Работа 1. селективная очистка масляных дистиллятов и деасфальтизатов избирательными растворителями

Работа 1. СЕЛЕКТИВНАЯ ОЧИСТКА МАСЛЯНЫХ ДИСТИЛЛЯТОВ И ДЕАСФАЛЬТИЗАТОВ ИЗБИРАТЕЛЬНЫМИ РАСТВОРИТЕЛЯМИ

При селективной очистке из сырья удаляются нежелательные компоненты, отрицательно влияющие на эксплуатационные свойства товарных нефтепродуктов. К ним относятся полициклические ароматические и нафтено-ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями, серо-, кислород- и азотсодержащие соединения и смолистые вещества. При очистке улучшаются вязкостно-температурные и антиокислительные свойства масел, а также приемистость к присадкам.

Глубина селективной очистки и четкость разделения на желательные и нежелательные компоненты зависят от избирательной и растворяющей способности растворителя, его кратности к сырью и температуры очистки. Условия очистки выбирают в соответствии с требованиями к получаемому продукту и качеством очищаемого сырья (групповым химическим составом и молекулярной массой).

Растворители должны удовлетворять следующим требованиям:

- обладать высокими избирательностью и растворяющей способностью по отношению к извлекаемым компонентам сырья при умеренных температурах, способствующих интенсивному контакту сырья с растворителем;

- плохо растворяться в смеси желательных компонентов;

- иметь плотность, отличающуюся от плотности сырья, для быстрого и четкого разделения фаз;

- иметь температуру кипения, отличающейся от температуры кипения сырья;

- быть химически и термически стабильными;

- плохо растворяться в воде и растворять воду;

- не вызывать коррозии металлов.

Поскольку непременным условием селективной очистки является наличие двухфазной системы — легкой фазы (рафинатного раствора) и тяжелой фазы (экстрактного раствора), то верхний температурный предел очистки определяется критической температурой растворения (КТР), выше которой при любом соотношении растворителя и растворяемого продукта образуется однофазная система. Критическую температуру растворения определяют примерно так же, как и анилиновую точку нефтепродуктов, но при соотношениях растворителя и сырья, соответствующих условиям очистки данным растворителем. Температуру очистки выбирают исходя из критической температуры растворения: она должна быть на 10-15 °С ниже КТР при выбранной кратности растворителя к сырью.

Процесс селективной очистки наиболее широко применяется в производстве масел, где основными растворителями являются фенол, фурфурол и N-метилпирролидон (N-МП). Характеристика растворителей приведена в табл.1.

Таблица 1

Физико-химические свойства N - МП, фенола и фурфурола

Показатели	N – МП	Фенол	Фурфурол
Вязкость при 50 ^оС, мм²/ с	1,01	3,24	1,15
Плотность при 20 ^оС, кг/м³
Температура, ^оС:
кипения
плавления	-24,2	+41,1	-38,6
вспышки в закрытом тигле
Молекулярная масса
Термическая стабильность	Хорошая	Очень хорошая	Умеренная
Температура кипения азеотропной смеси растворителя с водой, ^оС	Не образует	98,0	97,8
Содержание растворителя в азеотропной смеси, % мас.	Не образует	9,1
Коррозионная агрессивность	Умеренная	Умеренная	Средняя
Предельно-допустимая концентрация в воздухе, мг/м³		0,3	5,0

В заводских условиях селективную очистку проводят в аппаратах непрерывного действия (колоннах, смесителях, центробежных экстракторах). При исследовательских работах и в лабораторном практикуме очистку проводят как в экстракторах периодического действия, так и на установке непрерывного действия в противоточных экстракционных колоннах.

Аппаратура и реагенты

Процесс селективной очистки масляного сырья проводят с использованием следующего лабораторного оборудования и реагентов:

1. Экстрактор периодического действия.

2. Мерник для растворителя.

3. Приемники для рафинатного и экстрактного растворов.

4. Колбы Вюрца (вместимостью 0,25-1,0л) с тубусами для термометра и капилляра (для подачи инертного газа) .

5. Холодильник Либиха.

6. Приемник для сбора регенерированного растворителя.

7. Колбонагреватель.

8. Вакуумный насос.

9. Селективный растворитель – фурфурол , N – МП, фенол.

10. Термостат.

11. Электромотор.

12. Инертный газ (используется при отгоне растворителя).

Порядок выполнения работы

Перед проведением опыта необходимо выбрать условия экстракции. При выборе кратности растворителя к сырью используют литературные данные или рекомендации преподавателя. Обычно при очистке дистиллятного сырья массовая кратность растворителя к сырью составляет 1,2÷2,5:1, при очистке остаточного сырья 3÷4:1. Температура очистки устанавливается с учетом критической температуры растворения (КТР) сырья и растворителя при выбранном их соотношении. Температура экстракции должна быть на 10-20^оС ниже КТР для образования двух фаз: рафинатного и экстрактного растворов. Время контакта сырья с растворителем и время отстоя выбирают исходя из качества данного сырья (время контакта – 20-30 мин., время отстоя – 15-30 мин).

Взвешенное на технических весах сырье (100-150г) и необходимое количество по массе растворителя (для удобства пересчитывают массу растворителя на объемное) загружают в экстрактор, после чего включают обогрев и мешалку. Постепенно нагревают воду или масло в термостате до требуемой температуры (на 5-8°С выше температуры экстракции) при непрерывной их циркуляции через рубашку и продолжают перемешивание в течение выбранного времени контакта. По истечении времени контакта перемешивание прекращают и происходит отстаивание смеси в течение выбранного времени. При температуре экстракции сливают через нижний сливной кран экстрактный, а затем и рафинатный растворы в отдельные взвешенные колбы. Определяют массу растворов, отгоняют от них растворитель и определяют массу рафината и экстракта, а также отогнанного растворителя (для этого колбы для отгона растворителя и приемники для отогнанного растворителя предварительно взвешивают). Растворитель от рафинатного и экстрактного растворов отгоняют в токе инертного газа (во избежании местного перегрева продукта) при атмосферном давлении и температурах 170 ^оС (в случае использования фурфурола) и 210 ^оС (в случае использования N-МП). Остатки растворителя отгоняют под вакуумом. После регенерации растворителя рафинат и экстракт охлаждают, взвешивают и составляют материальные балансы процесса очистки по сырью и по растворам (табл. 2, 3). Сырье, рафинат и экстракт анализируют, определяя плотность, показатель преломления (для сырья и рафината), вязкость при 40 и 100°С, температуру застывания (табл. 4).

Контрольные вопросы

1. Назначение процесса селективной очистки масляных фракций.

2. Физико – химические основы процесса селективной очистки.

3. Характеристика избирательных растворителей, применяемых при селективной очистке масляного сырья.

4. Понятия об избирательной и растворяющей способности селективных растворителей.

5. Критическая температура растворения (КТР). Определение. Связь этого показателя с химическим составом сырья.

6. Распределение потоков сырья и растворителя по высоте экстракционной колонны. Понятие о градиенте экстракции.

7. Влияние температуры верха и низа колонны на выход и качество рафината.

8. Состав рафинатного и экстрактного растворов.

9. Продукты, получаемые в процессе селективной очистки масляного сырья и их характеристика.

10. Материальный баланс процесса.

11. Изменения выхода и качества рафината в зависимости от кратности растворителя и температуры процесса.

12. Сравнительная оценка качества сырья и продуктов, полученных в процессе селективной очистки.

Аппаратура и реагенты

Процесс депарафинизации проводят с испольэованием следующего лабораторного оборудования и реагентов:

1. Коническая колба вместимостью 0,5 ÷ 1,0 л для охлаждения раствора сырья в растворителе.

2. Металлическая баня, обтянутая войлоком, для охлаждения колбы с раствором сырья в растворителе и растворителя для промывки.

3. Фарфоровая воронка Бюхнера, вставленная в металлический обтянутый войлоком кожух, куда наливается охлаждающая смесь (денатурат, спирт и т.п.), и предназначена для охлаждения и поддержания необходимой температуры фильтрации.

4. Приемник фильтрата вместимостью не менее 0,5 ÷ 1,0л (колба Бунзена или цилиндрический стеклянный градуированный приемник).

5. Термометры с ценой деления 1 ^оС до минус 35 ^оС или минус 60 ^оС.

6. Колбы Вюрца (вместимостью 0,25 ÷ 1,0 л.) с тубусами для термометра и капилляра (для подачи инертного газа).

7. Холодильник Либиха.

8. Приемник для сбора регенерированного растворителя.

9. Колбонагреватель.

10. Вакуумный насос.

11. Вакууметр.

12. Технические весы.

13. Растворители: метилэтилкетон (ацетон), толуол.

14. Охлаждающая смесь: денатурат (спирт) и жидкий азот.

15. Бумажные фильтры.

Порядок выполнения работы

1. Перед началом депарафинизации приготовляют растворитель смешением 40 объемных долей МЭК и 60 объемных долей толуола или 30 объемных долей ацетона и 70 объемных долей толуола.

2. Подготавливают к работе баню (кристаллизатор) для охлаждения смеси и аппарат для фильтрования суспензии. Для этого в баню-кристаллизатор и баню фильтра заливают денатурат, устанавливают термометры, на воронку Бюхнера помещают бумажный фильтр.

3. Сырье разогревают до полного расплавления. В коническую колбу отвешивают навеску сырья в количестве 50-100 г. (± 0,1 г.) и приливают необходимое количество растворителя в соответствии с выбранной кратностью. Разбавление сырья – одноразовое или порционное (в зависимости от задания). Затем проводят термическую обработку при 50-60 ^оС в течение 10 мин. Условиями проведения опыта задаются.

Охлаждение раствора ведется при постоянном перемешивании сначала на воздухе до 30 ^оС, затем водой до 15 ^оС и после этого колбу помещают в баню-кристаллизатор с охлаждающей смесью, соблюдая скорость охлаждения суспензии – 2,0 ^оС в минуту. В эту же баню ставят колбу с растворителем для промывки.

4. Одновременно с охлаждением суспензии ведется охлаждение фильтра, помещенного в металлический кожух. Температура в бане должна быть на 4-5 ^оС ниже заданной температуры охлаждения сырья.

5. Прежде чем приступить к фильтрованию, со стенок фильтра гигроскопической ватой удаляют образовавшиеся при охлаждении капли росы, после чего включают вакуум-насос, в приемнике фильтрата создают вакуум 86-75 кПа (600-560 мм рт. ст.) и смачивают фильтр растворителем так, чтобы его присосало к поверхности фильтра. После этого охлажденную до заданной температуры смесь сырья и растворителя переносят на фильтр и фильтруют до появления сухой лепешки твердых углеводородов. Затем лепешку промывают охлажденным до температуры фильтрации растворителем в количестве 100% мас. на сырье и вновь фильтруют. Полное время фильтрации складывается из времени фильтрации суспензии, времени промывки и времени подсушки лепешки.

Одним из основных показателей процесса депарафинизации является скорость охлаждения раствора (град/ч) и скорость фильтрования (м³/м²*ч). Эти показатели определяют следующим образом: скорость охлаждения – по показаниям термометра, вставленного в охлаждаемую смесь и секундомера, включенного одновременно с охлаждением; скорость фильтрования – фиксируя время, в течение которого в приемник поступает определенное количество фильтрата (25, 50, 100 мл), и зная поверхность фильтра. Толщина лепешки на фильтре должна быть не более 10-12мм.

6. Лепешка с фильтра и фильтрат количественно переносят в колбы, взвешивают и отгоняют растворитель. Растворитель из растворов депарафинированного масла и гача (петролатума) отгоняется в токе инертного газа (во избежании местного перегрева продукта) при температуре не выше 120⁰С. Остатки растворителя отгоняются под вакуумом.

7.После отгона растворителя колбы охлаждают и взвешивают. Составляют материальные балансы процесса депарафинизации по формам табл.2 и 3.

Сырье, депарафинированное масло, гач (петролатум) анализируют, определяя вязкость при 40⁰С и 100⁰С, плотность, температуру застывания, показатель преломления, температуру плавления гача (петролатума) табл.4.

Оформление отчета

Отчет должен содержать описание работы, условия проведения процесса:

- депарафинируемое сырье и его количество;

- состав растворителя и его количество:

а) на разбавление, % мас. на сырье,

б) на промывку, % мас. на сырье;

- температура термообработки, ⁰С;

- температура конечного охлаждения смеси сырья и растворителя, ⁰С;

- материальные балансы по сырью и растворам;

- качество сырья и полученных продуктов;

- выводы.

Контрольные вопросы