Автоматизация процесса селективной очистки масел (стр. 4 из 7)
С повышением температуры растворимость компонентов масляных фракций в полярных растворителях увеличивается и при критической температуре растворения (КТР) наступает полное растворение их в данном количестве растворителя. Типичная кривая растворимости для системы масло – растворитель представлена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Зависимость КТР для системы масло – растворитель от содержания растворителя (растворитель - фурфурол)
Образование однофазной системы при температурах выше КТР объяснятся тем, что в этих условиях кинетическая энергия молекул достаточна для преодоления различия в энергиях межмолекулярного притяжения однотипных молекул компонентов, входящих в состав масляной фракции, и взаимного притяжения молекул самого растворителя. При температурах ниже КТР тепловое движение молекул превышает силы притяжения молекул не всех компонентов масляной фракции. В результате чего система разделяется на две жидкие фазы. КТР зависит от структуры углеводородов и природы растворителя.
Растворимость углеводородов масляных фракций в полярных растворителях зависит от дипольного момента молекул растворителя, способности молекул углеводорода поляризоваться под действием электрического поля молекул растворителя, что, в свою очередь связано с внутренним строением углеводородов, и дисперсионных сил, обусловленных наличием углеводородного радикала в молекуле растворителя.
Наибольшим значением средней молекулярной поляризации характеризуются ароматические углеводороды, наименьшим - парафиновые; нафтеновые по способности поляризоваться занимают промежуточное положение. Вследствие этого ароматические углеводороды имеют самые низкие значения КТР в полярных растворителях, а парафиновые – самые высокие.
Помимо химической природы на величину КТР и строение молекул углеводородов. Так, с увеличением числа колец в углеводородах их КТР резко уменьшается, с возрастанием длины алкильных цепей – повышается.
Решающими эксплуатационными свойствами при выборе эффективного растворителя для экстракционных процессов являются растворяющая способность и избирательность.
Под растворяющей способностью понимают абсолютную растворимость компонентов масляных фракций в определенном количестве растворителя; избирательность характеризует способность растворителя растворять вещества только определенной структуры, что позволяет отделять одни компоненты от других и получать продукты, различающиеся по свойствам.
Растворяющую способность оценивают по выходу растворенного компонента сырья при одинаковой кратности растворителя, по значению КТР при одинаковой кратности растворителя и количеством растворителя, необходимом для извлечения одного и того же растворенного компонента сырья.
Об избирательности растворителя можно судить по разности (градиенту) таких показателей, как плотность, индекс вязкости, коэффициент преломления или анилиновая точка.
Применительно к процессам селективной очистки масел пользуются коэффициентом распределения (К), определяемым из соотношения объемных концентраций извлекаемых компонентов в экстракте (С экс) и рафинате (Сраф):
К=
. (1.4)Для характеристики избирательности растворителя для этого же процесса можно пользоваться уравнением А.З. Биккулова:
Избирательность =
(1.5),где Аэкс, Араф, Бэкс, Браф – содержание в экстракте и рафинате соответственно ароматических и парафино-нафтеновых углеводородов.
Растворяющие и избирательные свойства полярных растворителей обусловливаются энергией и соотношением дисперсионных и электростатических ван-дер-ваальсовых сил. Дисперсионное взаимодействие отражает растворяющие свойства растворителей. Электростатическая же составляющая (ориентационная и индукционная) ван-дер-ваальсовых сил предопределяет преимущественно избирательные свойства полярных растворителей.
Ассиметричность структуры предопределяет электростатическую составляющую общих ван-дер-ваальсовых сил взаимодействия молекул растворителя и сырья.
Ассиметричность молекуле растворителя придает не только радикал, но и функциональная группа. Дисперсионная составляющая общих сил взаимодействия определяется строением радикала: алифатическая цепь и симметричность радикала усиливают эту составляющую.
Введение в состав молекулы растворителя метильной или фенильной группы значительно снижает КТР, повышая растворяющую способность растворителя. Карбоксильная и нитрогруппа повышает КТР. Наибольший эффект уменьшения растворяющей способности растворителя дают функциональные группы, образующие водородную связь. Вторая функциональная группа в молекуле растворителя еще заметнее понижает его растворяющую способность. По влиянию на избирательность растворения функциональные группы можно расположить в ряд:
NO2>CN>CHO>COOH>OH>NH2.
Введение в молекулу растворителя гетероатомов и групп атомов (O,N,CO,F,CN) приводит к повышению избирательности растворителя по отношению к углеводородам с донорно-акцепторными свойствами.
Переход от алифатических соединений к циклическим и гетероциклическим аналогам способствует заметному увеличению избирательности растворителя по отношению к ароматическим и непредельным углеводородам; к такому же эффекту приводит изомеризация молекул растворителя вдали от электрофильного центра. Переход от сильноассоциированных растворителей к слабоассоциированным приводит к повышению растворяющей способности.
2.3 Описание технологической схемы установки
2.3.1 Экстракция
Депарафинированный дистиллят прокачивается насосом Н-1 через теплообменник Т-1, где нагревается за счет тепла экстракта до температуры
110 °С и подается на верхнюю тарелку абсорбера К-7, в котором смонтированы 18 тарелок клапанного типа. Температура верха равна 112 °С, давление в абсорбере 0,13 МПа. Водяные пары с верха к-7 конденсируются в АВО-8 и направляются на водоблок.
Под нижнюю тарелку абсорбера подаются пары воды с растворителем из осушительной колонны К-9 с температурой 105-115 °С.
Сырье с абсорбированным растворителем перетекает в буферную емкость Е-2, из которой забирается насосом Н-2 и прокачивается через холодильник Т-2, в котором происходит охлаждение водой, аппарат воздушного охлаждения АВО-6 и направляется под третью тарелку экстракционной колонны К-1 с температурой 60 °С.
N-метилпирролидон из емкости Е-3 насосом Н-12 подается в верхнюю часть колонны с температурой 65 °С.
Экстракционная колонна К-1 предназначена для очистки N-метилпирролидоном масляного сырья от нежелательных компонентов и работает по принципу противотока. В экстракционной колонне смонтированы 6 тарелок (насадки из колец «Рашига»), давление в колонне 0,12 МПа; температура верха (65 °С) и низа (55 °С) колонны поддерживается за счет температуры подаваемых в колонны сырья и растворителя.
При регулировании отбора рафината предусмотрено создание необходимого температурного градиента за счет регулирования температуры низа. Для этого осуществляется циркуляция экстрактного раствора с низа колонны К-1 от насоса Н-3 через АВО-7 под первую нижнюю тарелку К-1.
2.3.2 Регенерация рафинатного раствора
Раствор очищенного депмасла с верха экстракционной колонны К-1 самотеком поступает в промежуточную емкость Е-1, откуда насосом Н-4 прокачивается через теплообменники Т-4 (нагревается за счет конденсации паров N-метилпирролидона из испарительной колонны К-2), Т-3 (нагревается за счет тепла рафината, откачиваемого из К-3 в промежуточный товарный парк) печь П-1, и далее поступает на четвертую тарелку испарительной колонны К-2 с температурой 260-300 °С.
Здесь отгоняется основная масса N-метилпирролидона от раствора очищенного депмасла.
В испарительной колонне К-2 смонтированы 6 желобчатых тарелок. Эта колонна работает под вакуумом с остаточным давлением не менее 0,01 МПа, температура верха равна 220 °С, температура низа 270-280 °С.
Вакуум создается за счет конденсации паров с верха испарительной колонны К-2 в теплообменнике Т-4, циклоне Ц-1 (конденсация за счет смешения с холодным растворителем, подаваемым насосом Н-8 из емкости
Е-3), АВО-1,2 и с температурой 60-90 °С поступают в емкость сухого растворителя Е-3.
С низа испарительной колонны К-2 очищенное депмасло с растворителем перетекает на семнадцатую тарелку отпарной колонны К-3.
В отпарной колонне К-3 смонтированы 20 клапанных тарелок. Температура верха отпарной колонны К-3 – 190 °С, а температура низа – 230-260 °С.
После отгона основного количества растворителя в испарительной колонне К-2 в растворе очищенного депмасла остается небольшое количество N-метилпирролидона, которое удаляется в отпарной колонне К-3 водяным паром. Водяной пар подается в низ колонны в количестве не менее 200 кг/ч. Отпарка в колонне осуществляется под вакуумом с остаточным давлением не менее 0,1 кгс/см2 (76 мм рт. ст.). Вакуум создается в барометрическом конденсаторе А-1, где осуществляется конденсация паров воды и растворителя циркулирующим орошением.
Обводненный растворитель с низа барометрического конденсатора А-1 поступает в барометрическую емкость Е-0, из которой насосом Н-6 забирается и прокачивается через аппарат воздушного охлаждения АВО-5, а затем, охлажденный до 50 °С, снова направляется в барометрический конденсатор А-1.
Балансовое количество обводненного растворителя в барометрической емкости Е-5 насосом Н-6 откачивается в среднюю часть осушительной колонны К-9 и далее выводится из системы через абсорбер К-7.
Очищенное депмасло с низа отпарной колонны К-3 с температурой 230-260 °С откачивается насосом Н-5 через теплообменник Т-3 в товарные резервуары промежуточного парка.