способ селективной очистки масляных фракций

Формула изобретения

Способ селективной очистки масляных фракций путем противоточного контактирования сырья, вводимого в среднюю часть экстрактора, с растворителем, вводимым в верхнюю часть экстрактора, в присутствии антирастворителя, подаваемого в нижнюю часть экстрактора, с последующей регенерацией растворителя из рафинатного и экстрактного растворов с получением рафината и экстракта, отличающийся тем, что часть экстракта при температуре , не превышающей температуру ввода растворителя и не ниже температуры ввода сырья, возвращают в экстрактор между вводами растворителя 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, N-диметилпирролидон и другими.

Известен способ селективной очистки масляных фракций [1], осуществляемый путем противоточного контактирования сырья (масляной фракции) с растворителем (фенолом), подаваемым в верхнюю зону (часть) экстрактора. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу, то есть прототипом, является способ селективной очистки масляных фракций путем противоточного контактирования сырья (F), вводимого в среднюю часть экстрактора, с растворителем (S), вводимым в верхнюю часть экстрактора, в присутствии антирастворителя (фенольной воды, C), подаваемого в нижнюю часть экстрактора, с последующей регенерацией растворителя из экстрактного и рафинатного растворов (Se и Sr соответственно) в блоках 2 регенерации и получением рафината (r) и экстракта (e) [2] (см. фиг. 2).

Основным недостатком данного способа является относительно низкий отбор рафината.

Основной целью изобретения является повышение отбора рафината при селективной очистке масляных нефтяных фракций.

Цель достигается тем, что при селективной очистке масляных фракций путем противоточного контактирования сырья, вводимого в среднюю часть экстрактора, с растворителем, вводимым в верхнюю часть экстрактора, в присутствии антирастворителя, подаваемого в нижнюю часть экстрактора, с последующей регенерацией растворителя из рафинатного и экстрактного растворов с получением рафината и экстракта, часть экстракта при температуре, не превышающей температуры ввода растворителя и не ниже температуры ввода сырья, возвращают в экстрактор между вводами растворителя и антирастворителя.

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

В связи с тем, что на каждой теоретической (равновесной) ступени происходит взаимный массообмен компонентами между взаимодействующими фазами до состояния фазового равновесия, в рассматриваемом способе экстрактный раствор предпоследней ступени содержит некоторое количество ценных сырьевых компонентов, потеря которых недопустима. Воздействием на этот раствор антирастворителем (фенольной водой) удается выделить ценные углеводороды в составе рафинатного раствора, покидающего последнюю ступень.

Ввод рециркулята в экстрактор между вводами растворителя и антирастворителя позволяет осуществить селективное перераспределение сырьевых компонентов и растворителя, связанное с их различной взаимной растворимостью во взаимодействующих между собой встречных потоках рафинатного и экстрактного растворов. В результате этого перераспределения происходит дополнительное извлечение ценных сырьевых компонентов из экстрактных растворов и увеличение отбора рафината в пересчете на массу исходного сырья.

В предлагаемом способе при одинаковых исходных позициях (загрузка; температура; состав сырья, растворителя и антирастворителя; число теоретических ступеней) с прототипом наблюдается увеличение и выравнивание массовых внутренних потоков рафинатного раствора по ступеням (высоте аппарата), что приводит к более эффективному взаимодействию внутренних потоков как в существующих промышленных экстракторах, в особенности работающих на пониженных загрузках по сырью, так и во вновь проектируемых аппаратах.

Совокупность отличительных признаков, описанных выше, обеспечивает новые технические свойства предлагаемого способа: повышает отбор рафината при относительно малых расходах рециркулята за счет увеличения эффективности работы экстрактора, увеличивает и выравнивает массовые внутренние потоки рафинатного раствора по ступеням (высоте) экстрактора.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого способа. Она включает экстрактор 1 с общим числом теоретических (равновесных) ступеней очистки, равным пяти, применительно к процессу селективной очистки масляного сырья фенолом.

Сырье (F) подается на четвертую, считая сверху, теоретическую ступень контактирования (в принципе, можно предусмотреть несколько вводов сырья на различные ступени), противотоком ему в верхнюю часть экстрактора (на первую теоретическую ступень) подается растворитель (фенол, S) и для создания рисайкла на пятую теоретическую ступень подается антирастворитель (фенольная вода. C). Между вводами растворителя и антирастворителя на вторую, третью и четвертую теоретические ступени предусмотрен ввод рециркулята (P). С низа экстрактора выводится экстрактный раствор E-5, после выделения из которого фенола (Se) в блоке 2 регенерации получают экстракт (e), представляющий собой в основном нежелательные компоненты, извлеченные растворителем из сырья. Часть экстракта (рециркулят, P) в случае необходимости охлаждают в холодильнике 3 и при температуре, не превышающей температуры ввода растворителя и не ниже температуры ввода сырья в экстракционный аппарат, вводят в экстрактор на вторую, третью или четвертую теоретическую ступень между вводами растворителя и антирастворителя. С верха экстрактора выводится рафинатный раствор (R-1) и поступает в блок 2 регенерации, где после выделения из него растворителя (Sr) получают рафинат (r). Регенерированный растворитель (Sr и Se) возвращают в экстрактор 1.

Для проверки эффективности предлагаемого способа на примере селективной очистки масляных фракций фенолом проведены исследования на ЭВМ (электронной вычислительной машине) адиабатической противоточной многоступенчатой жидкостной экстракции. Проведено несколько серий расчетов: первая соответствует известному способу (прототип), остальные - предлагаемому способу.

Предварительные лабораторные исследования показали, что эффективность промышленных экстракторов селективной очистки различных масляных фракций эквивалентна трем-пяти теоретическим ступеням. В связи с этим при очистке четвертой масляной фракции фенолом в качестве прототипа была выбрана схема с пятью теоретическими ступенями, то есть с более жесткими условиями, когда речь идет об увеличении выхода рафината.

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

Количество сырья (четвертая масляная фракция), растворителя (обводненный фенол) и антирастворителя (фенольная вода), их температуры ввода, а также число теоретических ступеней в эстракторе были одинаковы для всех серий расчетов. Соотношение указанных потоков, их составы и температуры приняты в соответствии с технологическим режимом промышленных установок селективной очистки четвертой масляной фракции фенолом.

Одним из основных элементов расчета на ЭВМ противоточной адиабатической многоступенчатой жидкостной экстракции является расчет коэффициентов активности, для расчета которых использовался метод группового вклада. Для этого на основании группового и химического анализа сырья сырье было представлено в виде модельной смеси, состоящей из двенадцати компонентов (парафины, изопарафины, нафтены, однокольчатая, многокольчатая ароматика и другие индивидуальные углеводороды) плюс два компонента - фенол и вода. Таким образом, расчет фазового равновесия между взаимодействующими потоками на каждой теоретической ступени проводился для 14 компонентов.

Исходные данные

Количество вводимого сырья, кг - 200

Количество вводимого фенола, кг - 340

Количество вводимой фенольной воды, кг - 6

Температура ввода сырья, ^oC - 67

Температура ввода фенола, ^oC - 73

Температура ввода фенольной воды, ^oC - 30

Содержание воды в феноле, массовые проценты - 2

Содержание фенола в воде, массовые проценты - 9

Массовое соотношение фенол: сырье - 1,7:1,0

В примерах приведены результаты расчетов на ЭВМ по каждой серии "опытов" после выхода пятиступенчатой системы на стационарный режим, что подтверждалось материальным балансом (общим и по компонентам) процесса, постоянством качества и выхода рафината и экстракта, а также постоянством внутренних жидкостных потоков по массе и температурного профиля по ступеням.

Основными параметрами, оказывающими определяющее воздействие для достижения поставленной цели - повышения отбора рафината по предлагаемому способу, являются количество, место ввода и температура рециркулята, подаваемого в экстрактор.

Для количественной оценки влияния каждого из этих определяющих параметров на увеличение выхода (отбора) рафината г была проведена большая серия расчетов ("опытов") на ЭВМ с изменением значений указанных параметров. Количество рециркулята варьировалось от 0 (прототип) до 32 кг, а его температура - от 50 до 70^oC.

При реализации предлагаемого способа на промышленной установке потребуется осуществить оптимальный выбор температуры, место ввода и количества подаваемого в экстрактор рециркулята. Необходимо отметить, в свою очередь, что количество вводимого в экстрактор рециркулята будет зависеть не только от его температуры, но и от конкретных параметров технологического режима очистки, физической природы и свойств как очищаемого сырья, так и растворителя.

Пример 1. Первая серия "опытов" (расчетов на ЭВМ) была направлена на исследование прототипа, то есть 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.% - 67,4

Содержание фенола в рафинатном растворе, мас.% - 16,0

Содержание фенола в экстрактном растворе, мас.% - 80,0

Фактор расслаивания для первой ступени, моль - 0,851

Фактор расслаивания для второй ступени, моль - 0,810

Фактор расслаивания для третьей ступени, моль - 0,792

Фактор расслаивания для четвертой ступени, моль - 0,771

Фактор расслаивания для пятой ступени, моль - 0,932

Плотность сырья F при 20^oC, кг/м³ - 903,7

Показатель преломления сырья F при 20^oC - 1,508455

Плотность рафината r при 20^oC, кг/м³ - 876,2

Показатель преломления рафината r при 20^oC - 1,485810

Плотность экстракта e при 20^oC, кг/м³ - 950,7

Показатель преломления экстракта e при 20^oC - 1,531380

Пример 2. Большая серия расчетов на ЭВМ ("опытов") была направлена на исследование экстрактора по предлагаемому способу, отличающегося тем, что часть экстракта при температуре, не превышающей температуру ввода растворителя и не ниже температуры ввода сырья, возвращают в экстрактор между вводами растворителя и антирастворителя.

Рециркулят подавался на вторую, третью и четвертую ступени при температурах 50, 60 и 70^oC в количествах от 0 до 32 кг.

В табл. 4 - 8 представлена часть результатов проведенных расчетов, демонстрирующих возможность достижения поставленных целей и преимуществ предлагаемого способа по сравнению с прототипом.

Представленные сведения о результатах исследования прототипа (табл. 1 - 3) и рассматриваемого способа (табл. 4 - 8) позволяют сделать следующие обобщения. Проведенные исследования подтверждают принципиальную возможность повышения выхода (отбора) рафината по рассматриваемому способу. В частности, в исследуемой области показано влияние двух определяющих факторов на увеличение выхода рафината: количества и места ввода в экстрактор рециркулята (Р) (табл. 4 и 5).

Отбор рафината r повышается до 14,7 мас.% по сравнению с прототипом при увеличении подачи рециркулята от 0 до 32 кг с фиксированной температурой 70^oC (средняя температура по второй, третьей и четвертой тарелкам) на вторую ступень (табл. 4). Отбор рафината г повышается до 14,7 мас.% и до 11,0 мас.% (табл. 5) соответственно для ввода рециркулята на вторую и третью ступени в количествах от 0 до 32 кг.

Следует отметить, что увеличение отбора рафината по сравнению с прототипом происходит при малых количествах рециркулята и зависит от места его ввода.

В табл. 8 представлено распределение температур по ступеням в зависимости от количества рециркулята, подаваемого при температуре 70^oC на вторую теоретическую ступень.

Проведенные исследования показали, что изменение температуры рециркулята (50-70^oC) не оказывает значительного влияния на выход рафината.

Обоснование выбора пределов изменения температуры рециркулята в предлагаемом способе. Верхним (максимальным) значением температуры рециркулята принимается температура ввода растворителя в экстрактор согласно закономерностям жидкостной экстракции.

Нижним (наименьшим) значением температуры рециркулята принимается температура ввода сырья и определяется условиями, при которых обеспечивается достаточная текучесть потока, которая, в свою очередь, зависит от природы сырья, растворителя и теплофизических свойств рециркулята, в частности, таких как вязкость, плотность, температура застывания, теплоемкость и др., и возможностями охлаждения рециркулята в промышленных условиях.

Увеличение количества вводимого в экстрактор рециркулята способствует увеличению выхода рафината, однако, повышенный отбор рафината может повлечь ухудшение его качественных характеристик (табл. 6).

При реализации предлагаемого способа на промышленных установках потребуется осуществить оптимальный выбор количества вводимого в экстрактор рециркулята, места его ввода и температуры, основанный на технико-экономическом анализе. Однако необходимо особо подчеркнуть, что качество рафината r, удовлетворяющее техническим требованиям, является определяющим критерием при окончательном выборе анализируемых определяющих факторов.

Необходимо отметить также, что количество вводимого в экстрактор рециркулята будет зависеть от конкретных параметров технологического режима процесса экстракции, физической природы и свойств очищаемого сырья, а также предельной (допустимой) суммарной нагрузки потоков по сечению экстрактора, в особенности для существующего оборудования.

Анализ данных, представленных в табл. 2 и 7, показывает, что отмечается увеличение потоков рафинатного раствора и соответственно за счет этого рост суммарных потоков на каждой ступени. Суммарная нагрузка экстрактора по встречным взаимодействующим потокам рафинатного и экстрактного растворов возрастает с увеличением количества рециркулята. Это свидетельствует о том, что рециркулят способствует извлечению из экстрактных растворов (поступающих на тарелки) дополнительного количества ценных компонентов. При этом предшествующие исследования показали, что в реальных промышленных аппаратах недобор рафината r (унос с экстрактным раствором, покидающим экстрактор) составляет приблизительно 5-10%.

Также в предлагаемом способе наблюдается увеличение эффективности работы нижней части экстрактора, что связано с увеличением равновесного потока рафинатного раствора R5 при повышении количества подаваемого рециркулята (табл. 7).

Возросшая суммарная нагрузка внутренних потоков по ступеням позволит эффективно осуществлять процесс экстракции на существующем промышленном оборудовании, особенно на том, которое в настоящее время работает на низких производительностях.

Анализ влияния количества подаваемого в экстрактор рециркулята при заданной температуре (табл. 4) показывает улучшение эффективности (например, селективности) протекания процесса жидкостной экстракции. Так, с увеличением подачи рециркулята факторы расслаивания (F_i), представляющие собой отношение количества экстрактного раствора к количеству исходной смеси (F_i = E_i/(E_i + R_i)) для каждой ступени, имеют тенденцию к снижению.

Анализ результатов расчета для заданной системы показывает, что увеличение отбора рафината достигается при относительно малых количествах подаваемого рециркулята (порядка 4-16 кг). Однако для других систем (различные виды сырья, температурные режимы, массовые соотношения фенол: сырье и др.) это значение рециркулята может изменяться.

Реализация предлагаемого способа на промышленных установках достаточно проста и не требует значительных затрат.

Таким образом, как показывают результаты проведенных исследований, использование предлагаемого способа селективной очистки масляных фракций позволит существенно повысить отбор рафината.