Способ жидкостной экстракции

 

Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано в процессах жидкостной экстракции, в частности, в нефтепереработке (например на установках селективной очистки масляных фракций различными растворителями), нефтехимии, химической промышленности и других отраслях. Сущность изобретения заключается в том, что жидкостная экстракция осуществляется путем противоточного контактирования сырья с избирательным растворителем в первом многоступенчатом экстракторе с получением в нем первого конечного экстрактного раствора и промежуточного рафинатного раствора, вводимого в качестве сырья во второй многоступенчатый экстрактор и контактирующего в противотоке с избирательным растворителем, с выводом из второго экстрактора конечного рафинатного и второго конечного экстрактного растворов с последующей регенерацией растворителя из конечных двух экстрактных и рафинатного растворов и получением двух экстрактов и рафината, при этом в первом многоступенчатом экстракторе сырье контактирует с экстрактным раствором, отбираемым из зоны ввода промежуточного рафинатного раствора во второй экстрактор. Предлагаемый способ жидкостной экстракции позволяет повысить четкость разделения сырья, снизить кратность растворителя, увеличить выход целевого продукта. 6 ил., 6 табл.

Изобретение относится к области химической технологии и может быть использовано в процессах жидкостной экстракции, в частности в нефтепереработке (например на установках селективной очистки масляных фракций различными растворителями), нефтехимии, химической промышленности и других отраслях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому способу, то есть прототипом, является способ жидкостной экстракции путем противоточного контактирования сырья с избирательным растворителем в первом многоступенчатом экстракторе с получением в нем первого конечного экстрактного раствора и промежуточного рафинатного раствора, вводимого в качестве сырья во второй многоступенчатый экстрактор и контактирующего в противотоке с избирательным растворителем, с выводом из второго экстрактора конечного рафинатного и второго конечного экстрактного растворов с последующей регенерацией растворителя из конечных двух экстрактных и рафинатного растворов и получением двух экстрактов и рафината [1]. Эта двухступенчатая схема, состоящая из двух экстракторов, имеет большое разнообразие аппаратурного оформления: в виде полных или неполных многоступенчатых экстракционных колонн (экстракторов), системы центробежных экстракторов, системы смесителей-отстойников и др.

В прототипе [1] рассматривается случай противоточного взаимодействия растворителя с сырьем, когда растворитель подается выше ввода сырья, так как плотность растворителя больше плотности сырья (фиг.1). Однако можно рассмотреть аналогичный прототип, когда растворитель подается ниже ввода сырья, так как плотность растворителя меньше плотности сырья (фиг.2). Принципиально эти два случая идентичны, только зеркально меняются места вводов растворителя и сырья, вывода экстрактных и рафинатных растворов. Схемы для этих вариантов предлагаемого способа показаны на фиг.3 и 4 соответственно.

Цель настоящего изобретения - устранение недостатков данного способа (прототипа), а именно: низкой четкости разделения сырья, высокой кратности растворителя, недостаточно высокого выхода целевого продукта.

Поставленная цель достигается тем, что жидкостная экстракция осуществляется путем противоточного контактирования сырья с потоком, обладающим свойствами избирательного растворителя, в первом многоступенчатом экстракторе с получением в нем первого конечного экстрактного раствора и промежуточного рафинатного раствора, вводимого в качестве сырья во второй многоступенчатый экстрактор и контактирующего в противотоке с избирательным растворителем, с выводом из второго экстрактора конечного рафинатного и второго конечного экстрактного растворов с последующей регенерацией растворителя из конечных двух экстрактных и рафинатного растворов и получением двух экстрактов и рафината, в качестве потока, обладающего свойствами избирательного растворителя, в первом экстракторе используется экстрактный раствор, отбираемый из зоны ввода промежуточного рафинатного раствора во второй экстрактор.

Такой способ позволяет осуществить селективное перераспределение сырьевых компонентов и растворителя, что в конечном итоге повышает четкость разделения сырья, снижает кратность растворителя и повышает выход целевого продукта.

В прототипе представлена схема, включающая две односекционные колонны, то есть без ступеней экстракции ниже зоны ввода сырья в первую колонну, а также ниже зоны ввода промежуточной рафинатной фазы из первой колонны во вторую с соответствующим методом создания восходящего потока рафинатной фазы подачей антирастворителя, второго растворителя или др. методом.

Для доказательства более высокой эффективности предлагаемого способа были предъявлены более высокие требования к прототипу и выбрана в качестве прототипа схема экстракции в двух полных экстракционных колоннах (экстракторах), состоящих из верхней секции, зоны питания и нижней секции.

Для проверки эффективности предлагаемого способа на примере разделения трехкомпонентной смеси (сырья) фенолом были выполнены расчеты на ЭВМ (электронной вычислительной машине) адиабатической противоточной многоступенчатой жидкостной экстракции. Расчеты проводились для случая, когда экстракция осуществляется в двух полных экстракторах и растворитель (фенол) имеет большую плотность, чем сырье, а восходящий поток рафинатной фазы в нижней секции колонны создается антирастворителем (фенольной водой) [2]. Проведено несколько серий расчетов, первая из них соответствует известному способу (прототипу), остальные - предлагаемому способу.

В качестве примера взята схема с шестью теоретическими ступенями в каждом экстракторе, где растворитель подается на 1 ступень, сырье - на 5 ступень, а антирастворитель - на 6 ступень.

Количество сырья и антирастворителя (фенольная вода), их температуры ввода, а также число теоретических ступеней в экстракторе были одинаковы для всех серий расчетов.

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 сырье было представлено в виде модельной смеси, состоящей из трех компонентов (парафин - 30%, нафтен -40% и ароматика - 30%). Также участвовали фенол и вода. Таким образом, расчет фазового равновесия между взаимодействующими потоками на каждой теоретической ступени проводился для 5 компонентов.

В табл. 1 -6 представлена часть результатов проведенных расчетов.

Общие исходные данные для примеров 1, 2 и 3: - количество вводимого сырья, кг - 100 - количество вводимой фенольной воды в экстрактор 1, кг - 5 - количество вводимой фенольной воды в экстрактор 2, кг - 10 - температура ввода сырья, ^oC - 67 - температура ввода фенола в экстрактор 1, ^oC - 73 - температура ввода фенола в экстрактор 2, ^oC - 73 - температура ввода фенольной воды в экстрактор 1,^oC - 30 - температура ввода фенольной воды в экстрактор 2,^oC - 30 - содержание воды в феноле, мас.% - 2
- содержание фенола в воде, мас.% - 9
- плотность сырья при 20^oC, кг/м³ - 867,3
- плотность парафина при 20^oC, кг/м³ - 811,5
- плотность нафтена при 20^oC, кг/м³ - 868,7
- плотность ароматического углеводорода при 20^oC, кг/м³ - 929,2
- плотность воды при 20^oC, кг/м³ - 998,0
- плотность фенола (расплавленного) при 20^oC, кг/м³ - 1075
Пример 1. Первая серия расчетов была направлена на исследование прототипа, то есть известного способа жидкостной экстракции. Расчет прототипа для заданной системы выполнен по схеме, приведенной на фиг.5. Способ характеризуется тем, что экстракция осуществляется путем противоточного контактирования сырья (F) с избирательным растворителем (S1) в первом многоступенчатом экстракторе 1 с получением в нем первого конечного экстрактного раствора (E1) и промежуточного рафинатного раствора (R1), вводимого в качестве сырья во второй многоступенчатый экстрактор 2 и контактирующего в противотоке с избирательным растворителем (S2), с выводом из второго экстрактора конечного рафинатного (R2) и второго конечного экстрактного (E2) растворов с последующей регенерацией растворителя из конечных двух экстрактных и рафинатного растворов в блоках регенерации (1,3 и 2 соответственно) и получением двух экстрактов (e1 и e2) и рафината (r2).

Сырье состоит из трех компонентов и содержит 30% парафина, 40% нафтена и 30% ароматического углеводорода. В результате разделения в двухступенчатом экстракторе получено три продукта: рафинат r2 (преобладание парафина), экстракт e2 (преобладание нафтена) и экстракт e1 (преобладание ароматического углеводорода). Путем изменения количества подаваемого растворителя в первый и второй экстракторы получены 30 кг рафината r2, 40 кг экстракта e2 и 30 кг экстракта e1 (с учетом, что расчеты проводились с заданной погрешностью в 0,5 кг). В этом примере фенол подавался в экстрактор 1 в количестве 130 кг, а в экстрактор 2 - в количестве 445 кг. Выход относительно сырья F экстрактов e1 и e2 и рафината r2 составил 29,8; 39,5 и 30,2 кг соответственно (табл. 6).

Серия расчетов была направлена на исследование экстракции по предлагаемому способу, отличающемуся тем, что в первом многоступенчатом экстракторе сырье контактирует с экстрактным раствором, отбираемым из зоны ввода промежуточного рафинатного раствора во второй экстрактор.

На фиг.6 представлена принципиальная схема предлагаемого способа. Сырье (F) контактирует в противотоке с потоком (SE1), обладающим свойствами избирательного растворителя, в первом многоступенчатом экстракторе 1 с получением в нем первого конечного экстрактного раствора (E1) и промежуточного рафинатного раствора (R1), вводимого в качестве сырья во второй многоступенчатый экстрактор 2 и контактирующего в противотоке с избирательным растворителем (S2), с выводом из второго экстрактора конечного рафинатного (R2) и второго конечного экстрактного (E2) растворов с последующей регенерацией растворителя из конечных двух экстрактных и рафинатного растворов и получением двух экстрактов (e1 и e2) и рафината (r1) в блоках регенерации 1, 3 и 2 соответственно. В первом многоступенчатом экстракторе в качестве потока, обладающего свойствами избирательного растворителя, используется экстрактный раствор (SE1), отбираемый из зоны ввода промежуточного рафинатного раствора во второй экстрактор.

Пример 2. В этом примере, как и в примере 1 (прототип), получены 30 кг рафината r2, 40 кг экстракта e2 и 30 кг экстракта e1 (с учетом, что расчеты проводились с заданной погрешностью в 0,5 кг). Для этого увеличено количество подаваемого растворителя S2 во второй экстрактор и осуществлена подача экстрактного раствора SE1 в первый экстрактор, исключена подача растворителя S1. Количество подаваемого фенола S2 составило 550 кг, а экстрактного раствора SE1 - 140 кг. Выход относительно сырья F экстрактов e1 и e2 и рафината r2 - 29,9; 40,2 и 30,3 кг соответственно (табл. 6).

В этом примере четкость разделения, по сравнению с примером 1, возросла. Так, для примера 1 содержание парафина в рафинате r2 - 74,0%, нафтена в экстракте e2 - 60,4%, ароматического углеводорода в экстракте e1 - 64,9, а для примера 2: 78,1%, 61,8% и 65,0% соответственно, то есть содержание парафина в рафинате r2 возрастает на 4,1%, нафтена в экстракте e2 - на 1,4%, содержание ароматического углеводорода в экстракте e1 увеличивается незначительно. Содержание других компонентов в каждом из экстрактов и рафинате в основном снижается (табл. 1). Также видно улучшение качеств (плотности и показателя преломления) отбираемых продуктов (табл. 2, примеры 1 и 2). Кроме этого, снизилась кратность растворителя с 5,75:1,0 до 5,5:1,0 (на 4%).

Пример 3. В этом примере, варьируя количества подаваемого растворителя S2 во второй экстрактор и экстрактного раствора SE1 в первый экстрактор, достигнут такой результат, что экстракты e1 и e2 и рафинат r2, получаемые по предлагаемому способу, имеют одинаковые состав и качество с экстрактами e1 и e2 и рафинатом r2, получаемыми по известному способу (пример 1) (табл. 1 и 2). В примере 3 количество подаваемого растворителя S2 во второй экстрактор - 512 кг, а экстрактного раствора SE1, вводимого в первый экстрактор, - 143 кг. Это показывает, что предлагаемый способ позволяет снизить при данных параметрах загрузки и температур кратность растворителя с 5,75:1,0 до 5,12: 1,0 (то есть использовать растворителя на 10,9% меньше, чем для прототипа - вместо суммарного значения по двум экстракторам для прототипа 575 кг, необходимо только 512 кг) при удовлетворительных качествах рафината и экстрактов. При этом выход относительно сырья F экстрактов e1 и e2 и рафината r2 составляет 31,9; 37,9 и 30,6 кг соответственно (табл. 6), то есть возрастает выход рафината на 2%.

В табл. 3 показано распределение потоков равновесных рафинатных и экстрактных растворов, покидающих теоретическую ступень, по ступеням экстракторов. В табл.4 представлено распределение температур по ступеням экстракторов, а в табл. 5 - содержание фенола в конечных экстрактных и рафинатном растворах.

Таким образом, предлагаемый способ жидкостной экстракции позволяет повысить четкость разделения сырья, снизить кратность растворителя, увеличить выход целевого продукта.

Библиографические данные:
1. Колесник И. О., Грязнов Б. В., Школьников В. М. Современное состояние и перспективы развития процесса селективной очистки масляного сырья фенолом. // Тематический обзор. ISSN 0202-1347. М.: ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1980. - (рис. 4. Схемы двухступенчатой селективной очистки, схема в) - N 7).

2. Гурвич В. Л., Сосновский Н. П. Избирательные растворители в переработке нефти. - М., Л.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы, 1953.-С. 108 (фиг.26).

Формула изобретения

Способ жидкостной экстракции путем противоточного контактирования сырья с потоком, обладающим свойствами избирательного растворителя, в первом многоступенчатом экстракторе с получением в нем первого конечного экстрактного раствора и промежуточного рафинатного раствора, вводимого в качестве сырья во второй многоступенчатый экстрактор и контактирующего в противотоке с избирательным растворителем, с выводом из второго экстрактора конечного рафинатного и второго конечного экстрактного растворов с последующей регенерацией растворителя из конечных двух экстрактных и рафинатного растворов и получением двух экстрактов и рафината, отличающийся тем, что в первом многоступенчатом экстракторе в качестве потока, обладающего свойствами избирательного растворителя, используется экстрактный раствор, отбираемый из зоны ввода промежуточного рафинатного раствора во второй экстрактор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9