способ селективной очистки

Формула изобретения

СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ путем противоточного контактирования масляных фракций, вводимых в среднюю часть экстрактора, с растворителем, вводимым в верхнюю часть экстрактора, в присутствии антирастворителя, подаваемого в нижнюю часть экстрактора, с последующей регенерацией растворителя из экстрактного и рафинатного растворов и получением рафината и экстракта, отличающийся тем, что часть рафината, охлажденного до температуры, не превышающей температуру взаимодействующих потоков, вводят в экстрактор между вводом сырья и антирастворителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано в процессах жидкостной экстракции, в частности, в нефтеперерабатывающей промышленности на установках очистки масляных фракций селективными растворителями, такими как фенол, фурфурол и другие.

Известен способ селективной очистки масляных фракций (1) осуществляемый путем противоточного контактирования сырья (масляной фракции, F) с растворителем (фенолом, S), подаваемым в верхнюю часть экстрактора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому, то есть прототипом, является способ селективной очистки масляных фракций путем противоточного контактирования сырья F с растворителем S, подаваемым в верхнюю часть экстрактора, в присутствии антирастворителя - фенольной воды С с последующей регенерацией растворителя и получением рафината r и экстракта е (2) (фиг.1).

Основным недостатком данного способа является относительно низкий отбор рафината. Кроме этого отсутствуют резервы для повышения таких качественных характеристик эффективности процесса жидкостной экстракции как индекс вязкости и содержание растворителя (фенола) в рафинатном растворе.

Целью изобретения является повышение отбора рафината при селективной очистке масляных фракций.

Поставленная цель достигается тем, что при селективной очистке масляных фракций путем противоточного контактирования сырья с растворителем, подаваемым в верхнюю часть экстрактора, в присутствии антирастворителя (фенольной воды), с последующей регенерацией растворителя и получением рафината и экстракта, часть предварительно охлажденного рафината Р вводят в экстрактор между вводами сырья и антирастворителя (фиг.2).

Ввод части рафината Р в экстрактор между вводами сырья и антирастворителя позволяет осуществить селективное перераспределение сырьевых компонентов и растворителя, связанное с их взаимной растворимостью во взаимодействующих между собой встречных потоках рафинатного и экстрактного растворов. В результате этого перераспределения происходит дополнительное извлечение ценных сырьевых компонентов из экстрактного раствора, поступающего в нижнюю часть экстрактора из зоны питания, и увеличение отбора рафината свыше 4% в пересчете на массу исходного сырья. Это происходит за счет протекания следующих основных процессов. Насыщение вводимого в экстрактор потока рафината осуществляется при переходе части растворителя из экстрактного раствора и ведет к образованию рафинатного раствора. Снижение концентрации растворителя в экстрактном растворе приводит к выделению из него в основном плохо растворимых ценных сырьевых компонентов в рафинатный раствор. Одновременно с этим процессом происходит перенос ценных углеводородов из экстрактного раствора в рафинатный раствор за счет лучшей растворимости их в смеси, обогащенной углеводородами того же класса. Наряду с этим происходит взаимный массообмен сырьевыми компонентами между взаимодействующими фазами на каждой ступени до состояния фазового равновесия.

В связи с этим в предлагаемом способе экстрактный раствор предпоследней ступени содержит некоторое количество самых ценных компонентов (например парафино-нафтеновые, нафтеновые и другие углеводороды), потеря которых недопустима. Воздействием на этот раствор антирастворителем (фенольной водой) удается выделить эти ценные углеводороды в составе рафинатного раствора, покидающего последнюю ступень. Этим и объясняется выбор места ввода части рафината в экстрактор, а именно - между вводами сырья и антирастворителя.

Предлагаемый способ реализуется в полной экстракционной колонне (экстракторе), т.е. состоящей из концентрационной части (выше ввода сырья), зоны питания и отгонной части (ниже ввода сырья).

В отличие от прототипа в заявляемом способе усилена эффективность работы отгонной части экстрактора за счет подачи части рафината Р между вводами сырья и антирастворителя, что позволило увеличить отбор рафината.

Кроме того, в предлагаемом способе при одинаковых исходных позициях (загрузки, температуры, составы сырья, растворителя и антирастворителя; число теоретических ступеней) с прототипом получено лучшее качество рафината (один из основных показателей рафината - индекс вязкости выше на несколько пунктов); содержание фенола в рафинатном растворе ниже, а в экстрактном выше, что свидетельствует о большей эффективности процесса селективной очистки масляных фракций. Увеличение массовых внутренних потоков рафинатного раствора по ступени (высоте аппарата) приводит к более эффективному взаимодействию внутренних потоков как в существующих промышленных экстракторах, так и во вновь проектируемых.

Совокупность отличительных признаков, описанных выше, обеспечивает новые технические свойства предлагаемого способа: повышает отбор рафината за счет организации более высокой эффективности работы отгонной части экстрактора, улучшает качество рафината, снижает содержание фенола в рафинатном растворе и увеличивает массовые внутренние потоки рафинатного раствора.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема предлагаемого способа с общим числом теоретических ступеней очистки, равным четырем, применительно к процессу селективной очистки масляного сырья фенолом.

Сырье (F) подается на вторую, считая сверху, теоретическую ступень контактирования (в принципе, можно предусмотреть несколько вводов сырья на различные ступени), противотоком ему в верхнюю часть экстрактора (на 1-ю теоретическую ступень) подается растворитель S-фенол, и для создания рисайкла на четвертую теоретическую ступень подается антирастворитель С - фенольная вода. Между вводами сырья и антирастворителя на третью теоретическую ступень подается часть рафината (Р). С низа экстрактора выводится экстрактный раствор Е-4, после выделения из которого фенола в блоке регенерации получают экстракт е, представляющий собой в основном нежелательные компоненты, извлеченные из очищаемого сырья. С верха экстрактора отводится рафинатный раствор, после выделения из которого растворителя в блоке регенерации получают рафинат (r), представляющий собой очищенную от нежелательных компонентов масляную фракцию. Рафинат в количестве (r - P) выводится с установки, а регенерированный растворитель возвращается в экстрактор.

Для проверки эффективности предлагаемого способа селективной очистки масляных фракций проведены лабораторные исследования адиабатической противоточной многоступенчатой экстракции в известных термостатированных системах "смеситель-отстойник", каждая из которых соответствует одной теоретической ступени. Проведены три серии опытов: первая соответствует известному способу (прототип), остальные - предлагаемому.

Лабораторные исследования показали, что эффективность промышленных экстракторов селективной очистки различных масляных фракций эквивалентна трем - пяти теоретическим ступеням. В связи с этим при очистке IV масляной фракции фенолом в качестве прототипа была выбрана схема с четырьмя теоретическими ступенями (фиг.2).

Температура сырья, растворителя, антирастворителя, их расходы, выход и качество рафината зависят от особенностей конкретного технологического процесса и требований, предъявляемых к качеству и выходу рафината.

Количество сырья (IV масляная фракция), растворителя (обводненный фенол) и антирастворителя (фенольной воды), их температуры ввода, а также число теоретических ступеней в экстракторе были одинаковы для всех серий опытов. Соотношение указанных потоков и их температуры приняты в соответствии с оптимальным технологическим режимом промышленной установки селективной очистки IV масляной фракции фенолом.

Исходные данные: Количество вводимого сырья, г 200,0 Количество вводимого фенола, г 300,0 Количество вводимой фенольной воды, г 8,0 Температура ввода сы- рья, ^оС 60,0 Температура ввода фенола, ^оС 70,0 Температура ввода фенольной воды, ^оС 40,0 Содержание воды в фе- ноле, массовые процен- ты 2,0 Содержание фенола в фе- нольной воде, мас.% 9,0 Массовое соотношение фе- нол : сырье 1,5 : 1,0

Качество сырья: Кинематическая вязкость при 100^оС, сСт 8,87 Кинематическая вязкость при 60^оС, сСт 30,64 Коэффициент рефракции при 50^оС 1,5015

В примера приведены результаты лабораторных исследований по каждой серии опытов после выхода четырехступенчатой системы на стационарный режим, что подтверждалось материальным балансом процесса, постоянством качества и выходов рафината и экстракта, а также постоянством внутренних жидкостных потоков по массе и температурного профиля по ступеням.

Условия перемешивания и отстоя в термостатированной системе: время перемешивания - 30 мин, число оборотов мешалки в минуту - 120, время отстоя - 30 мин.

Условия проведения лабораторных исследований позволяют воспроизвести результаты работы промышленной экстракционной колонны.

Реализация предлагаемого способа на промышленной установке достаточна проста и не требует значительных затрат.

В лабораторных исследованиях температура подаваемого в экстрактор рафината Р была принята равной температуре на 3-ей ступени. В промышленных условиях допускается охлаждение рафината до температуры, при которой сохраняется достаточная текучесть потока. Понижение температуры рафината способствует выделению большего по массе потока рафинатного раствора Р-3, что наряду с повышением отбора целевого рафината может повлечь к ухудшению его качественных характеристик. Поэтому при реализации предлагаемого способа на промышленной установке потребуется осуществить оптимальный выбор температуры и количества вводимого в экстрактор рафината Р. В то же время количество вводимого в экстрактор рафината будет зависеть не только от его температуры, но и от конкретных параметров технологического режима очистки, физической природы и свойств очищаемого сырья. Качество целевого рафината, удовлетворяющее техническим требованиям, является определяющим критерием при окончательном выборе всех выше названных факторов.

Для количественной оценки влияния каждого из определяющих факторов (понижение температуры процесса, подача рафината и антирастворителя - фенольной воды) на выделение из экстрактного раствора целевых компонентов сырья проведены специальные эксперименты. Три одинаковые по качеству и массе порции заранее приготовленного экстрактного раствора подвергались различным воздействиям: первая порция охлаждалась на 4^оС (с 65 до 61^оС); вторая и третья порции при этом же снижении температуры были обработаны равными по массе количествами (3,4 мас.% на сырье) фенольной воды и рафината. Полученные при этом рафинатные растворы отмывались от фенола, в результате чего были определены массы получаемых рафинатов и рассчитаны их массовые отборы от исходного сырья, в качестве которого использовалась та же IV масляная фракция, что и в приводимых ниже примерах.

Результаты дополнительно проведенных опытов показывают, что только при охлаждении экстрактного раствора выделяется рафината в расчете на исходное сырье 2,6 мас.%; при дальнейшей обработке по- лученного в первом опыте экстрактного раствора фенольной водой выделяется еще 6,2 мас.% рафината; а при охлаждении экстрактного раствора и его одновременной обработке рафинатом - 8,6 мас.%. Если же полученный в последнем случае экстрактный раствор обработать (без изменения температуры) фенольной водой, выделяется еще 6,7% мас% рафината в расчете на исходное сырье.

Анализ полученных результатов показывает, что снижение температуры экстрактного раствора Е-2 с одновременной обработкой его фенольной водой способствует выделению рафината в количестве 8,8 мас.% на исходное сырье, а снижение температуры раствора с одновременной обработкой рафинатом и при последующей обработке фенольной водой дает выделение 15,3 мас.% на исходное сырье. Если из данного количества вводимого рафината (Р=3,4%), а также количество рафината, выделяемого под воздействием снижения температуры и фенольной воды, то получим 3,1 мас.%. Что свидетельствует о принципиальной возможности применения рафината Р в качестве антирастворителя для создания рисайкла в нижней части экстрактора, что в конечном итоге способствует повышению эффективности процесса экстракции и в частности увеличению отбора ценных сырьевых компонентов.

П р и м е р 1 (по прототипу). Первая серия опытов была направлена на исследование работы прототипа, т.е. известного способа селективной очистки масляных фракций. Получены следующие результаты, характеризующие способ селективной очистки масляных фракций путем противоточного контактирования сырья с фенолом, подаваемым в верхнюю часть экстрактора, в присутствии фенольной воды (антирастворителя), с последующей регенерацией фенола и получением рафината и экстракта. Отбор рафината, (r) мас.% 60,66

Качество получаемого рафината: Кинематическая вязкость при 100^оС, с Ст 7,71 Кинематическая вязкость при 50^оС, сСт 36,49 Индекс вязкости 98 Коэффициент рефракции при 50^оС 1,4815 Относительная плотность при 20^оС 0,8948 Содержание фенола в рафи- натном растворе (Р-1), мас.% 19,29

П р и м е р 2. Вторая серия опытов была направлена на исследование работы экстрактора по предлагаемому способу, который отличается от прототипа тем, что часть рафината (Р) в количестве 5,1 грамма (2,55 мас.% от сырья) вводят в экстрактор между вводами сырья и антирастворителя на третью теоретическую ступень.

Получены следующие результаты, характеризующие этот способ. Отбор рафината (r - P), мас.% 62,15 Прирост отбора рафи- ната (r - Р) по сравнению с прототипом (r), мас.% 1,49 Качество получаемого рафината (r): Кинематическая вязкость при 100^оС, сСт 7,73 Кинематическая вязкость при 50^оС, сСт 35,79 Индекс вязкости 103 Коэффициент рефракции при 50^оС 1,4818 Относительная плотность при 20^оС 0,8930 Содержание фенола в рафи- натном растворе, мас.% 18,50

Этот пример показывает улучшение количественных и качественных характеристик работы экстрактора по предлагаемому способу по сравнению с прототипом. В частности отбор рафината (r-Р) увеличился на 1,49 мас.%, на пять пунктов возрос индекс вязкости рафината, уменьшилась относительная плотность, снизилось содержание фенола в рафинатном растворе (R-1), поступающем на регенерацию растворителя.

П р и м е р 3. Третья серия опытов направлена на исследование работы экстрактора по предлагаемому способу, который отличается от прототипа тем, что часть рафината (Р) в количестве 15,3 г (7,65 мас.% от сырья) вводят в экстрактор между вводами сырья и антирастворителя на третью теоретическую ступень.

Получены следующие результаты, характеризующие этот способ. Отбор рафината (r - P), мас.% 65,22 Прирост отбора рафина- та (r - P) по сравнению с прототипом, мас.% 4,56

Качество получаемого рафината: Кинематическая вязкость при 100^оС, сСт 7,84 Кинематическая вязкость при 50^оС, сСт 37,05 Индекс вязкости 100 Коэффициент рефракции при 50^оС 1,4825 Относительная плотность при 20^оС 0,8930 Содержание фенола в рафи- натном растворе (R-1), мас.% 18,66

Этот пример показывает улучшение количественных и качественных характеристик работы экстрактора по предлагаемому способу по сравнению с прототипом. В частности, отбор рафината (r - P) увеличился на 4,56 мас.%, на два пункта возрос индекс вязкости, уменьшилась относительная плотность рафината, снизилось содержание фенола в рафинатном растворе (R-1), поступающем на регенерацию из него растворителя.

Результаты лабораторных исследований представлены в табл.1, распределение по ступеням внутренних массовых потоков экстрактного и рафинатного растворов представлены в табл.2.

Сведения, представленные в табл.1, позволяют сделать следующие обобщения.

Предлагаемый способ показал принципиальную возможность повышения выхода рафината, в частности, в исследуемой области оно достигает 4,56 мас.% на сырье. При увеличении подачи рафината оно может достигнуть и большего значения.

Улучшение качественных характеристик свидетельствует о высокой эффективности протекания процесса селективной очистки масляной фракции. Отмечается повышение вязкостно-температурной характеристики рафината (индекс вязкости) на 2-5 пунктов, уменьшение относительной плотности, снижение содержания фенола в рафинатном растворе. Это служит хорошей основой для повышения технико-экономических показателей экстракционного узла и блока регенерации растворителя на промышленных установках селективной очистки масляных фракций.

Часть рафината, подаваемого в экстрактор, служит своеобразным антирастворителем, способствующим созданию дополнительно рисайкла, содержащего в основном желательные сырьевые компоненты, и тем самым улучшающим эффективность очистки как отгонной части, так и экстракционной колонны в целом.

Уменьшение потока рисайкла (R-4), создаваемого антирастворителем (С) на четвертой ступени, служит доказательством достаточно полного извлечения ценных компонентов из экстрактного раствора Е-3 при взаимодействии его с рафинатом (Р).

Значительное улучшение качества рафината при малых количествах подачи его в экстрактор (пример 2) свидетельствует о высокой селективности извлечения компонентов с высоким индексом вязкости в отгонной части аппарата. С увеличением подачи рафината в экстрактор (пример 3) селективность извлечения снижается. В результате чего в рисайкле увеличивается доля компонентов с низким индексом вязкости и снижение роста качества рафината.

Последнее утверждение позволяет осуществить выбор количества рафината подаваемого в экстрактор. Оптимальное его количество с точки зрения качества выводимого с установки рафината определяется наибольшим значением индекса вязкости (пример 2). Верхний предел количества подаваемого рафината в экстрактор характеризуется наибольшим выходом рафината (r-Р), состав которого удовлетворяет техническим требованием производства или не уступает качеству рафината, полученного по известному способу (прототип).

Нижний предел количества рафината, вводимого в экстрактор, связан с затруднениями промышленной реализации данного способа и не представляет интереса, так как главная цель предлагаемого способа - повышение отбора получаемого рафината. В связи с большим разнообразием по качеству сырья, получаемого в свою очередь из нефтей различных месторождений, в формуле изобретения не указывается верхний предел количества рафината, вводимого в экстрактор.

Данные табл. 2 показывают, что по предлагаемому способу происходит уменьшение соотношений экстрактного раствора к рафинатному раствору по ступеням экстракции, что, в свою очередь, создает предпосылки для более эффективного взаимодействия этих растворов в промышленных экстракторах.

Таким обpазом, использование пpедлагаемого способа селективной очистки масляных фpакций позволит существенно повысить отбоp pафината.