Выбор и обоснование нефти для производства масел

Один из серьезных недостатков МП - относительно невысокая термическая стабильность. При температурах выше 320°С МП разлагается в отсутствие кислорода с образованием смолистых продуктов. Его осмоление начинается при 200°С. При этом МП приобретает коричневый оттенок, что, однако, не влияет на процесс экстракции. После регенерации при температурах до 300°С МП становится бесцветным.

Таким образом, наиболее перспективным растворителем, используемым в процессе селективной очистки, является N-метилпирролидон, который, обладая рядом неоспоримых достоинств по сравнению с другими растворителями, позволяет значительно повысить экологическую безопасность установок селективной очистки.

 

5 ОПИСАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЦЕССА

 

5.1 Особенности  технологической схемы установки селективной очистки N-метилпирролидоном

 

В данном курсовом проекте к расчёту принимается установка селективной очистки N-метилпирролидоном вакуумного дистиллята 420 – 500ºС. Технологическая схема этой установки приведена в приложении Б.

Установка состоит из следующих блоков:

• блок деаэрации сырья;
• блок экстракции;
• блок регенерации растворителя из рафинатного раствора;
• блок регенерации растворителя из экстрактного раствора;
• блок осушки влажного растворителя.

Сырьё (фракция 420 – 500ºС западно-сургутской нефти) подаётся на установку насосом Н-1 через теплообменник Т-1. Для уменьшения окисления N-метилпирролидона оно подвергается деаэрации в вакууме (9,97 кПа) в присутствии водяного пара в колонне К-1 (деаэраторе). Воздух и пары воды отсасываются с помощью вакуум-создающей системы. Забираемое с низа деаэратора насосом Н-2 сырьё охлаждается в теплообменнике Т-2, холодильнике Т-3 и поступает в нижнюю часть роторно-дискового контактора К-2. В верхнюю часть К-2 насосом подаётся сухой N-метилпирролидон, который предварительно охлаждается в теплообменнике Т-1 и холодильнике Т-4.

Для создания необходимого температурного градиента в контакторе, а также для повышения чёткости разделения и увеличения выхода рафината предусматривается циркуляция экстрактного раствора через водяной холодильник Т-5 и возврат рециркулята в нижнюю часть аппарата. Рафинатный раствор с верха контактора отводится в приёмник Е-2, а экстрактный раствор насосом Н-5 направляется в секцию регенерации растворителя.

N-метилпирролидон регенерируется из раствора рафината в две ступени. Раствор рафината, отводимый из приёмника Е-2 подаётся насосом Н-3 через теплообменник Т-6 и змеевики трубчатой печи П-1 в колонну К-3, работающую под остаточным давлением 26,6 кПа. В этой колонне регенерируется основная часть N-метилпирролидона. Температура нагрева в печи П-1 не должна превышать 290ºС, так как N-метилпирролидон обладает низкой термической стабильностью. Пары сухого растворителя из колонны К-3 поступают в холодильник Т-12; отсюда N-метилпирролидон стекает в вакуум-приёмник Е-3, из которого растворитель в качестве орошения подаётся насосом (на технологической схеме не показан) в колонны К-3, К-5, К-6, К-7 и К-8. Избыток N-метилпирролидона направляется в колонну К-10.

Раствор рафината с низа колонны К-3 перетекает в отпарную колонну К-4, где оставшийся N-метилпирролидон удаляется с помощью острого водяного пара, подаваемого в нижнюю часть колонны. Эта колонна также работает под остаточным давлением 26,6 кПа. Пары N-метилпирролидона и воды с верха колонны К-4 поступают в холодильник Т-13; конденсат собирается в вакуум-приёмнике Е-4. Рафинат с низа колонны К-4 насосом Н-6 через теплообменник Т-6 и холодильник Т-7 выводится с установки в резервуар.

N-метилпирролидон из раствора экстракта регенерируется в пять ступеней. Раствор экстракта из Е-1 подаётся через теплообменники Т-2, Т-8 и Т-9 в испарительную колонну К-5. С низа этой колонны экстрактный раствор подаётся насосом Н-7 в испарительную колонну К-6 через теплообменник Т-10. Пары растворителя, выходящие с верха К-5 и К-6 поступают в теплообменники Т-8 и Т-9 соответственно, где они отдают своё тепло экстрактному раствору, являющемуся сырьём колонны К-5. Из куба К-6 раствор экстракта подаётся насосом Н-8 через змеевики трубчатой печи П-2 (нагрев до 270ºС) в эвапоратор высокого давления К-7, избыточное давление в котором составляет 0,2 МПа. Пары N-метилпирролидона с верха К-7 конденсируются в теплообменнике Т-10; конденсат смешивается с растворителем из Т-8, Т-9 и Е-3 и поступает в колонну осушки N-метилпирролидона К-10.

Экстрактный раствор из эвапоратора К-7, содержащий 10-15% масс. N-метилпирролидона, поступает самотёком в вакуумную испарительную колонну К-8, где растворитель испаряется за счёт перепада давления. Пары сухого N-метилпирролидона с верха аппарата К-8 вместе с парами сухого N-метилпирролидона из испарительной колонны К-3 конденсируются, и конденсат стекает в вакуум-приёмник Е-3.

Оставшийся экстрактный раствор перетекает в отпарную колонну К-9, где под вакуумом и с помощью острого водяного пара происходит окончательное отпаривание N-метилпирролидона. Пары растворителя и воды, выходящие с верха колонны К-9, направляются в систему влажных паров, отводимых из колонны К-4; смесь конденсируется, и охлаждённый конденсат собирается в вакуум-приёмнике Е-4. Экстракт с низа колонны К-9 насосом Н-9 через холодильник Т-11 направляется в резервуар.

Сконденсированные пары растворителя из теплообменников Т-8, Т-9, Т-10, вакуум-приёмника Е-3, а также влажный N-метилпирролидон из вакуум-приёмника Е-4 направляются в осушительную колонну растворителя К-10, в куб которой подаётся острый перегретый водяной пар. Осушенный N-метилпирролидон с низа К-10 отдаёт своё тепло сырью установки в теплообменнике Т-1, охлаждается в холодильнике Т-4 и поступает в верхнюю часть роторно-дискового контактора К-2. Пары воды с верха колонны К-10 поступают в деаэратор К-1.

Использование N-метилпирролидона в качестве растворителя селективной очистки масляных фракций позволяет нам применять роторно-дисковые контакторы, которые имеют ряд преимуществ перед экстракционными колоннами:

1. роторно-дисковый контактор имеет большую пропускную способность, суммарные объёмные скорости растворителя и сырья в нём значительно выше, чем в экстракционных колоннах;
2. применение роторно-дискового контактора повышает эффективность очистки масляных фракций: снижается расход растворителя, возрастает выход рафината, улучшается его качество;
3. при равной пропускной способности размеры роторно-дискового контактора меньше, чем экстракционной колонны.

РДК представляет собой механический экстрактор. На рис.2 изображен роторно-дисковый контактор а) и один из вариантов его секции б):

 

В этом экстракторе на равном расстоянии друг от друга укреплены неподвижные кольцевые перегородки 2 (статор), делящие колонну на ряд секций небольшого объема. По оси колонны 1 на валу 3 располагаются гладкие горизонтальные диски (ротор). Диаметр дисков ротора несколько меньше диаметра отверстий колец статора.

При вращении вала с дисками под действием сил трения и центробежных сил возникает движение сплошной фазы к стенкам аппарата, достигнув которых, жидкость движется вверх и вниз вдоль стенки и отражается кольцами статора. На это движение жидкости накладывается осевое. Диспергируемая распределителем 5 легкая фаза (экстрагент) движется противотоком к сплошной.

В результате в каждой секции возникают тороидальные замкнутые потоки сплошной фазы, приводящие к интенсивному перемешиванию фаз. При этом дисперсная фаза многократно дробится дисками при столкновении со стенками и под действием турбулентных пульсаций. Дробление на капли сопровождается их коалесценцией при взаимных столкновениях, что способствует повышению интенсивности процесса массопередачи. После перемешивания при обтекании кольцевых перегородок, ограничивающих секции колонны, фазы частично разделяются вследствие разности плотностей. В отстойных зонах 4 и 6 фазы разделяются и затем выходят из аппарата.

Для фенольной очистки роторно-дисковый контактор не применяют из-за высокой вязкости фенольных растворов.

Таким образом, в основе описанной технологической схемы лежит принципиальная схема селективной очистки масел N-метилпирролидоном, разработанная фирмой Texaco [10]. Важнейшей особенностью этой схемы является максимальная утилизация тепла материальных потоков.

 

 

5.2 Влияние основных технологических факторов на выход и качество продуктов экстракции масляного сырья растворителями

 

5.2.1 Влияние физико-химических свойств растворителя

 

Используемый растворитель оказывает влияние на эффективность процесса селективной очистки масляного сырья: на выход и качество получаемых продуктов. Выбор растворителя и его характеристики рассмотрены в п.4.

 

5.2.2 Влияние температуры

 

При очистке нефтяного сырья избирательными растворителями необходимо поддерживать такую температуру экстракции, при которой состоит из двух фаз – рафинатного раствора, содержащего очищенный продукт (рафинат) и сравнительно небольшую часть растворителя, и экстрактного раствора, состоящего в основном из растворителя и растворённых в нём нежелательных компонентов (экстракта). Это условие выполнимо при температурах очистки ниже КТР данного сырья в данном растворителе; таким образом, верхним температурным пределом очистки является КТР сырья в данном растворителе. Для масляных дистиллятов одной и той же нефти было установлено следующее: чем больше в данном дистилляте ароматических углеводородов, тем ниже его КТР; чем выше пределы выкипания дистиллята из одной и той же нефти, тем выше его КТР; рафинат имеет более высокую КТР, чем исходный дистиллят, и чем глубже очищен последний, тем больше разница между КТР рафината и сырья [12].

Низкокипящие дистилляты, особенно вторичного происхождения (например, фракции газойля каталитического крекинга), могут иметь такую низкую КТР в данном растворителе, что смесь необходимо охлаждать для образования двухфазной системы или понижать растворяющую способность растворителя добавлением к нему антирастворителя, чтобы повысить КТР смеси. Очистку нефтяного сырья необходимо проводить при оптимальной температуре (или интервале температур), когда достигаются лучшие показатели  по избирательности и растворяющей способности растворителя, т.е. достаточно высокий выход рафината заданных качеств. Эта температура различна для разных растворителей и очищаемого сырья и до настоящего времени определяется в каждом конкретном случае экспериментально [12].

На рисунках 3 - 4 показано изменение выхода и индекса вязкости рафината в зависимости от температуры его очистки при кратности растворителя к сырью, равной 3:1. По ходу кривых видно, что с повышением температуры очистки выход рафината неуклонно понижается, его индекс вязкости вначале повышается, а затем также падает. Максимум индекса вязкости определяет оптимальная температура очистки, выше которой наряду со значительным возрастанием растворяющей способности растворителя резко снижается его избирательность в отношении нежелательных компонентов очищаемого сырья, что приводит к ухудшению качества очищенного продукта.

Рисунок 3 - Зависимость индекса вязкости от температуры

 

Рисунок 4- Зависимость выхода масла от температуры

 

5.2.3 Влияние кратности растворителя к сырью

 

Выход и качество рафината зависят также от кратности растворителя к сырью. Для одного и того же вида сырья и при неизменной температуре очистки с увеличением кратности растворителя к сырью снижается выход рафината и повышается его качество, что видно из данных таблицы 5.1 [12].

 

Таблица 5.1 - Зависимость выхода и качества рафината от кратности растворителя к сырью.

Наименование	Выход рафината, % масс.	Индекс вязкости	Коксуемость, % масс.
1	2	3	4
Масляный дистиллят	100	65	2.9
Рафинат при различном расходе растворителя, % об.
Фурфурол (при 93°С) 300 600 1200	75.2 62.6 47.1	84.7 88.6 93.2	1.1 0.9 0.7
Фенола (при 65°С) 300 600 1200	66.3 50.0 34.0	87.5 92.7 97.5	1.0 0.8 0.6

 

Расход растворителя на очистку обусловлен его свойствами, требованиями к качеству рафината, фракционным и химическим составом сырья и способом экстракции. На очистку одного и того же сырья для получения равного выхода рафината расход растворителя тем больше, чем меньше его растворяющая способность. Для получения рафината более высоких качеств очистку необходимо проводить при более высоком расходе растворителя (рисунок 5) [12].

При выборе кратности растворителя необходимо учитывать также, что чрезмерный его расход может привести не только к уменьшению выхода рафината и в некоторых случаях – ухудшению его качества, но и к снижению производительности установки по сырью.