Тема: Депарафинизация масляного сырья

Кристаллизацией из растворов

1. Теоретическая часть

 

Депарафинизация предназначена для удаления твердых углеводо­родов из масляных дистиллятов, деасфальтизированных гудронов, а также из рафинатов селективной, адсорбционной и кислотно-щелочной или кислотно-контактной очистки (если ее применяют для производства специальных масел из парафинистых или высокопарафинистых нефтей) дистиллятов и остатка с целью получения масел с необходимой температурой застывания. Депарафинизация осуществляется кристалли­зацией из раствора депарафинируемого сырья в растворителе. Наибо­лее распространенные растворители - смеси кетонов (метилэтилкето­на или ацетона) с толуолом.

В настоящее время в качестве растворителя применяют также высшие кетоны – метилизобутилкетон, метилизопропилкетон и др. Высшие кетоны не требуют добавления в растворитель толуола.

Процесс депарафинизации является наиболее трудоемким и до­рогостоящим. Самой ответственной стадией в данном процессе являет­ся стадия кристаллизации твердых углеводородов, от которой зависит выход целевого продукта, скорость фильтрования суспензии, содержа­ние масла в газе (петролатуме). Для увеличения размеров кристал­лов твердых углеводородов и их агрегатов, то ость для улучшения работы следующей за кристаллизацией секции – фильтрации – предус­матривается введение в суспензию перед термообработкой поверхностно-активных веществ (ПАВ) в интервале концентраций 0,001-0,01% мас. Введение ПАВ повышает выход целевого продукта на 3-4%, уве­личивает скорость фильтрации в 2-2,5 раза и снижает в два раза содержание масла в гаче (петролатуме). Таким образом, введение ПАВ позволяет интенсифицировать процесс депарафинизации.

Процесс депарафинизации состоит из следующих основных стадий: растворения депарафинируемого сырья и термической обработки полу­ченного раствора; охлаждения раствора до температуры выделения основной массы твердых углеводородов; фильтрования; отгона раст­ворителя от фильтрата и осадка на фильтре (твердых углеводородов). При выборе условий процесса исходят из свойств депарафинируемого сырья (содержание твердых углеводородов, вязкость) и необходимой глубины депарафинизации. Основными факторами процесса являются: природа растворителя и его кратность к сырью, температура депарафинизации, которую выбирают в зависимости от требуемой температу­ры застывания масла и температурного эффекта депарафинизации (ТЭД).

ТЭД определяется разностью между температурами фильтрования и застывания депарафинированного масла. В соответствии с этим тем­пературу депарафинизации или фильтрования Т_ф определяют, исходя из требуемой температуры застывания Т₃ и ТЭД для выбранного раст­ворителя по следующему уравнению:

 

Т_ф= ТЭД+ Т₃.

 

Примерные температурные эффекты депарафинизации для распространен­ных растворителей, °С:

ацетон + толуол (35%+ 65%)... от -3 до -8

метилэтилкетон+толуол (60%+40%) … от -8 до -10

метилизобутилкетон …. от о до -3

 

В зависимости от вида депарафинируемого сырья максимальное содержание ацетона в смеси растворителей не должно превышать 40% для дистиллятных и 35% для остаточных рафинатов; содержание МЭК должно быть не более 50-60% и 40-50%, соответственно.

Кратность растворителя к сырью зависит от вязкости сырья и глубины охлаждения. Для дистиллятных рафинатов массовая кратность растворителя к сырью составляет 2,0-3,5:1; для остаточных – 3,0-5,0:1.

2. Аппаратура и материалы

 

Процесс депарафинизации проводят на лабораторной установке, состоящей из следующих основных узлов.

1. Железный стакан с крышкой, вставленный в металлический обтянутый войлоком кожух, куда наливается охлаждающая смесь (де­натурат, спирт и т.п.) для охлаждения и поддержания необходимой температуры фильтрации.

2. Приемник фильтрата емкостью не менее литра (колба Бунзена (ГОСТ 6514-63) или цилиндрический стеклянный градуированный приемник).

3. Колба коническая емкостью один литр для охлаждения раствора сырья в растворителе.

4. Металлические бани, обтянутые войлоком, для охлаждения колбы с раствором сырья в растворителе и растворителя для промывки.

5. Термометры с ценой деления 1°С до минус 35°С (ГОСТ 400-64) илиминус 80°С (ГОСТ 400-64).

6. Вакуумный насос.

7. Колбы Вюрца с тубусом для термометра емкостью 0,25-1,0 л для отгона растворителя от растворов фильтрата и гача (петролатума).

8. Холодильник Либиха.

9. Приемник для сбора регенерированного растворителя.

10. Колбогрейка.

11. Растворители: метилэтилкетон (ацетон), толуол;

12. Охлаждающая смесь: денатурат (спирт) и твердая углекислота (жидкийазот).

13. Соединительный вакуумный шланг.

14. Вакуумметр.

15. Ловушки стеклянные (типа склянки Дрекселя).

 

3. Порядок выполнения работы

 

1. Перед началом депарафинизации приготовляют растворитель смешением, например, 40 объемных долей МЭК и 60 объемных долей толуола или 30 объемных долей ацетона и 70 объемных долей толуо­ла.

2. Подготавливают к работе аппарат депарафинизации и кристаллизатор для охлаждения смеси, для чего в баню фильтра и кристаллизатора заливается денатурат, устанавливают термометры, на дно стакана помещают фильтр, который плотно зажимают крышкой фильтра.

После подключения приемника дренажный краник перекрывают и система проверяется на вакуум, который должен быть - постоянным - 460 мм рт. ст. или 61,2 кПа.

3. Сырье разогревают до полного расплавления, берется навеска в количестве 50, 100±0,1 г колбу.

Разбавление сырья – одноразовое или порционное (в зависимос­ти от задания). Термическая обработка при 50-60°С - в течение 10 мин.

Условия проведения опыта задаются.

Охлаждение ведется при постоянном перемешивании сначала на воздухе, а затем в бане с охлаждающей смесью. Скорость охлаждения 1,5+2,0°С в минуту.

4. Одновременно с охлаждением суспензии ведется охлаждение железного стакана с помещенным в него фильтром.

Температура в бане должна быть на 4-5°С ниже заданной температуры охлаждения сырья. Охлажденную до заданной температуры смесь сырья и растворителя переносят в стакан фильтра.

5. В приемном цилиндре создают вакуум, открывают дренажный краник и фильтруют смесь до появления кромки сухой лепешки твердых углеводородов, после чего добавляют растворитель на промывку в количестве до 100% на сырье, охлажденный до температуры фильтрации и вновь фильтруют.

Полное время фильтрации складывается из времени фильтрации смеси, времени промывки и времени просушки лепешки, обычно равному сумме времени фильтрации смеси и времени промывки.

6. Количество растворов фильтрата в приемнике замеряют на каждыйпериод фильтрации или на общее время фильтрации (в зависимости от задания).

Осадок с фильтра и фильтрат аккуратно переносят в колбы, взвешивают и затем отгоняют растворитель в токе инертного газа (азота) при температуре не выше 120°С.

После отгона растворителя колбы взвешивают.

 

4.Оформление отчета

 

Отчет должен содержать краткое описание работа, условия процесса, материальные балансы по сырью и растворам, характеристику сырья и полученных фабрикатов.

При изложении условий проведения процесса указываются:

- депарафинируемое сырье и его количество;

- состав растворителя и его количество:

а) на разбавление, % мас. на сырье,

б) на промывку, % мас. на сырье;

- температура термообработки, °С;

- температура конечного охлаждения смеси сырья и растворителя, ⁰С.

 

6. Техника безопасности

Работа проводится в соответствии с инструкцией №72 по технике безопасности и учебном практикуме и общей инструкцией для студентов, аспирантов и сотрудников.

Контрольные вопросы

1. Назначение и сущность процесса депарафинизации.

2. Применяемые растворители. Роль каждого компонента в парном растворителе.

3. Понятие о температурном эффекте депарафинизации (ТЭД). Выбор конечной температуры охлаждения.

4. Значимость кратности растворителя от качества сырья.

5. Изменение свойств масел в процессе депарафинизации.

Лабораторная работа №5

Тема: Депарафинизация масляного сырья

Кристаллическим карбамидом

1. Теоретическая часть

 

Способность карбамида образовывать комплекс с н-алканами, а также с изомерными и циклическими углеводородами с длинными алкильными цепями была использована при исследова­нии химического состава твердых углеводородов.

Карбамид имеет тетрагональную структуру. Его молекулы упакованы плотно, и свободные пространства, в которых могут разместиться молекулы другого вещества, отсутствуют. При об­разовании комплекса происходит перестройка кристаллической структуры карбамида из тетрагональной в гексагональную. В элементарной ячейке кристалла комплекса, имеющей гексагональную структуру, молекулы карбамида расположены по спирали и повернуты друг относительно друга под углом 120°, образуя канал диаметром в узкой части 4,9^{-10 м, а в широкой ~6-10 м, достаточный для размещения плоской зигзагообразной молекулы парафинового углеводорода нормального строения. Молекулы н-парафинов расположены в канале карбамида на расстоянии ~ 2,4-10 м друг за другом независимо от их длины.}

При комнатной температуре и нормальном давлении карбамид образует устойчивые комплексы с нормальными парафинами, содержащими от 6 до 55 атомов углерода. Изопарафины с одной метильной группой в боковой цепи образуют комплекс с карбамидом в том случае, если в основной цепи содержится не менее 10 атомов углерода. Циклические углеводороды способны к комплексообразованию при наличии боковых цепей нормального строе­ния с числом атомов углерода 20-25.

Комплексообразование с карбамидом можно рассматривать как равновесный процесс:

комплекс углерод + m карбамид,

 

где m – число молей карбамида на 1 моль углеводорода; для парафинов нормального строения m=0,683n+1,51 (где n – число атомов углерода в цепи н-парафина).

С повышением числа атомов углерода в молекуле н-парафина повышается мольное соотношение карбамида и углеводорода в комплексе.

Комплекс образуется в присутствии активаторов, к числу которых относятся вода, низшие спирты, кетоны, некоторые хлорорганические соединения, а также насыщенные водные или спиртовые растворы карбамида. Механизм действия активаторов заключается в том, что, являясь полярными веществами, они способствуют умень­шению межмолекулярных сил взаимодействия молекул твердых и жидких углеводородов. При этом твердые углеводороды высвобождаются из раствора, что благоприятствуют образованию спиралеобразной структуры карбамида, и, следовательно, комплексообразования. Эта гипотеза объясняет и тот факт, что полярные растворители (некоторые спирты, кетоны, хлорорганические соединения) в условиях комплексообразования легко растворяют жидкие и не растворяют твердые углеводороды, выполняя одновременно функции растворителя и активатора.

К основным факторам, влияющим на эффективность процесса карбамидной депарафинизации относятся: качество сырья, состав карбамида, природа и расход растворителя и активатора, температура.

При повышении температурных пределов выкипания фракции снижается степень извлечения карбамидом твердых углеводородов. С увеличением расхода карбамида увеличивается глубина извлечения углеводородов. Выбор температурных условий карбамидной обработки зависит от качества сырья.

Растворители, используемые при карбамидной обработке, предназначены для снижения вязкости сырья и создания необходимого, карбамида с углеводородами. Обычно используются полярные растворители - метилэтилкетон, метилизобутилкетон, хлористый метилен.Активаторами являются спирты (метанол, этанол, изопропанол), низкомолекулярные кетоны (ацетон, метилэтилкетон, хлористый метилен, дихлорэтан). На практике обычно применяется одноступенчатая обработка карбамидом. Установлено, что многократная обработка карбамидом позволяет увеличить глубину отбора комплексообразуюших компонентов сырья.

Образование комплекса – процесс экзотермический. Поэтому нагревание комплекса в присутствии растворителей, растворяющих карбамид или вещество, приводит к сдвигу равновесия процесса в сторону разрушения комплекса.

Известны несколько способов разрушения комплекса:

- контактирование комплекса при повышенной температуре с веществами, растворяющими углеводородную часть;

- контактирование комплекса при определенной температуре с водой. При этом в воде растворяется только карбамид;

- разрушение комплекса простым нагреванием.

 

2. Порядок выполнения работы

Навеска депарафинируемого продукта в количестве 40±0,1 г, взятая на технических весах, растворяется в 120-150% раствори­теля в трехгорловой круглодонной колбе. В колбу вставляются термометр, мешалка. Колба помешается в водяную баню, температура которой поддерживается равной 35-40⁰С.

При непрерывном перемешивании в колбу вносится небольшими порциями 100% предварительно измельченного в ступке карбамида. После пятиминутного перемешивания при требуемой температуре к раствору добавляется активатор (спирты 3-5%, ацетон, МЭК 10-15 % мас. на сырье).

Далее при постоянном перемешивании в течение 30 мин температура доводится до необходимой конечной температуры процесса.

Образовавшийся комплекс отфильтровывается на воронке Бюхнера, промывается растворителем (100% растворителя на сырье), переносится в стакан и разлагается горячей водой (80-90°С). При этом образуются два слоя: верхний слой – углеводороды, образующие комплекс, и нижний – водный раствор карбамида. Верхний слой, отделенный от раствора карбамида в делительной воронке, промывается водой для удаления следов карбамида, отфильтровывается на бумажном фильтре и помещается в сушильный шкаф для выпаривания следов воды и растворителя.

Депарафинизированый продукт, представляющий собой раствор углеводородов, не реагирующих с карбамидом, промывается в делительной воронке горячей водой (2 раза) с целью удаления карбамида, не вошедшего в комплекс, просушивается хлористым кальцием, после чего отгоняется растворитель сначала при атмосферном давлении, затем под вакуумом при температуре не выше 120°С. Полученные продукты взвешивают и анализируют.

 

3. Оформление отчета

Отчет должен содержать краткое описание работы, условия процесса, материальный баланс по сырью, характеристику сырья и депарафинированного продукта.

В условиях проведения процесса указываются:

сырье (масляный рафинат и т.п.) и количество в % мас. на сырье:

- карбамида,

- активатора,

- растворителя:

- на разбавление

- на промывку,

температура процесса, ⁰С:

- начальная,

- конечная;

температура разложения комплекса, ⁰С,

время смешивания, мин – 30.

 

4. Техника безопасности

В работе используются следующие легковоспламеняющиеся ра­створители (таблица 2).

Таблица 2

 

Растворители	Температура кипения, ^0С
Метилэтилкетон МЭК Ацетон Бензин «Галоша» Дихлорэтан Этанол	79,6 56,1 80-120 83,7 78,5

 

Необходимо соблюдать инструкцию по работе с легковоспламеняющимися веществами.

 

Контрольные вопросы

1. Назначение процесса карбамидной очистки. Области применения процесса.

2. Карбамид (мочевина), его структура, свойства.

3. Требования, предъявляемые к углеводородному сырью для образования комплекса.

4. Механизм комплексообразования.

5. Факторы, влияющие на процесс карбамидной депарафинизации.

6. Применение нефтяных парафинов, выделенных данным методом.

 

 

Лабораторная работа №6

Тема: Обезмасливание гача (петролатума) кристаллизацией

Из растворов

1. Теоретическая часть

 

Процесс обезмасливания проводится с целью выделения из гача (петролатума) жидких масляных углеводородов и низкоплавких твердых углеводородов и является головным в производстве товарных парафинов и церезинов. Процесс осуществляется кристаллизацией из раствора гача (петролатума) в растворителе. Наиболее распространенные растворители – смеси кетонов (ацетона или метилэтилкетона) с толуолом.

В настоящее время в качестве растворителя применяют также высшие кетоны - метилизобутилкетон, метилизопропилкетон и др. Высшие кетоны требуют добавления в растворитель толуола.

Процесс обезмасливания состоит из следующих основных стадий: растворения сырья и термической обработке полученного раствора; охлаждение раствора до необходимой температуры; фильтрования; отгона растворителя от раствора парафина-сырца (церезина-сырца) и от раствора фильтрата (отходов обезмасливания). При выборе условий процесса исходят из свойств исходно­го продукта и необходимой глубины обезмасливания (качество полу­чаемого продукта). Основными факторами процесса являются: приро­да растворителя и его кратность к сырью, температура процесса, которая выбирается в зависимости от требуемого качества конечно­го продукта – температуры плавления парафина или церезина. Тем­пература процесса лежит в пределах от -10 до +20°С.

В зависимости от вида сырья соотношение кетон: аромати­ческий углеводород составляет соответственно: 60:40; 70:30. Кратность растворителя к сырью зависит от качества сырья, глуби­ны обезмасливания и изменяется в пределах от 5 до 10:1 при пере­ходе от гача к петролатуму.

Процесс обезмасливания является трудоемким и дорогостоящим процессом. Самой ответственной стадией в процессе является ста­дия кристаллизации. От работ этой секции зависит выход целевого продукта, скорость фильтрования и содержание масла в парафине. Для успешной работы этой секции необходимо, чтобы размеры крис­таллов твердых углеводородов были большими. Интенсифицировать процесс обезмасливания можно с помощью поверхностно-активных ве­ществ (ПАВ), введённых в суспензию перед ее термообработкой. ПАВ вводится в интервале концентраций 0,001-0,01% масc.

 

2. Аппараты и материалы

 

Процесс обезмасливания проводят на лабораторной установке, состоящей из следующих основных узлов:

1. Железный стакан с крышкой, вставленный в металлический обтянутый войлоком кожух, куда наливается охлаждающая смесь (де­натурат, спирт и т.п.) для охлаждения и поддержания необходимой температуры фильтрации.

2. Приемник фильтрата емкостью не менее литра (колба Бунзена (ГОСТ 6514-63) или цилиндрический стеклянный градуированный приемник).

3. Колба коническая емкостью один литр для охлаждения раствора сырья в растворителе..

4. Металлические бани, обтянутые войлоком, для охлаждения колбы с раствором сырья в растворителе и растворителя для промывки.

5. Термометры с ценой деления 1°С.

6. Вакуумный насос.

7. Колбы Вюрца с тубусом для термометра емкостью 0,25-1,0 л для отгона растворителя от растворов фильтрата и парафина-сырца.

8. Холодильник Либиха.

9. Приемник для сбора регенерированного растворителя.

10. Колбогрейка.

11. Растворители: метилэтилкетон (ацетон), толуол;

12. Охлаждающая смесь: денатурат (спирт) и твердая углекислота (жидкийазот).

13. Соединительный вакуумный шланг.

14. Вакуумметр.

15. Ловушки стеклянные (типа склянки Дрекселя).

3. Порядок выполнения работы

 

1. Перед началом обезмасливания приготовляют растворитель смешиванием, например, 60 объемных долей МЭК и 40 объемных долей толуола или 70 объемных долей ацетона и 30 объемных долей толуола.

2. Подготавливают к работе аппарат обезмасливания и кристаллизатора для охлаждения смеси, для чего в баню фильтра и кристаллизатора заливают денатурат, устанавливают термометры, на дно стакана помещают фильтр, который плотно зажимают крышкой фильтра.

После подключения приемника дренажный краник перекрывают и система проверяется на вакуум, который должен быть постоянным 460 мм рт. ст. или 61,2 кПа.

3. Сырье разогревают до полного расплавления и в колбу берется навеска в количестве 50-70 г. Термическая обработка проводится при 50-60°С в течение 10 мин. Условия проведения опыта задаются. Охлаждение ведется при постоянном перемешивании сначала на воздухе, а затем в бане с охлаждающей смесью. Скорость охлаждения 1,5+2,0°С в минуту.

4. Одновременно с охлаждением суспензии ведется охлаждение железного стакана с помещенным в него фильтром. Температура в бане должна быть на 4-5°С ниже заданной температуры охлаждения сырья. Охлажденную до заданной температуры смесь сырья и растворителя переносят в стакан фильтра.

5. В приемном цилиндре создают вакуум, открывают дренажный краник и фильтруют смесь до появления кромки сухой лепешки твердых углеводородов, после чего добавляют растворитель на промывку в количестве до 100% на сырье, охлажденный до температуры фильтрации и вновь фильтруют.

Лепешку парафина (церезина) с фильтра и фильтрат аккуратно переносят в колбы, взвешивают и затем отгоняют растворитель в токе инертного газа (азота) при температуре не выше 120⁰С.

После отгона растворителя колбы взвешивают.

4.Оформление отчета

 

Отчет должен содержать краткое описание работа, условия процесса, материальные балансы по сырью и растворам, характеристику сырья и полученных фабрикатов.

При изложении условий проведения процесса указываются:

- сырье и его количество;

- состав растворителя и его количество:

а) на разбавление, % мас. на сырье,

б) на промывку, % мас. на сырье;

- температура термообработки, °С;

- температура конечного охлаждения смеси сырья и растворителя, ⁰С

 

5.Техника безопасности

 

Работа проводится в соответствии с инструкцией по технике безопасности и учебном практикуме и общей инструкцией для студентов, аспирантов и сотрудников.

 

Контрольные вопросы

1. Назначение и сущность процесса обезмасливания.

2. Назначение предварительной термической обработки сырья.

3. Роль каждого компонента в парном растворителе.

4. Области применения парафинов и церезина.

5. Зависимость кратности растворителя от качества сырья.

 

Лабораторная работа №7

ПЕРКОЛЯЦИЯ ПАРАФИНА (ЦЕРЕЗИНА)-СЫРЦА

1. Теоретическая часть

 

Перколяция парафина или церезина-сырца проводится с целью следов смолистых веществ, масла и селективных растворителей.

Метод перколяции заключается в фильтрации сырья через слой адсорбента. В качестве адсорбента в настоящей работе используется силикагель марки АСК. Перколяция нефтепродуктов проводится при температуре от 20 до 100°С в зависимости от температуры плавления очищаемого продукта. Поэтому до начала работы следует определить температуру плавления сырья. Температура процесса должна превышать температуру плавления на 15-20°С.

 

2. Аппаратура

 

Перколяция нефтепродуктов проводится в стеклянном перколяторе с электрообогревом. Нагрев регулируется с помощью ЛАТРа. Очищенный продукт собирается в предварительно взвешенную колбочку.

 

3. Порядок выполнения работа

 

Перколятор заполняется высушенным адсорбентом на 2/3 по высоте и включается электрообогрев. Парафин (церезин)-сырец взвешивается, расплавляется в сушильном шкафу и через воронку маленькимипорциями заливается в перколятор. После того как весь слой адсорбента будет смочен продуктом, определяется количество сырья, пошедшего на смачивание. Затем в перколятор подается оставшийся продукт (порциями). Очищенный парафин (церезин) собирается в предварительно взвешенный стеклянный приемник и взвешивается. По окончании опыта анализируются сырье и полученный продукт и составляется материальный баланс процесса. При составлении баланса продукт, пошедший на смачивание адсорбента, не учитывается.

 

4. Составление отчета

 

Результаты работы оформляются следующим образом: даются краткое описание работы, условия опыта, материальный баланс, характеристика сырья и очищенного продукта.

Условия опыта:

1. Количество сырья, г.

2. Количество пошедшего на смачивание адсорбента, г.

3. Температура процесса, °С.

 

5. Техника безопасности

 

1. Во избежание ожогов не прикасаться к нагретым частям установки.

2. Не допускать работ с открытым огнем рядом с установкой.

3. Соблюдать общую инструкцию по технике безопасности при работе в лабораториях кафедры.

Контрольные вопросы

1. Сущность и назначение процесса.

2. Характеристика используемых адсорбентов. Их основные свойства.

3. Характеристика сил, действующих в процессе перколяции.

4. Изменение качества очищаемого парафина (церезина)-сырца в процессе. 5. Влияние качества сырья на выбор температурного режима процесса.

 

 

Лабораторная работа №8