Тема: процесс экстракции и Расчет экстракционных колонн

очистки масел избирательными растворителями (3 часа)

 

Экстракцией называется процесс разделения смеси компонентов при помощи растворителя избирательно растворяющего только извлекаемые компоненты. При экстракции тех или иных компонентов из твердого вещества, путем обработки его растворителем, образуется система твердое тело – жидкость.

В нефтепереработке распространен в основном процесс экстракции в системе жидкость — жидкость, который будет рассмотрен ниже.

Процесс экстракции масляных дистиллятов избирательными растворителями основан на способности растворителя избирательно растворять различные компоненты масел. Растворимость компо­нентов смазочных масел в избирательных растворителях зависит от свойств последних, отношения объема растворителя к объему масла и температуры, при которой ведется процесс.

При комнатной температуре небольшие количества избиратель­ных растворителей полностью растворяются в смазочном масле. С увеличением количества растворителя при определенном объемном соотношении образуются две жидкие фазы. Верхняя фаза предста­вляет собой масло с небольшой примесью растворителя, а нижняя — раствор нежелательных компонентов масла в избирательном раство­рителе. Верхняя жидкая фаза называется рафинатным раствором, а нижняя — экстрактным раствором.

При больших соотношениях объемов избирательного растворителя и масла объем экстрактного раствора возрастает; по достижении определенного соотношения масло полностью растворяется в изби­рательном растворителе и система из двух жидких фаз превращается в однофазную.

С повышением температуры системы, состоящей из рафинатного и экстрактного растворов, объем последнего возрастает за счет уменьшения объема рафинатного раствора, и по достижении опре­деленной температуры масло полностью смешивается с избиратель­ным растворителем. Температура, при которой происходит такое сме­шение, называется критической температурой растворения. Крити­ческие температуры растворения зависят от углеводородного состава смазочного масла, соотношения объемов масла и избирательного рас­творителя и свойств последнего.

На нефтеперерабатывающих заводах в качестве избирательных растворителей для очистки дистиллятов смазочных масел применя­ются фурфурол, фенол, крезол, нитробензол и хлорекс.

Избирательную очистку масляного дистиллята при помощи растворителя можно вести в основном тремя способами: однократ­ным прямоточным, многократным прямоточным и противоточным. При однократном прямоточном способе масляный дистиллят приво­дится в тесный контакт со всем количеством избирательного растворителя; при этом образуются две фазы — экстрактная и рафинатная, между которыми распределяется извлекаемое вещество по закону равновесного распределения. Этот закон гласит, что отношение объем­ных концентраций извлекаемого вещества в двух образовавшихся фазах при данной температуре есть величина постоянная и не зави­сящая от количества этого вещества.

Обозначая объемные концентрации извлекаемого вещества в ра-финатной фазе через c_l в экстрактной фазе — через с₂, получим следующее математическое выражение закона равновесного распре­деления извлекаемого вещества:

 

(4.1)

 

где k — коэффициент распределения.

Этот закон справедлив для процесса экстрагирования, когда рас­творитель и масло взаимно не растворимы или мало растворимы. Обычно такое допущение принимают при расчетах экстракции нефтяного сырья.

При многократном прямоточном способе экстрагирования рас­творитель смешивают с масляным дистиллятом в несколько приемов, отделяя в каждой ступени экстрактный раствор. С увеличением числа ступеней подачи отдельных порций растворителя (при одном и том же расходе) эффективность избирательной очистки повышается, в результате чего увеличивается выход и улучшается качество рафината. При противоточном способе экстрагирования происходит массообмен извлекаемого вещества между двумя встречными потоками — растворителя и масляного дистиллята, в результате чего постепенно нежелательные компоненты переходят в экстрактный раствор. Противоток избирательного растворителя и масляного дистиллята осуществляется или в аппаратах ступенчатой экстракции, состоящих из ряда смесителей и отстойников (рис. 4.1), или в экстракцион­ных колоннах (рис. 4.2).

Диаметр экстракционной колонны D определяется по формуле, аналогично формуле (4.1)

 

м (4.2)

 

где G_c - производительность установки по сырью в кг/ч;

ρ_c -плотность сырья при температуре экстрагирования в кг/м³;

G_р — количество избирательного растворителя, вводимого в экст­ракционную колонну, в кг/ч;

ρ_р — плотность избирательного растворителя в кг/м³;

V — скорость потока смеси в экстракционной колонне в м³/м² • ч.

Часовое количество избирательного растворителя, в экстракционную колонну, определяется формулой

Gp = nG_c, (4.3)

 

где п — соотношение количеств избирательного растворителя и сырья, определяемое эксперимен­тальным путем (п =1,8÷3,5).

 

 

Рисунок 4.1. Принципиальная схема четырехступенча­того противоточного процесса экстракции.

1, 2, 3и 4 — экстракторы, 5, 6, 7и 8 —смесители.

Линии: / — масляный дистиллят, II — избирательный растворитель;

III — рафинатный раствор; IV — экстрактный раствор.

Скорость потока смеси в экст­ракционной колонне при очи­стке масляного дистиллята фур­фуролом колеблется в пределах 6,5 — 13 m³/m² • ч,а при очистке фенолом 10 — 12 м³/м²• ч.

Высота экстракционной ко­лонны Н для фурфурольной очи­стки определяется формулой

 

H=h₁+h₂+h₃+h₄ м (4.4)

 

где h₁ – расстояние между верхней тарелкой и днищем колонны (высота отстойной части для рафинатного раствора) в м;

h₂ – расстояние между верхней и нижней тарелками в м; h₂=(п-1) h (здесь

п - число тарелок; h – расстояние между тарелками в м);

h₄ – высота опорной обечайки в м.

 

Рисунок 4.2. Экстракционная колонна.

I — масляный дистиллят; II — избира­тельный растворитель;

III — рафинатный раствор; IV — экстрактный раствор.

Высота отстойной части колонны для рафинатного раствора определяется формулой

 

(4.5)

 

где V _p.p — количество рафинатного раствора в м³/ч;

— время отстоя рафинатного раствора в отстойной части колонны;

= 1,2 ч÷1,5ч;

F — площадь поперечного сечения колонны в м².

Высота отстойной части колонны для экстрактного раствора

 

(4.6)

 

где V_э.р — количество экстрактного раствора в м³/ч;

τ₂ — время отстоя экстрактного раствора в отстойной части колонны;

τ₂= 0,5÷1,0 ч;

F — площадь поперечного сечения колонны в м².

Часовые количества рафинатного и экстрактного растворов опре-деляются формулами:

 

(4.7)

 

(4.8)

 

где G_раф — часовое количество рафинaта в кг/ч;

ρ_раф — плотность рафината при температуре на верху колонны в кг/м³;

х —весовая концентрация рафината в рафинатном растворе;

G — количество экстракта в кг/ч;

ρ₃ — плотность экстракта при. температуре в низу колонны в кг/м³;

— плотность избирательного растворителя при температуре на верху колонны в кг/м³;

— плотность избирательного растворителя при температуре в низу колонны в кг/м³.

Пример 4.1. Определить высоту и диаметр экстракционной колонны установки избирательной очистки дистиллята автола 10 фурфуролом производи-тельностью 1000 т/сутки. Температура на верху колонны 85° С, в низу колонны 55° С, соотношение количеств фурфурола и масляного дистиллята 2:1, плотность дистиллята = 925 кг/м³, выход рафината 75 % на исходное сырье. Плотность рафината = 905 кг/м³. Весовая концентрация рафината в рафинатном растворе 0,84, плотность экстракте = 983 кг/м³.

Решение. Производительность установки по сырью

 

кг/ч

Средняя температура потока в экстракционной колонне

˚С

 

Плотность дистиллята автола 10 и фурфурола при 70° С соответствен- но

 

кг/м³ кг/м³

 

Количество фурфурола, подаваемого в экстракционную колонну, по фор­муле (4.3)

G_p=nG_c= 2·41700=83400 кг/ч

 

Диаметр экстракционной колонны по формуле (4.2)

 

D =2 м

 

Количества рафината и экстракта соответственно равны:

 

G_раф = 0,75 • 41 700 = 31 400 кг/ч; G_э = 41 700 — 31 400 = 10 300 кг/ч.

 

Плотности рафината при 85° С, экстракта при 55° С и фурфурола при 55 и 85° С соответственно равны:

 

= 870 кг/м,³; = 967 кг/л³; = 1090 кг/м³; = 1030 кг/м³.

 

Количества рафинатного и экстрактного растворов подсчитаем по формулам (4.7) и (4.8):

 

м³/ч

 

м³/ч

 

Высота отстойной части колонны для рафинатного раствора определяем по формуле (4.5):

м,

 

а высоту отстойной части колонны для экстрактного раствора по формуле (4.6)

≈5 м

 

В экстракционной колонне шесть насадочных тарелок, расстояние между ними 2,1 м, высоту опорной обечайки принимаем 1,2 м, тогда общая высота колонны по формуле (4.4)

Н = 4 + (6 - 1) 2,1 + 5 + 1,2 = 20,7 м ≈ 21 м

 

Пример 4.2. Определить диаметр и высоту экстракционной колонны уста­новки избирательной очистки деасфальтизата фенолом производительностью 800 т/суткисырья. Температура верха колонны 110° С, низа колонны 60° С, соотношение количеств фенола и деасфальтизата, равно 3,5: 1, плотность сырья (деасфальтизата) ρ = 920 кг/м³, выход рафината 75% на исходное сырье, плот­ность рафината ρ = 902 кг/м³, весовая концентрация рафината в рафинатном растворе 0,80.

Решение. Производительность установки по сырью

g_c = 800000/24= 33 400 кг/ч.

Средняя температура потока в экстракционной колонне

 

t_cp= ºC

 

Плотность деасфальтизата и фенола при 85°C

 

ρ кг/м³ ρ кг/м³.

 

Количество растворителя (фенола), подаваемого в экстракционную колонну:

G_p = 3,5 • 33 400 = 117 000 кг/ч.

 

Диаметр экстракционной колонны

 

м

 

Плотность экстракта находим из формулы

 

отсюда

 

кг/м³

 

Количества рафината и экстракта равны соответственно:

 

G_раф = 0,75·33 400 = 25 100 кг/ч,

G_э = 0,25 • 33 400 = 8300 кг/ч.

 

Плотности рафината при 110° С, экстракта при 60° С и фенола при 60 и 110° С соответственно равны:

ρ = 855 кг/м^з; = 970 кг/м³; = 1040 кг/м³; = 990 кг/м³.

Количество рафинатного и экстрактного растворов из формул (4.7) и (4.8):

 

м³/ч

 

м³/ч

 

Высота отстойной части колонны для рафинатного раствора

 

м.

 

Высота отстойника экстрактного раствора

 

м.

 

В экстракционной колонне 25 тарелок, расстояние между ними 0,7 м, тогда высота колонны

 

Н=3,1+(25-1)0,7+6,2+1,2=27,3 м.

 

Задачи для решения

 

1. Определить высоту и диаметр экстракционной колонны установки избирательной очистки производительностью 850 т/сутки. Температура на верху колонны 75° С, в низу колонны 45° С, соотношение количеств растворителя и масляного дистиллята 2:1, плотность дистиллята = 895 кг/м³, выход рафината 69 % на исходное сырье. Плотность рафината = 900 кг/м³. Весовая концентрация рафината в рафинатном растворе 0,64, плотность экстракте = 946 кг/м³.

2. Определить диаметр и высоту экстракционной колонны уста­новки избирательной очистки деасфальтизата фенолом производительностью 860 т/суткисырья. Температура верха колонны 125° С, низа колонны 65° С, соотношение количеств фенола и деасфальтизата, равно 3: 1, плотность сырья (деасфальтизата) ρ = 900 кг/м³, выход рафината 73% на исходное сырье, плот­ность рафината ρ = 895 кг/м³, весовая концентрация рафината в рафинатном растворе 0,75.

 

Практическое занятие №5

Тема: Расчет фурфурольной колонны (2 часа)

 

Экстрактный раствор, полученный при избирательной очистке масляного дистиллята фурфуроле м, нагреваемся в теплообменниках до 140—145° С и поступает в фурфурольную колонну. В верхнюю часть фурфурольной колонны подается в качестве орошения водный фурфурол из водо­отделителя, чтобы извлечь фурфурол из водного фурфурола. В ниж­нюю часть фурфурольной колонны вводится необходимое количество тепла, для чего осуществляется циркуляция экстрактного раствора по схеме: колонна — печь — колонна. В виде бокового потока (с 4-й иди 5-й тарелки) из колонны отводится жидкий фурфурол (рисунок 5.1). С верха колонны пары фурфурола и водяной пар поступают в кон­денсатор-холодильник, где они конденсируются, охлаждаются до 35—40° С, и направляются в водоотделитель. В водоотделителе образуются два слоя: нижний — водный фурфурол и верхний — фурфурольная вода. Фурфурольная вода, состоящая из 8—9% фурфу­рола и 91—92% воды, забирается насосом и подается в колонну водного раствора фурфурола, а водный фурфурол, состоящий из 8—9 % воды и 91—92 % фурфурола, подается насосом в верхнюю часть фурфурольной колонны. С низа фурфурольной колонны экстракт­ный раствор прокачивается через трубчатую печь в экстрактную колонну.

Введем следующие обозначения:

количество экстрактного раствора, поступающего в фурфурольную колонну, G^’_{э. p};

количество фурфурола и экстракта в этом растворе соответ­ственно G⁰_ф и G_э;

количество фурфурола, отводимого из колонны в виде жидкого бокового потока, ";

 

 

Рисунок 5.1. Схема работы фурфурольной колонны

1 – фурфурольная колонна, 2 – печь

 

количество водного фурфурола, подаваемого в колонну в качестве орошения, g₀;

количество фурфурола и воды в водном фурфуроле соответст­венно G^’_ф и z;

количество паров, отводимых с верха колонны, D;

количество фурфурола в пара ;

количество экстрактного рас­твора, отводимого с низа колонны,

количество фурфурола в этом растворе ;

весовая концентрация фурфу­рола в смеси паров, отводимой с верха колонны, у;

весовая концентрация фурфу­рола в водном фурфуроле х;

весовая концентрация воды в водном фурфуроле 1 — х;

весовая концентрация воды в смеси паров 1 — у;

весовая концентрация фурфу­рола в отходящем экстрактном растворе х_н;

молекулярная концентрация фурфурола в отходящем экстракционном растворе х .

Для материальных потоков фурфурольной колонны (рисунок 5.1) будем иметь следующие уравнения.

Количество водного фурфурола, подаваемого в колонну в каче­стве орошения:

 

(5.1)

 

Количество воды в водном фурфуроле, подаваемом в колонну:

 

z=g₀(1-х) кг/ч

 

Подставив в это уравнение значение g₀ из уравнения (5.1), получим

 

(5.2)

 

Молекулярная концентрация фурфурола в паровой фазе опреде­ляется из формулы:

 

 

где Р_ф — давление паров фурфурола при температуре t_В.

Весовая концентрация фурфурола в паровой фазе определяется из формулы:

 

 

Количество фурфурола в смеси паров, отводимой с верха колонны:

 

кг/ч (5.3)

 

Количество водяных паров в потоке D равно

z=D(l-y)

 

Приравняв последнее уравнение с уравнением (5.2), получим

 

откуда

 

кг/ч (5.4)

 

Подставив значение D вуравнение (5.3), получим

 

кг/ч (5.5)

 

Молекулярная концентрация фурфурола в экстрактном растворе, отходящем с низа колонны при температуре t_н, определяется форму­лой (4.1), а весовая концентрация фурфурола из следующей фор­мулы:

 

 

где М_Э — молекулярный вес экстракта;

1- х^,_н — молекулярная концентрация экстракта в растворе.

Количество экстрактного раствора, вводимого с низа колонны, равно

 

кг/ч (5.6)

 

Количество фурфурола, выводимого с низа колонны с экстракт­ным раствором:

G"" = G x_H кг/ч. (5.7)

 

Количество фурфурола отводимого из колонны в виде жидкого бокового потока (по балансу):

 

кг/ч (5.8)

 

Секундный объем паров на верху колонны из формулы:

 

м³/сек

 

Секундный объем паров под тарелкой отбора жидкого фурфурола:

 

м³/сек

 

где t – температура паров под тарелкой отбора жидкого фурфурола (t=175÷180)

π – абсолютное давление в колонне в мм рт ст.

Задачи для решения

1. Определить диаметр рафинатной колонны установки избирательной очистки дистиллята автола 10 фурфуролом, если производительность ее по сырью равна 1200 т/сутки, выход рафината составляет 76 % на сырье, содержание рафината в рафинатном растворе 84 %, плотность рафината =904 кг/м³, молекулярный вес рафината М_раф=420. В рафинатную колонну вводится водяной пар в количестве 4 % на рафинат. Рафинатный раствор в печи нагревается до 225 °С. Абсолютное давление на верху колонны равно 800 мм рт ст., температура 170 °С. Содержание фурфурола в отходящем из колонны 0,01 % вес.

2. Определить диаметр фурфурольной колонны и количество тепла, которое необходимо ввести в нее из трубчатой печи. Производительность установки по сырью 1200 т/сут дистиллята автола АС-15. процесс экстрагирования осуществляется при соотношении весов фурфурола и сырья (дистиллята автола) G_Ф: G_С=2,8:1, выход рафината составляет 72 % на исходное сырье, содержание фурфурола в рафинатном растворе, выводимом из экстракционной колонны, 20%, молекулярные веса сырья М_С=440, рафината М_раф=400. Температура конденсата в водоотделителе 35°С, экстрактного раствора при входе в фурфурольную колонну 135 °С, температура на верху фурфурольной колонны 125 °С, в низу колонны 200 °С, абсолютное давление на верху колонны 800 мм рт. ст., в низу колонны 850 мм рт. ст. Температура внизу экстракционной колонны 210 °С, содержание фурфурола в отходящих рафинате и экстракте из рафинатной и отпарной колонн х_Н=0,01 % вес.

 

 

Практическое занятие №6

Тема: Расчет кристаллизаторов установок депарафинизации (2 часа)

Комплексная технологическая схема производства нефтепродуктов и особенно масел из парафиновых нефтей включает процесс депарафинизации для снижения температуры застывания нефтепродуктов.

Депарафинизацией называется удаление твердых парафиновых углеводородов из нефтепродукта. Этот процесс включает ряд операций по обработке нефтяного сырья:

1) смешение сырья с соответствующим растворителем;

2) термическая обработка смеси сырья с растворителем;

3) Охлаждение смеси до требуемой температуры, при которой кристаллизуются твердые углеводороды;

4) Отделение твердых углеводородов на фильтрах или центрифугах.

Смешение нефтяного сырья с растворителем проводится в специальных резервуарах, оборудованных смесительными устройствами, или непосредственно в трубопроводах. Дозировка растворителя и место подачи последнего регламентируется технологической картой на каждой установке. Аппараты, в которых выделяются (кристаллизуются) твердые парафиновые углеводороды, называются кристаллизаторами.

Кристаллизаторы, в которых используется холод продуктов, отходящих с установки (холодный фильтрат депарафинированного масла и др.), называется регенераторными, в отличие от тех кристаллизаторов, в которых для охлаждения применяется специальный хладагент (аммиак, пропан и др.)

Кристаллизаторы конструктивно оформляются по типу теплообменных аппаратов: например, аммиачные кристаллизаторы обычно по типу горизонтальных теплообменников «труба в трубе», а пропановые кристаллизаторы – по типу вертикальных теплообменников смешения.

В горизонтальных аппаратах типа «труба в трубе» раствор масляного сырья проходит по внутренним трубам, в которых монтируются вращающиеся скребки для очистки внутренних стенок труб от осевшего парафина и обеспечения должного теплообмена.

 

Задачи для решения

1. Определить до какой температуры охлаждается в регенеративных кристаллизаторах раствор рафината, поступающий в кристаллизаторы при температуре 45 °С, если:

1) производительность установки G₁=40000 кг/ч рафината, относительная плотность которого =0,900;

2) в качестве растворителя применяется смесь метилэтилкетона 60%, бензола 20 %, толуола 20 % (в количестве 300 % вес. на рафинат);

3) выход депарафинированного масла на рафинат составляет 72 % вес.;

4) содержание растворителя в растворе депарафинированного мала 250 % вес. на рафинат;

5) выход гача (плюс потери) составляет 28 %, содержание твердых парафинов в гаче – 86 %;

6) раствори депарафинированного масла поступает в регенеративные кристаллизаторы при температуре минус30 °С и нагревается в них до +15 °С;

7) потери тепла в кристаллизаторах составляют 3 %;

8) из общего количества твердых парафиновых углеводородов, удаляемых из рафината, 60% выделяется в регенеративных кристаллизаторах;

9) В кристаллизаторы подается раствор рафината в весовом соотношении рафинат: растворитель 100:150 вес.

10) Поверхность охлаждения регенеративных кристаллизаторов F=1000 м².

2. Определить количество тепла, выделяющегося в аммиачных кристаллизаторах при охлаждении раствора рафината от температуры +0 °С до минус 30 °С. Количество рафината 40000 кг/ч; =0,900; количество растворителя 120000 кг/ч, состав его такой же как и в предыдущем примере. Количество парафина, кристаллизуемого в аппарате 5000 кг/ч.

3. Определить количество тепла, выделяющегося в аммиачных кристаллизаторах при охлаждении раствора рафината от температуры +0 °С до минус 25 °С. Количество рафината 38500 кг/ч; =0,940; количество растворителя 146000 кг/ч, состав его такой же как и в предыдущем примере. Количество парафина, кристаллизуемого в аппарате 4000 кг/ч.

 

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ

С ПРЕПОДАВАТЕЛЕМ (СРСП)