Очистки масел избирательными растворителями (3 часа)

Экстракцией называется процесс разделения смеси компонентов при помощи растворителя избирательно растворяющего только извлекаемые компоненты. При экстракции тех или иных компонентов из твердого вещества, путем обработки его растворителем, образуется система твердое тело – жидкость.

В нефтепереработке распространен в основном процесс экстракции в системе жидкость — жидкость, который будет рассмотрен ниже.

Процесс экстракции масляных дистиллятов избирательными растворителями основан на способности растворителя избирательно растворять различные компоненты масел. Растворимость компонентов смазочных масел в избирательных растворителях зависит от свойств последних, отношения объема растворителя к объему масла и температуры, при которой ведется процесс.

При комнатной температуре небольшие количества избирательных растворителей полностью растворяются в смазочном масле. С увеличением количества растворителя при определенном объемном соотношении образуются две жидкие фазы. Верхняя фаза представляет собой масло с небольшой примесью растворителя, а нижняя — раствор нежелательных компонентов масла в избирательном растворителе. Верхняя жидкая фаза называется рафинатным раствором, а нижняя — экстрактным раствором.

При больших соотношениях объемов избирательного растворителя и масла объем экстрактного раствора возрастает; по достижении определенного соотношения масло полностью растворяется в избирательном растворителе и система из двух жидких фаз превращается в однофазную.

С повышением температуры системы, состоящей из рафинатного и экстрактного растворов, объем последнего возрастает за счет уменьшения объема рафинатного раствора, и по достижении определенной температуры масло полностью смешивается с избирательным растворителем. Температура, при которой происходит такое смешение, называется критической температурой растворения. Критические температуры растворения зависят от углеводородного состава смазочного масла, соотношения объемов масла и избирательного растворителя и свойств последнего.

На нефтеперерабатывающих заводах в качестве избирательных растворителей для очистки дистиллятов смазочных масел применяются фурфурол, фенол, крезол, нитробензол и хлорекс.

Избирательную очистку масляного дистиллята при помощи растворителя можно вести в основном тремя способами: однократным прямоточным, многократным прямоточным и противоточным. При однократном прямоточном способе масляный дистиллят приводится в тесный контакт со всем количеством избирательного растворителя; при этом образуются две фазы — экстрактная и рафинатная, между которыми распределяется извлекаемое вещество по закону равновесного распределения. Этот закон гласит, что отношение объемных концентраций извлекаемого вещества в двух образовавшихся фазах при данной температуре есть величина постоянная и не зависящая от количества этого вещества.

Обозначая объемные концентрации извлекаемого вещества в ра-финатной фазе через c_l в экстрактной фазе — через с₂, получим следующее математическое выражение закона равновесного распределения извлекаемого вещества:

(4.1)

где k — коэффициент распределения.

Этот закон справедлив для процесса экстрагирования, когда растворитель и масло взаимно не растворимы или мало растворимы. Обычно такое допущение принимают при расчетах экстракции нефтяного сырья.

При многократном прямоточном способе экстрагирования растворитель смешивают с масляным дистиллятом в несколько приемов, отделяя в каждой ступени экстрактный раствор. С увеличением числа ступеней подачи отдельных порций растворителя (при одном и том же расходе) эффективность избирательной очистки повышается, в результате чего увеличивается выход и улучшается качество рафината. При противоточном способе экстрагирования происходит массообмен извлекаемого вещества между двумя встречными потоками — растворителя и масляного дистиллята, в результате чего постепенно нежелательные компоненты переходят в экстрактный раствор. Противоток избирательного растворителя и масляного дистиллята осуществляется или в аппаратах ступенчатой экстракции, состоящих из ряда смесителей и отстойников (рис. 4.1), или в экстракционных колоннах (рис. 4.2).

Диаметр экстракционной колонны D определяется по формуле, аналогично формуле (4.1)

м (4.2)

где G_c - производительность установки по сырью в кг/ч;

ρ_c -плотность сырья при температуре экстрагирования в кг/м³;

G_р — количество избирательного растворителя, вводимого в экстракционную колонну, в кг/ч;

ρ_р — плотность избирательного растворителя в кг/м³;

V — скорость потока смеси в экстракционной колонне в м³/м² • ч.

Часовое количество избирательного растворителя, в экстракционную колонну, определяется формулой

Gp = nG_c, (4.3)

где п — соотношение количеств избирательного растворителя и сырья, определяемое экспериментальным путем (п =1,8÷3,5).

Рисунок 4.1. Принципиальная схема четырехступенчатого противоточного процесса экстракции.

1, 2, 3и 4 — экстракторы, 5, 6, 7и 8 —смесители.

Линии: / — масляный дистиллят, II — избирательный растворитель;

III — рафинатный раствор; IV — экстрактный раствор.

Скорость потока смеси в экстракционной колонне при очистке масляного дистиллята фурфуролом колеблется в пределах 6,5 — 13 m³/m² • ч,а при очистке фенолом 10 — 12 м³/м²• ч.

Высота экстракционной колонны Н для фурфурольной очистки определяется формулой

H=h₁+h₂+h₃+h₄ м (4.4)

где h₁ – расстояние между верхней тарелкой и днищем колонны (высота отстойной части для рафинатного раствора) в м;

h₂ – расстояние между верхней и нижней тарелками в м; h₂=(п-1) h (здесь

п - число тарелок; h – расстояние между тарелками в м);

h₄ – высота опорной обечайки в м.

Рисунок 4.2. Экстракционная колонна.

I — масляный дистиллят; II — избирательный растворитель;

III — рафинатный раствор; IV — экстрактный раствор.

Высота отстойной части колонны для рафинатного раствора определяется формулой

(4.5)

где V _p_._p — количество рафинатного раствора в м³/ч;

— время отстоя рафинатного раствора в отстойной части колонны;

= 1,2 ч÷1,5ч;

F — площадь поперечного сечения колонны в м².

Высота отстойной части колонны для экстрактного раствора

(4.6)

где V_э.р — количество экстрактного раствора в м³/ч;

τ₂ — время отстоя экстрактного раствора в отстойной части колонны;

τ₂= 0,5÷1,0 ч;

F — площадь поперечного сечения колонны в м².

Часовые количества рафинатного и экстрактного растворов опре-деляются формулами:

(4.7)

(4.8)

где G_раф — часовое количество рафинaта в кг/ч;

ρ_раф — плотность рафината при температуре на верху колонны в кг/м³;

х —весовая концентрация рафината в рафинатном растворе;

G — количество экстракта в кг/ч;

ρ₃ — плотность экстракта при. температуре в низу колонны в кг/м³;

— плотность избирательного растворителя при температуре на верху колонны в кг/м³;

— плотность избирательного растворителя при температуре в низу колонны в кг/м³.

Пример 4.1. Определить высоту и диаметр экстракционной колонны установки избирательной очистки дистиллята автола 10 фурфуролом производи-тельностью 1000 т/сутки. Температура на верху колонны 85° С, в низу колонны 55° С, соотношение количеств фурфурола и масляного дистиллята 2:1, плотность дистиллята = 925 кг/м³, выход рафината 75 % на исходное сырье. Плотность рафината = 905 кг/м³. Весовая концентрация рафината в рафинатном растворе 0,84, плотность экстракте = 983 кг/м³.

Решение. Производительность установки по сырью

кг/ч

Средняя температура потока в экстракционной колонне

˚С

Плотность дистиллята автола 10 и фурфурола при 70° С соответствен- но

кг/м³ кг/м³

Количество фурфурола, подаваемого в экстракционную колонну, по формуле (4.3)

G_p=nG_c= 2·41700=83400 кг/ч

Диаметр экстракционной колонны по формуле (4.2)

D =2 м

Количества рафината и экстракта соответственно равны:

G_раф = 0,75 • 41 700 = 31 400 кг/ч; G_э = 41 700 — 31 400 = 10 300 кг/ч.

Плотности рафината при 85° С, экстракта при 55° С и фурфурола при 55 и 85° С соответственно равны:

= 870 кг/м,³; = 967 кг/л³; = 1090 кг/м³; = 1030 кг/м³.

Количества рафинатного и экстрактного растворов подсчитаем по формулам (4.7) и (4.8):

м³/ч

Высота отстойной части колонны для рафинатного раствора определяем по формуле (4.5):

м,

а высоту отстойной части колонны для экстрактного раствора по формуле (4.6)

≈5 м

В экстракционной колонне шесть насадочных тарелок, расстояние между ними 2,1 м, высоту опорной обечайки принимаем 1,2 м, тогда общая высота колонны по формуле (4.4)

Н = 4 + (6 - 1) 2,1 + 5 + 1,2 = 20,7 м ≈ 21 м

Пример 4.2. Определить диаметр и высоту экстракционной колонны установки избирательной очистки деасфальтизата фенолом производительностью 800 т/суткисырья. Температура верха колонны 110° С, низа колонны 60° С, соотношение количеств фенола и деасфальтизата, равно 3,5: 1, плотность сырья (деасфальтизата) ρ = 920 кг/м³, выход рафината 75% на исходное сырье, плотность рафината ρ = 902 кг/м³, весовая концентрация рафината в рафинатном растворе 0,80.