Способ селективной очистки масляных фракций

 

Сущность изобретения: экстракт подвергают перегонке с выделением паровой фазы, после охлаждения которой получают первую фракцию, и часть этой фракции при температуре, не превышающей температуру ввода сырья в экстрактор, вводят в экстрактор между вводами сырья и антирастворителя. Выделенную при перегонке жидкую фазу выводят в виде второй фракции экстракта. 9 табл. 2 ил.

Изобретение относится к области 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), вводимого на верхнюю теоретическую ступень, в присутствии антирастворителя (фенольной воды, С), подаваемого на нижнюю теоретическую ступень экстрактора, с последующей регенерацией растворителя из экстрактного и рафинатного растворов (Se и Sr, соответственно) в блоках регенерации (2) и получением рафината (r) и экстракта (е) [1] (фиг.1).

Основным недостатком данного способа является относительно низкий отбор рафината. Кроме этого, отсутствуют резервы для повышения эффективности процесса жидкостной экстракции в промышленных аппаратах из-за малых количеств рафинатного раствора (рисайкла) в зоне ниже ввода сырья ("отгонной" части экстрактора).

Основной целью изобретения является повышение отбора рафината при селективной очистке масляных нефтяных фракций и получение двух фракций экстракта.

Поставленная цель достигается тем, что при селективной очистке масляных фракций путем противоточного контактирования сырья, вводимого в среднюю часть экстрактора, с растворителем, вводимым на верхнюю теоретическую ступень экстрактора, в присутствии антирастворителя, подаваемого на нижнюю теоретическую ступень экстрактора, с последующей регенерацией растворителя из экстрактного и рафинатного растворов в блоках регенерации и получением рафината и экстракта, экстракт, полученный после регенерации растворителя, подвергают процессу перегонки, паровую фазу конденсируют, охлаждают и получают первую фракцию экстракта, часть этой фракции при температуре, не превышающей температуру ввода сырья в экстракционный аппарат, вводят в экстрактор на вторую теоретическую ступень, считая снизу, между вводами сырья и антирастворителя, а из жидкой фазы, полученной после перегонки экстракта, получают вторую фракцию экстракта.

Ввод рециркулята в экстрактор между вводами сырья 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 экстрактного раствора, поступающего в нижнюю часть экстрактора из зоны питания, и увеличение отбора рафината в пересчете на массу исходного сырья.

В связи с тем что на каждой теоретической (равновесной) ступени происходит взаимный массообмен компонентами между взаимодействующими фазами до состояния фазового равновесия, в предлагаемом 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. Этим и объясняется выбор места ввода рециркулята в экстрактор, а именно между вводами сырья 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 отличие от прототипа, в заявленном способе усилена эффективность работы отгонной части экстрактора за счет подачи рециркулята между вводами сырья и антирастворителя, что позволило увеличить отбор рафината.

В предлагаемом способе при одинаковых исходных позициях (загрузки; температуры; составе сырья, растворителя и антирастворителя; числа 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.

Перегонка экстракта, полученного после регенерации растворителя из экстрактного раствора, позволяет получать две фракции экстракта. Первая фракция экстракта, в зависимости от условий перегонки, может быть использована в качестве добавки к дизельному топливу, для получения концентрированных ароматических фракций с дальнейшим получением индивидуальных ароматических углеводородов, в качестве компонента для процессов коксования, сырья для вторичных процессов, и для других целей. Вторая фракция экстракта служит для различных целей. В случае производственной необходимости способ предусматривает смешение этих двух фракций.

Совокупность отличительных признаков, описанных выше, обеспечивает новые технические свойства предлагаемого способа: повышает отбор рафината за счет организации более высокой эффективности работы отгонной части и особенно в случае работы промышленных аппаратов на пониженных загрузках, увеличивает и выравнивает массовые внутренние потоки рафинатного раствора по ступеням (высоте) экстрактора, появляется возможность в результате перегонки экстракта получить две фракции экстракта.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема предлагаемого способа. Она включает два основных элемента: экстрактор (1) с общим числом теоретических (равновесных) ступеней очистки равным пяти, применительно к процессу селективной очистки масляного сырья фенолом и аппарат (4) для перегонки экстракта, выводимого с блока регенерации (2) экстрактного раствора.

Сырье (F) подается на третью, 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, С). Между вводами сырья и антирастворителя на четвертую теоретическую ступень подается рециркулят (Р). С верха экстрактора выводится рафинатный раствор R-1, после выделения из которого фенола (Sr) в блоке регенерации (2) получают рафинат (r), представляющий собой очищенную от нежелательных компонентов масляную фракцию. С низа экстрактора выводится экстрактный раствор (Е-5) и поступает в блок регенерации (2), где после выделения из него растворителя (Se) получают экстракт (е), представляющий собой в основном нежелательные компоненты, извлеченные растворителем из сырья. Регенерированный растворитель (Sr и Se) возвращают в экстрактор (1). Экстракт (е) в случае необходимости нагревают в теплообменном аппарате (3) и подают в аппарат для перегонки (4), где получают паровую и жидкую фазы. Паровую фазу, доля отбора (отгона) которой без учета количества рециркулята составляет d, конденсируют и охлаждают в конденсаторе-холодильнике (6) и получают первую фракцию экстракта. Часть этой фракции (рециркулят, Р) в случае необходимости охлаждают в холодильнике (5) и при температуре, не превышающей температуры ввода сырья в экстракционный аппарат, вводят в экстрактор на четвертую теоретическую ступень, между вводами сырья и антирастворителя, а оставшуюся часть первой фракции экстракта (е1) выводят с установки. Из жидкой фазы, полученной после перегонки экстракта, получают вторую фракцию экстракта (е2).

Для проверки эффективности предлагаемого способа на примере селективной очистки масляных фракций фенолом приведены 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.

Существует два вида перегонки [2] простая перегонка (однократное частичное испарение жидкой смеси) и ректификация. Использование процесса ректификации является безусловно более эффективным для качественного разделения экстракта, чем простая перегонка. В связи с этим для убедительной демонстрации решения поставленных целей по предлагаемому способу в качестве примера была выбрана схема с однократным частичным испарением экстракта как наихудший случай разделения исходной смеси (экстракта).

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 экстракторе 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 и температура рециркулята, подаваемого на четвертую ступень.

Для количественной оценки влияния каждого из этих определяющих параметров на увеличение выхода (отбора) рафината r была проведена большая серия расчетов ("опытов") на ЭВМ с изменением значений указанных параметров в широких пределах для заданной системы. Количество рециркулята варьировалось от 0 (прототип) до 120 кг, а его температура от 30 до 60^oC. Также для изучения влияния состава рециркулята изменялась доля отгона d (без учета количества рециркулята) рафината r от 4 до 14% масс.

При реализации предлагаемого способа на промышленной установке потребуется осуществить оптимальный выбор температуры и количества вводимого 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. Режим работы перегонного аппарата будет определяться техническими требованиями к качеству фракций экстрактов е1 и е2.

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, массовые 68,2
Содержание фенола в рафинатном растворе, массовые 16,2
Содержание фенола в экстрактном растворе, массовые 80,4
Фактор расслаивания для первой ступени, мольный 0,849
Фактор расслаивания для четвертой ступени, мольный 0,989
Фактор расслаивания для пятой ступени, мольный
0,944
Плотность сырья F при 20^oC, кг/м³
950,4
Показатель преломления сырья F при 20^oC 1,531205
Плотность рафината r при 20^oC, кг/м³ 877,2
Показатель преломления рафината r при 20^oC 1,486510
Плотность экстракта е при 20^oC, кг/м³ 949,6
Показатель преломления экстракта е при 20^oC 1,530774
Пример 2. Большая серия расчетов на ЭВМ ("опытов") была направлена на исследование экстрактора по предлагаемому способу, отличающегося тем, что экстракт, полученный после регенерации растворителя, подвергают процессу перегонки, паровую фазу конденсируют, охлаждают и получают первую фракцию экстракта, часть этой фракции при температуре, не превышающей температуры ввода сырья в экстракционный аппарат, вводят в экстрактор на вторую теоретическую ступень, считая снизу, между вводами сырья и антирастворителя, а из жидкой фазы, полученной после перегонки экстракта, получают вторую фракцию экстракта.

В табл. 4 9 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 9) 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: количество и температура рециркулята (Р) подаваемого в экстрактор (табл. 4 и табл. 5).

Отбор рафината r повышается до 7,4% масс. по сравнению с прототипом при увеличении подачи рециркулята от 0 до 120 кг с фиксированной температурой 40^oC (табл. 4).

Отбор рафината r повышается до 8,7% масс. и до 7,3% масс. (табл. 5), соответственно для нижнего (30^oC) и верхнего (60^oC) значений температур рециркулята. Однако следует отметить, что увеличение отбора рафината по сравнению с прототипом начинается при количествах рециркулята, превышающих 16 кг.

Повышение отбора рафината под влиянием этих факторов (температуры и количества рециркулята) можно объяснить, в частности, ростом градиента температур по высоте экстрактора (табл. 8) по сравнению с прототипом (табл. 3). Так, если для прототипа разность температур между первой и пятой ступенями составляет 2,7^oC, то для рассматриваемого способа она изменяется от 3,3^oC до 14,3^oC, причем наблюдается рост градиента температуры с увеличением количества рециркулята, подаваемого в экстрактор при заданной температуре (табл. 8).

Рост градиента температур способствует более эффективной очистке в процессе экстракции: улучшению селективности процесса, увеличению отбора ценных сырьевых компонентов и др. Значительное снижение температуры на четвертой и пятой ступенях является дополнительным источником создания рисайкла в нижней части экстрактора, что существенно улучшает работу зоны, расположенной ниже ввода сырья, и способствует увеличению отбора рафината с ростом подачи рециркулята в экстрактор.

Важной характеристикой экстракторов гравитационного типа является разность плотностей взаимодействующих между собой встречных потоков рафинатного и экстрактного растворов по ступеням (высоте аппарата). В связи с малой разностью плотностей Δρ в отгонной части промышленных экстракторов, работающих по известному способу (прототип), наблюдается унос вместе с экстрактным раствором рафинатного раствора, находящегося в дисперсной фазе, что явно снижает выход ценных сырьевых компонентов в рафинате.

В предлагаемом способе наблюдается увеличение разности плотностей рафинатного и экстрактного растворов на четвертой ступени, являющейся движущей силой процесса сепарации взаимодействующих фаз в гравитационном экстракторе.

Так, для прототипа разность плотностей Dr на четвертой ступени составляет -2,8 кг/м³, а для предлагаемого способа 33 кг/м³ при фиксированном расходе рециркулята 60 кг (табл. 9). В промышленных экстракционных аппаратах, работающих по предлагаемому способу, ожидается уменьшение уноса рисайкла, особенно в зоне ниже ввода сырья.

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

Нижнее (наименьшее) значение температуры рециркулята неоднозначно 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.

И понижение температуры, и увеличение количества вводимого в экстрактор рециркулята одновременно способствуют 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 температуры и количества вводимого в экстрактор рециркулята, основанный на технико-экономическом анализе. Однако необходимо особо подчеркнуть, что качество рафината r, удовлетворяющее техническим требованиям, является определяющим критерием при окончательном выборе двух анализируемых определяющих факторов.

Необходимо отметить также, что количество вводимого в экстрактор рециркулята будет зависеть не только от его температуры, но и 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. Это свидетельствует о том, что рециркулят извлекает из экстрактного раствора (Е-3) дополнительное количество ценных компонентов. Суммарная нагрузка экстрактора по встречным взаимодействующим потокам рафинатного и экстрактного растворов значительно возрастает с увеличением количества рециркулята.

В предлагаемом способе "заработала" более эффективно отгонная, нижняя часть экстрактора за счет подачи рециркулята.

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 (Fi), представляющие собой отношение количества экстрактного раствора к количеству исходной смеси (Fi Ei/(Ei + Ri)) для каждой ступени, имеют тенденцию к снижению.

Анализ результатов расчета для заданной системы показывает, что для увеличения отбора рафината необходимо обеспечить подачу рециркулята более 16 кг. Однако для других систем (различные виды сырья, температурные режимы, массовые соотношения фенол: сырье и др.) это значение рециркулята может изменяться.

Предлагаемый способ позволяет получить два экстракта. Первый экстракт е1 может иметь многоцелевое назначение (компонент дизельного топлива, сырье для вторичных процессов нефтепереработки, сырье для получения концентрированных ароматических фракций с дальнейшим получением индивидуальных ароматических углеводородов, компонент для процессов коксования и для других целей). Второй экстракт е2 используется как базовый экстракт. В случае перегонки экстракта е путем ректификации появляется возможность регулирования качества экстрактов е1 и е2, удовлетворяющим техническим нормам для использования их в соответствующих вышеназванных целях.

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

Ввиду незначительности потока антирастворителя (по отношению к свободному сечению аппарата) для его более равномерного распределения, а значит, и наиболее эффективного взаимодействия с экстрактным раствором по всему сечению аппарата на практике целесообразно вводить антирастворитель и рециркулят в нижнюю часть экстрактора одним потоком.

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

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 экстракт подвергают перегонке с выделением паровой фазы, после охлаждения которой получают первую фракцию экстракта, часть этой фракции при температуре, не превышающей температуру ввода сырья в экстрактор, вводят в экстрактор между вводами сырья и антирастворителя, и выделением жидкой фазы, которую выводят в виде второй фракции экстракта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6