song B.J., Im J.S., Jeon Y.P., Lee C.W. A review of recent advances in catalytic hydrocracking of heavy residues // J. Ind. Eng. Chem. 2015. V. 27. P. 12–24. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2015.01.011
  7. Kapustin V., Chernysheva E., Khakimov R. Comparison of moving-bed catalytic tar hydrocracking processes // Processes. 2021. V. 9, № 3. ID500. https://doi.org/10.3390/pr9030500
  8. Konovnin A.A., Presnyakov V.V., Shigabutdinov R.A., Akhunov R.N., Idrisov M.R., Novikov M.A., Khramov A.A., Urazaikin A.S., Shigabutdinov A.K. Deep processing of heavy resids based on TAIF-NK JSC heavy residue conversion complex // Chem. Technol. Fuels Oils. 2023. V. 59, № 1. P. 1–6. https://doi.org/10.1007/s10553-023-01493-w
  9. Khramov A.A., Idrisov M.R., Presnyakov V.V., Shigabutdinov R.A., Akhunov R.N., Novikov M.A., Konovnin A.A., Urazaikin A.S., Shigabutdinov A.K. Methods of conversion of residual product of combined thermo- and hydrocracking of heavy resid // Chem. Technol. Fuels Oils. 2023. V. 59, № 1. P. 17–21. https://doi.org/10.1007/s10553-023-01496-7
  10. Chacón-Patiño M.L., Blanco-Tirado C., Orrego-Ruiz J.A., Gómez-Escudero A., Combariza M.Y. Tracing the compositional changes of asphaltenes after hydroconversion and thermal cracking processes by high-resolution mass spectrometry // Energy Fuels. V. 29, № 10. P. 6330–6341. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5b01510
  11. Nguyen M.T., Nguyen D.L.T., Xia C., Nguyen T.B., Shokouhimehr M., Sana S.S., Grace A.N., Aghbashlo M., Tabatabaei M., Sonne C., Kim S.-Y., Lam S.S., Le V.Q. Recent advances in asphaltene transformation in heavy oil hydroprocessing: Progress, challenges, and future perspectives // Fuel Processing Technology. 2021. V. 213. ID106681. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2020.106681
  12. Liu D., Li Z., Fu Y., Zhang Y., Gao P., Dai C., Zheng K. Investigation on asphaltene structures during Venezuela heavy oil hydrocracking under various hydrogen pressures // Energy Fuels. 2013. V. 7. P. 3692–3698. https://doi.org/10.1021/ef4003999
  13. Sun Y.D., Yang C.H., Zhao H., Shan H.H., Shen B.X. Influence of asphaltene on the residue hydrotreating reaction // Energy Fuels. 2010. V. 24, № 9. P. 5008–5011. https://doi.org/10.1021/ef1005385
  14. Nguyen N.T., Kang K.H., Pham H.H., Go K.S., Van Pham D., Seo P.W., Nho N.S., Lee C., Park S. Catalytic hydrocracking of vacuum residue in a semi-batch reactor: Effect of catalyst concentration on asphaltene conversion and product distribution // J. Ind. Eng. Chem. 2021. V. 102. P. 112–121. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2021.06.033
  15. Pham H.H., Nguyen N.T., Go K.S., Park S., Nho N.S., Kim G.T., Lee C.W., Felix G. Kinetic study of thermal and catalytic hydrocracking of asphaltene // Catalysis Today. 2020. V. 353. P. 112–118. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2019.08.031
  16. Ancheyta J., Trejo F., Rana M.S. Asphaltenes: chemical transformation during hydroprocessing of heavy oils. CRC Press, 2010. 461 p. https://doi.org/10.1201/9781420066319
  17. Ok S., Samuel J., Bahzad D., Safa M.A., Hejazi M.A., Trabzon L. The asphaltenes: state-of-the-art applications and future perspectives in materials science // Energy Fuels. 2024. V. 38, № 12. P. 10421–10444. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.4c00060
  18. Kamkar M., Natale G. A review on novel applications of asphaltenes: A valuable waste // Fuel. 2021. V. 285. ID119272. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.119272
  19. Enayat S., Tran M.K., Salpekar D., Kabbani M.A., Babu G., Ajayan P.M., Vargas F.M. From crude oil production nuisance to promising energy storage material: Development of high-performance asphaltene-derived supercapacitors // Fuel. 2020. V. 263. ID116641. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.116641
  20. Borisova Y.Y., Minzagirova A.M., Galikhanov M.F., Zaripov R.B., Spiridonova R.R., Yakubov M.R., Borisov D.N. Potential of industrial symbiosis of petroleum residues and recycled polyethylene // Petrol. Sci. Technol. 2024. P. 1–18. https://doi.org/10.1080/10916466.2024.2353279
  21. Borisova Y.Y., Minzagirova A.M., Gilmanova A.R., Galikhanov M.F., Borisov D.N., Yakubov M.R. Heavy oil residues: application as a low-cost filler in polymeric materials // Civil Engineering J. 2019. V. 5, № 12. P. 2554–2568. http://doi.org/10.28991/cej-2019-03091432
  22. Pripakhaylo A.V., Tsypakin A.A., Klam A.A., Andreichev A.L., Timerbaev A.R., Shapovalova O.V., Magomedov R.N. Polyacrylonitrile composites blended with asphalt as a low-cost material for producing synthetic fibers: rheology and thermal stability // Materials. 2024. V. 17, № 23. P. 5725. https://doi.org/10.3390/ma17235725
  23. Борисова Ю.Ю., Мусин Л.И., Борисов Д.Н., Якубов М.Р. Экстракционное выделение высококонденсированных полиароматических компонентов из нефтяных асфальтенов // Нефтехимия. 2021. Т. 61, № 3. С. 311–318. https://doi.org/10.31857/S0028242121030023 [Borisova Y.Y., Musin L.I., Borisov D.N., Yakubov M.R. Extraction of highly condensed polyaromatic components from petroleum asphaltenes // Petrol. Chem. 2021. V. 61. P. 424–430. https://doi.org/10.1134/S0965544121050029]
  24. Borisova Y.Y., Tazeeva E.G., Mironov N.A., Borisov D.N., Yakubova S.G., Abilova G.R., Sinyashin K.O., Yakubov M.R. Role of vanadylporphyrins in the flocculation and sedimentation of asphaltenes of heavy oils with high vanadium content // Energy Fuels. 2017. V. 31, № 12. P. 13382–13391. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.7b02544
  25. Кадиев Х.М., Зекель Л.А., Кадиева М.Х., Гюльмалиев А.М., Батов А.Е., Висалиев М.Я., Дандаева А.У., Магамодов Э.Э., Кубрин Н.А. Поведение ванадия и никеля при гидроконверсии гудрона в присутствии суспензий наноразмерных катализаторов // Нефтехимия. 2020. Т. 60, № 5. С. 619–629. https://doi.org/10.31857/S0028242120050135 [Kadiev K.M., Zekel L.A., Kadieva M.K., Gulmaliev A.M., Batov A.E., Visaliev M.Y., Dandaev A.U., Magamadov E.E., Kubrin N.A. Behavior of vanadium and nickel in hydroconversion of vacuum tower bottoms over nanosized slurry catalysts // Petrol. Chem. 2020. V. 60, № 9. P. 1009–1018. https://doi.org/10.1134/S0965544120090133]
  26. Якубов М.Р., Синяшин К.О., Абилова Г.Р., Тазеева Э.Г., Милордов Д.В., Якубова С.Г., Борисов Д.Н., Грязнов П.И., Миронов Н.А., Борисова Ю.Ю. Дифференциация тяжелых нефтей по содержанию ванадия и никеля в асфальтенах и смолах // Нефтехимия. 2017. Т. 57, № 5. С. 525–531. https://doi.org/10.7868/S0028242117050197 [Yakubov M.R., Sinyashin K.O., Abilova G.R., Tazeeva E.G., Milordov D.V., Yakubova S.G., Borisov D.N., Gryaznov P.I., Mironov N.A., Borisova Y.Y. Differentiation of heavy oils according to the vanadium and nickel content in asphaltenes and resins // Petrol. Chem. 2017. V. 57, № 10. P. 849–854. https://doi.org/10.1134/S096554411710019X]
  27. Hernández M.S., Coll D.S., Silva P.J. Temperature dependence of the electron paramagnetic resonance spectrum of asphaltenes from Venezuelan crude oils and their vacuum residues // Energy Fuels. 2019. V. 33, № 2. P. 990–997. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b03951
  28. Мартьянов О.Н., Ларичев Ю.В., Морозов Е.В., Трухан С.Н., Казарян С.Г. Развитие и применение современных методов in situ для исследования стабильности нефтяных систем и физико-химических процессов в них // Успехи химии. 2017. Т. 86, № 11. С. 999–1023. https://doi.org/10.1070/RCR4742
  29. Rueda-Velásquez R.I., Freund H., Qian K., Olmstead W.N., Gray M.R. Characterization of asphaltene building blocks by cracking under favorable hydrogenation conditions // Energy Fuels. 2013. V. 27, № 4. P. 1817–1829. https://doi.org/10.1021/ef301521q
  30. León A.Y., Guzman A., Laverde D., Chaudhari R.V., Subramaniam B., Bravo-Suárez J.J. Thermal cracking and catalytic hydrocracking of a Colombian vacuum residue and its maltenes and asphaltenes fractions in toluene // Energy Fuels. 2017. V. 31, № 4. P. 3868–3877. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.7b00078

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1

Download (509KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2

Download (257KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3

Download (168KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4

Download (136KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».