Catalytic Steam Reforming of Heavy Oilstock: Review Paper

Deterioration of the quality of oilstock makes it an urgent problem to use non-traditional hydrocarbon materials (heavy oil, bitumen, residues etc.). Processing of heavy oilstock (HOS) needs new methods that would be effective for the yields of light fractions, suppression of coke formation, and saturation of the liquid products with hydrogen. At the same time, expenses of HOS extraction and transportation are several times as high as those of light and middle oils that makes it necessary to minimize the capital and operational costs for the process. The review paper integrates for the first time the results of the studies of catalytic steam reforming of HOS as a potential alternative of the traditional processes for HOS upgrading based on decreasing the carbon content (thermal cracking, visbreaking, catalytic cracking) or on the saturation of liquid products with hydrogen (hydrocracking). Under discussion are main distinctions of the process from HOS upgrading with water (hydropyrolysis in sub- or supercritical water) as well as specific features of the catalytic steam cracking as dependent on the process parameters and catalysttype and putative mechanisms of the participation of water in the process.

1. BP energy outlook 2016 (summary tables) http://www.bp.com/content/dam/bp/excel/energy-economics/energyoutlook-2016/bp-energy-outlook-2016-summary-tables.xlsx (Accessed 26 December 2017).

2. Alboudwarej H., Felix J., Taylor S. et al. // Oilfield Review (Schlumberger). 2006. Summer. P. 34-53.

3. World Energy Council 2013: World energy resources. A summary https://www.worldenergy.org (Accessed 26 December 2017). Used by permission of the World Energy Council.

4. World Oil Outlook 2015: Organization of the Petroleum Exporting Countries OPEC Secretariat, October 2015. http://www.opec.org/opec_web/static_files_project/media/downloads/

5. publications/WOO%202015.pdf (Accessed 26 December 2017).

6. Sahu R., Song B.J., Im J.S., Jeon Y.-P., Lee C.W. // J. Ind. Eng. Chem. 2015. V. 27. P. 12—24.

7. Hart A. // J. Pet. Explor. Prod. Technol. 2014. V. 4. P. 327—336.

8. Shah A., Fishwick R., Wood J., Leeke G., Rigby S., Greaves M. // Energy Environ. Sci. 2010. V. 3. P. 700—714.

9. Speight J.G. // Heavy Extra-Heavy Oil Upgrad. Technol. 2013. Elsevier, P. 1—13.

10. Castañeda L.C., Muñoz J.A.D., Ancheyta J. // Catal. Today. 2014. V. 220—222. P. 248—273.

11. Sawarkar A.N., Pandit A.B., Samant S.D., Joshi J.B. // Can. J. Chem. Eng. 2007. V. 85. P. 1—24.

12. Максимов Н.М., Солманов П.С., Цветков В.С. и др. // Журнал прикладной химии. 2015. Т. 88. № 4. С. 577—584 [Maximov N.M., Solmanov P.S., Tsvetkov V.S. et al. // Russ. J. Appl. Chem. 2015. V. 88. I. 4, pp. 609—616].

13. Furimsky E. // Ind. Eng. Chem. Res. 2013. V. 52. P. 17695—17713.

14. Pat. Appl. US 20130015100. 2013.

15. Kozhevnikov I.V., Nuzhdin A.L., Martyanov O.N. // J. Supercrit. Fluids. 2010. V. 55. P. 217—222.

16. Li N., Yan B., Xiao X.-M. // Energies. 2015. V. 8. P. 8962—8989.

17. Gai X.K., Arano H., Lu P., Mao J.W., Yoneyama Y., Lu C.X., Yang R.Q., Tsubaki N. // Fuel Process. Technol. 2016. V. 142. P. 315—318.

18. Pat. US 7208181. 2007.

19. Kapadia P.R., Kallos M.S., Gates I.D. // Fuel Process. Technol. 2015. V. 131. P. 270—289.

20. Muraza O., Galadima A. // Fuel. 2015. V. 157. P. 219—231.

21. Chen Y., Wang Y., Wu C., Xia F. // Energy & Fuels. 2008. V. 22. P. 1502—1508.

22. Wu C., Lei G.-L., Yao C., Sun K., Gai P., Cao Y. // J. Fuel Chem. Technol. 2010. V. 38. P. 684—690.

23. Zhao F., Liu Y., Wu Y., Zhao X., Tan L. // Chem. Technol. Fuels Oils. 2012. V. 48. P. 273—282.

24. Chao K., Chen Y., Li J., Zhang X., Dong B. // Fuel Process. Technol. 2012. V. 104. P. 174—180.

25. Golmohammadi M., Ahmadi S.J., Towfighi J. // J. Supercrit. Fluids. 2016. V. 113. P. 136—143.

26. Weingärtner H., Franck E.U. // Angew. Chemie Int. Ed. 2005. V. 44. P. 2672—2692.

27. Arcelus-Arrillaga P., Pinilla J.L., Hellgardt K., Millan M. // Energy & Fuels. 2017. V. 31. P. 4571—4587.

28. Arcelus-Arrillaga P., Hellgardt K., Millan M. // Fuel. 2017. V. 209. P. 434—441.

29. Sato T., Adschiri T., Arai K., Rempel G.L., Ng F.T. // Fuel. 2003. V. 82. P. 1231—1239.

30. Tang X., Wang S., Qian L., Li Y., Lin Z., Xu D., Zhang Y. // Chem. Eng. Res. Des. 2015. V. 100. P. 530—541.

31. Savage P.E. // J. Supercrit. Fluids. 2009. V. 47. P. 407—414.

32. Reina T.R., Yeletsky P., Bermúdez J.M., Arcelus-Arrillaga P., Yakovlev V.A., Millan M. // Fuel. 2016. V. 182. P. 740—748.

33. Maity S.K., Ancheyta J., Marroquín G. // Energy & Fuels. 2010. V. 24. P. 2809—2816.

34. Canıaz R.O., Erkey C. // Chem. Eng. Res. Des. 92 (2014) 1845— 1863.

35. Yan T., Xu J., Wang L., Liu Y., Yang C., Fang T. // RSC Adv. 2015. V. 5. P. 75129—75140.

36. Wang F., Xu Y., Ren J., Li Y. // Chem. Eng. Process. Process Intensif. 2010. V. 49. P. 51—58.

37. Sedighi M., Keyvanloo K., Towfighi J. // Fuel. 2013. V. 109. P. 432—438.

38. Sadrameli S.M. // Fuel. 2016. V. 173. P. 285—297.

39. Wagner W., Kretzschmar H.-J. // International Steam Tables. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg. 2008.

40. Pat. US 1599629. 1926.

41. Pat. US 2028795. 1936.

42. Pat. US 2135132. 1938.

43. Pat. US 2436923. 1948.

44. Duprez D. // Appl. Catal. A Gen. 1992. V. 82. P. 111—157.

45. Al-Zuhair S., Hassan M., Djama M., Khaleel A. // Chem. Eng. Commun. 2017. V. 204. P. 141—148.

46. Cimenler U., Joseph B., Kuhn J.N. // AIChE J. 2017. V. 63. P. 200—207.

47. Pérez Zurita M.J., Bartolini M., Righi T., Vitale G., Pereira Almao P. // Fuel. 2015. V. 154. P. 71—79.

48. Маслянский Г.Н., Рабинович Г.Л., Автономова Н.Х., Брискер К.Л. // Нефтехимия. 1966. Т. 5. № 3. С. 328—334 [Maslyanskii G., Rabinovich G., Avtonomova N., Brisker K. // Pet. Chem. U.S.S.R. 1966. V. 5. Р. 112—119].

49. Маслянский Г.Н., Рабинович Г.Л., Брискер К.Л., Автономова Н.Х. // Нефтехимия. 1966. Т. 6. №. 4. С. 553—557 [Maslyanskii G.N., Rabinovich G.L., Brisker K.L., Avtonomova N.Kh. // Pet. Chem. U.S.S.R. 1966. V. 6. Р. 178—183].

50. Kim C. // J. Catal. 1978. V. 52. P. 169—175.

51. Ferella F., Stoehr J., De Michelis I., Hornung A. // Fuel. 2013. V. 105. P. 614—629.

52. Pinilla J.L., Arcelus-Arrillaga P., Puron H., Millan M. // Appl. Catal. A Gen. 2013. V. 459. P. 17—25.

53. Pinilla J.L., Arcelus-Arrillaga P., Puron H., Millan M. // Fuel. 2013. V. 109. P. 303—308.

54. Рабинович Г.Л., Трейгер Л.М., Маслянский Г.Н. // Нефтехимия. 1973. Т. 13. № 5. С. 659—664 [Rabinovich G.L., Treiger L.M., Maslyanskii G.N. // Pet. Chem. U.S.S.R. 1973. V. 13. Р. 199—205].

55. Wang X., Gorte R.J. // Appl. Catal. A Gen. 2002. V. 224. P. 209— 218.

56. Sanhoob M.A., Muraza O., Shafei E.N., Yokoi T., Choi K.-H. // Appl. Catal. B Environ. 2017. V. 210. P. 432—443.

57. Можайко В.Н., Рабинович Г.Л. Маслянский Г.Н. // Нефтехимия. 1976. Т. 16. № 1. С. 45—50 1976 [Mozhaiko V.N., Rabinovich G.L., Maslyanskii G.N. // Pet. Chem. U.S.S.R. 1976. V. 16. Р. 1—7].

58. Dutta R.P., McCaffrey W.C., Gray M.R., Muehlenbachs K. // Energy & Fuels. 2000. V. 14. P. 671—676.

59. Nhieu P., Liu Q., Gray M.R. // Fuel. 2016. V. 166. P. 152— 156.

60. Ahn H.K., Park S.H., Sattar S., Woo S.I. // Catal. Today. 2016. V. 265. P. 118—123.

61. Мироненко О.О., Соснин Г.А., Елецкий П.М., Гуляева Ю.К., Булавченко О.А., Стонкус О.А., Родина В.О., Яковлев В.А. // Наногетерогенный катализ. 2017. Т. 2. № 1. C. 74—87. [Mironenko O.O., Sosnin G.A., Eletskii P.M., Gulyaeva Y.K., Bulavchenko O.A., Stonkus O.A., Rodina V.O., Yakovlev V.A. // Pet. Chem. 2017. V. 57. Р. 618—629].

62. Елецкий П.М., Мироненко О.О., Соснин Г.А., Булавченко О.А., Стонкус О.А., Яковлев В.А. // Катализ в промышленности. 2016. Т. 16. № 4. С. 42—50. [Eletskii P.M., Mironenko O.O., Sosnin G.A., Bulavchenko O.A., Stonkus O.A., V.A. Yakovlev // Catal. Ind. 2016. V. 8, pp. 328—335].

63. Clark P.D., Kirk M.J. // Energy & Fuels. 1994. V. 8. P. 380—387.

64. Lee H.S., Nguyen-Huy C., Pham T.-T., Shin E.W. // Fuel. 2016. V. 165. P. 462—467.

65. Khadzhiev S.N., Kadiev K.M., Yampolskaya G.P., Kadieva M.K. // Adv. Colloid Interface Sci. 2013. V. 197—198. P. 132—145.

66. Angeles M.J., Leyva C., Ancheyta J., Ramírez S. // Catal. Today. 2014. V. 220—222. P. 274—294.

67. Хаджиев С.Н., Кадиев Х.М., Кадиева М.Х. // Нефтехимия. 2014. Т. 54. № 5. С. 327—351. [Khadzhiev S.N., Kadiev K.M., Kadieva M.K. // Pet. Chem. 2014. V. 54. Р. 323—346].

68. Sharypov V.I., Kuznetsov B.N., Beregovtsova N.G., Baryshnikov S.V., Sidel’nikov V.N. // Fuel. 1996. V. 75. P. 791—794.

69. Пат. РФ 2132356. 1999.

70. Marzin R., Pereira P., McGrath M.J., Feintuch H., Thompson G., Houde E. // Oil Gas J. 1998. V. 96. I. 44. P. 79—86.

71. Pereira-Almao P., Flores C., Zbinden H., Guitian J., Solari R.B., Feintuch H., Gillis D. // Oil Gas J. 2001. V. 99. I. 20. P. 79—85.

72. Pat. US 5688395. 1997.

73. Pat. US 5688741. 1997.

74. Pat. US 5885441. 1999.

75. Fathi M.M., Pereira-Almao P. // Energy & Fuels. 2011. V. 25. P. 4867—4877.

76. Cabrales-Navarro F.A., Pereira-Almao P. // Energy & Fuels. 2017. V. 31. P. 3121—3131.

77. Fumoto E., Tago T., Tsuji T., Masuda T. // Energy & Fuels. 2004. V. 18. P. 1770—1774.

78. Hosseinpour M., Ahmadi S.J., Fatemi S. // J. Supercrit. Fluids. 2015. V. 100. P. 70—78.

79. Machín I., de Jesús J.C., Rivas G., Higuerey I., Córdova J., Pereira P., Ruette F., Sierraalta A. // J. Mol. Catal. A Chem. 2005. V. 227. P. 223—229.

80. Masuda T., Kuwahara H., Mukai S.R., Hashimoto K. // Chem. Eng. Sci. 1999. V. 54. P. 2773—2779.

81. Masuda T., Kondo Y., Miwa M., Shimotori T., Mukai S.R., Hashimoto K., Takano M., Kawasaki S., Yoshida S. // Chem. Eng. Sci. 2001. V. 56. P. 897—904. 81. Fumoto E., Tago T., Masuda T. // Energy & Fuels. 2006. V. 20. P. 1—6.

82. Fumoto E., Matsumura A., Sato S., Takanohashi T. // Energy & Fuels. 2009. V. 23. P. 1338—1341.

83. Funai S., Fumoto E., Tago T., Masuda T. // Chem. Eng. Sci. 2010. V. 65. P. 60—65.

84. Fumoto E., Matsumura A., Sato S., Takanohashi T. // Energy & Fuels. 2009. V. 23. P. 5308—5311.

85. Fumoto E., Sato S., Takanohashi T. // Energy & Fuels. 2011. V. 25. P. 524—527.

86. Fumoto E., Sato S., Takanohashi T. // J. Japan Pet. Inst. 2010. V. 53. P. 260—261.

87. Fumoto E., Sato S., Takanohashi T. // ACS Symp. Ser. 2012. P. 75—85.

88. Fumoto E., Sugimoto Y., Sato S., Takanohashi T. // J. Japan Pet. Inst. 2015. V. 58. P. 329—335.

89. Fumoto E., Sato S., Takanohashi T. // J. Japan Pet. Inst. 2015. V. 58. P. 336—340.

90. Sonoyama N., Nobuta K., Kimura T., Hosokai S., Hayashi J., Tago T., Masuda T. // Fuel Process. Technol. 2011. V. 92. P. 771— 775.

91. Kondoh H., Nakasaka Y., Kitaguchi T., Yoshikawa T., Tago T., Masuda T. // Fuel Process. Technol. 2016. V. 145. P. 96—101.

92. Kondoh H., Hasegawa N., Yoshikawa T., Nakasaka Y., Tago T., Masuda T. // Energy & Fuels. 2016. V. 30. P. 10358—10364.

93. Nguyen-Huy C., Shin E.W. // Fuel. 2016. V. 179. P. 17—24.

94. Zachariah A., Wang L., Yang S., Prasad V., De Klerk A. // Energy and Fuels. 2013. V. 27. P. 3061—3070.

95. Barbier J., Duprez D. // Appl. Catal. B Environ. 1994. V. 4. P. 105— 140.

96. Dejhosseini M., Aida T., Watanabe M., Takami S., Hojo D., Aoki N., Arita T., Kishita A., Adschiri T. // Energy & Fuels. 2013. V. 27. P. 4624—4631.

97. Murota T., Hasegawa T., Aozasa S., Matsui H., Motoyama M. // J. Alloys Compd. 1993. V. 193. P. 298—299.

98. Nguyen-Huy C., Shin E.W. // Fuel. 2016. V. 169. P. 1—6.

99. Nguyen-Huy C., Shin E.W. // Fuel. 2017. V. 192. P. 149—157.

100. Do L.T., Nguyen-Huy C., Shin E.W. // Appl. Catal. A Gen. 2016. V. 525. P. 23—30.

101. Kondoh H., Tanaka K., Nakasaka Y., Tago T., Masuda T. // Fuel. 2016. V. 167. P. 288—294.

102. Khalil U., Muraza O., Kondoh H., Watanabe G., Nakasaka Y., Al-Amer A., Masuda T. // Energy & Fuels. 2016. V. 30. P. 1304—1309.

103. Pae Y.I., Lee S.H., Sohn J.R. // Catal Letters. 2005. V. 99. P. 241—248.

104. Cerqueira H.S., Caeiro G., Costa L., Ramôa Ribeiro F. // J. Mol. Catal. A Chem. 2008. V. 292. P. 1—13.

105. Muraza O. // J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2015. V. 114. P. 1—10.