Процессы разделения смесей основаны на различных физических свойствах компонентов, образующих смесь.
Отстаивание
Отстаивание — это разделение неоднородной жидкой смеси на компоненты, путём её расслоения с течением времени под действием силы тяжести.
Отстаиванием можно разделить смесь нерастворимых в воде веществ, имеющих разную плотность.
Пример. Смесь из железных и древесных опилок можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Железные опилки опустятся на дно сосуда, а древесные будут плавать на поверхности воды (2), и их вместе с водой можно будет слить в другой сосуд (3):
На этом же принципе основано разделение смесей малорастворимых друг в друге жидкостей.
Пример. Смеси бензина с водой, нефти с водой, растительного масла с водой быстро расслаиваются, поэтому их можно разделить с помощью делительной воронки:
Отстаиванием также можно разделить вещества, которые осаждаются в воде с различной скоростью.
Пример. Смесь из глины и песка можно разделить, если высыпать её в сосуд с водой (1), взболтать и дать отстояться. Песок оседает на дно значительно быстрее глины (2):
Этот способ используется для отделения песка от глины в керамическом производстве (производство глиняной посуды, красных кирпичей и др.).
Центрифугирование
Центрифугирование — это разделение неоднородных жидких смесей путём вращения.
Пример. Если компоненты неоднородной жидкой смеси очень малы, такие смеси разделяют центрифугированием. Такие смеси помещают в пробирки и вращают с большой скоростью в специальных аппаратах — центрифугах.
Перед центрифугированием частицы смеси распределены по объёму пробирки равномерно. После центрифугирования более лёгкие частицы всплывают наверх, а тяжёлые оседают на дно пробирки.
С помощью центрифугирования, к примеру, отделяют сливки от молока.
Фильтрование
Фильтрование — это разделение жидкой неоднородной смеси на компоненты, путём пропускания смеси через пористую поверхность. В роли пористой поверхности может выступать бумажная воронка, марля, сложенная в несколько слоёв, или любой другой пористый материал, способный задержать один или несколько компонентов смеси.
Фильтрованием можно разделить неоднородную смесь, состоящую из растворимых и нерастворимых в воде веществ.
Пример. Чтобы разделить смесь, состоящую из поваренной соли и песка, её можно высыпать в сосуд с водой, взболтать и затем эту смесь пропустить через фильтровальную бумагу. Песок остаётся на фильтровальной бумаге, а прозрачный раствор поваренной соли проходит через фильтр:
При необходимости, растворённую поваренную соль из воды можно выделить выпариванием.
Действие магнитом
С помощью магнита из неоднородной смеси выделяют вещества, способные к намагничиванию.
Пример. C помощью магнита можно разделить смесь, состоящую из порошков железа и серы:
Выпаривание. Кристаллизация
Выпаривание — это способ разделения жидких смесей путём испарения одного из компонентов. Скорость испарения можно регулировать с помощью температуры, давления и площади поверхности испарения.
Пример. Чтобы растворённую в воде поваренную соль выделить из раствора, последний выпаривают:
Вода испаряется, а в фарфоровой чашке остаётся поваренная соль. Иногда применяют упаривание, т. е. частичное испарение воды. В результате образуется более концентрированный раствор, при охлаждении которого растворённое вещество выделяется в виде кристаллов. Этот процесс получил название кристаллизации.
Дистилляция (перегонка)
Дистилляция (перегонка) — это способ разделения жидких однородных смесей путём испарения жидкости с последующим охлаждением и конденсацией её паров. Данный способ основан на различии в температурах кипения компонентов смеси.
Пример. При нагревании жидкой однородной смеси сначала закипает вещество с наиболее низкой температурой кипения. Образующиеся пары конденсируются при охлаждении в другом сосуде. Когда этого вещества уже не останется в смеси, температура начнёт повышаться, и со временем закипает другой жидкий компонент:
Таким способом получают, к примеру, дистиллированную воду.
Источник
Методы разделения, выделения и анализа углеводородных смесей
Общие принципы исследования химического состава нефти. Физические методы разделения, выделения и анализа углеводородных смесей: перегонка при пониженном давлении, азеотропная и экстрактивная перегонка, кристаллизация, экстракция и термическая диффузия.
Рубрика
Химия
Вид
реферат
Язык
русский
Дата добавления
06.10.2011
Размер файла
337,9 K
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Тема:Методы разделения, выделения и анализа углеводородных смесей
1 Общие принципы исследования химического состава нефти
2 Физические методы разделения, выделения и анализа углеводородных смесей
2.1 Перегонка при пониженном давлении
2.2 Азеотропная и экстрактивная перегонка
2.5 Термическая диффузия
1ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НЕФТИ
Исследование химического состава нефти имеет большое значение, так как оно позволяет научно подойти к решению вопроса о наиболее рациональных путях переработки нефти. Рассмотрим кратко общую методику исследования химического состава нефти.
В результате работ по исследованию нефти, проведенных в различных странах за последние 50 лет, разработана общая методика исследования состава нефти.
Вначале определяют содержание растворенных в нефти газов (до С4) и их состав, затем нефть обезвоживают и обессоливают, определяют ее основные константы (плотность, температуру застывания, молекулярную массу, вязкость при различных температурах, давление насыщенных паров, содержание парафина, смол, асфальтенов), элементный состав. Затем проводят перегонку нефти для получения узких бензиновых, керосиновых, газойлевых и масляных фракций (интервалы кипения 30-50 о С) и остатка. Перегонка проводится вначале при атмосферном давлении до 200°С, а затем в вакууме, чтобы понизить температуру перегонки и избежать возможных химических превращений компонентов нефти под действием тепла. Остаток анализируется отдельно.
Каждая из полученных фракций подвергается раздельному исследованию. Например, углеводороды бензиновой фракции разделяют на две части — ароматическую и нафтено-алкановую — с помощью адсорбции на силикагеле (жидкостно-адсорбционная хроматография, см.) Это разделение возможно потому, что ароматические углеводороды прочнее адсорбируются на поверхности адсорбента, чем нафтены и алканы. Если пропускать бензиновую фракцию через стеклянную колонку, наполненную мелкоизмельченным силикагелем (Si02), то ароматические углеводороды адсорбируются в первую очередь и задерживаются в верхней части колонки, а смесь нафтенов и алканов проходит в нижнюю часть и по мере накопления вытекает снизу.
Рисунок 1 — Кривая перегонки ароматической части бензиновой фракции
С помощью специальных растворителей можно вытеснить из колонки раздельно нафтено-алкановую и ароматическую части, причем разделение удается осуществить количественно. Этот метод разделения неоднократно проверялся на искусственных смесях. Например, приводятся следующие данные по исследованию адсорбционного разделения искусственной смеси углеводородов. Была приготовлена искусственная смесь из 17 чистых углеводородов массой 1752 г, в которой 625 г составляли 7 различных ароматических углеводородов (выкипающих до 160°С), а остальную часть 6 алканов и 4 нафтена. Разделение этой смеси на силикагеле дало 618 г ароматической части (потери 1,15%) и 1099 г нафтено-парафиновой части (потери 2,34%).
После разделения ароматическая и нафтено-алкановая части подвергаются четкой ректификации на специальных ректификационных колонках с высокой разделительной способностью (100-200 теоретических тарелок). В процессе перегонки строят кривую перегонки в координатах температура кипения — объем дистиллята (рис. 1). Площадки на этой кривой могут соответствовать либо индивидуальным углеводородам, либо смесям близкокипящих углеводородов, либо постоянно кипящим азеотропным смесям.
После четкой ректификации ароматической и нафтено-парафиновой части отдельно изучают узкие фракции ароматических углеводородов и узкие фракции смесей нафтенов и алканов. Если постоянно кипящая фракция является индивидуальным углеводородом, то определяются константы этого углеводорода и проводится его идентификация физико-химическими методами.
Если же какая-либо узкая фракция, отвечающая площадке на кривой, представляет собой смесь двух или нескольких веществ, то для разделения этих веществ можно использовать один из следующих методов:
1) перегонку при пониженном давлении;
2) азеотропную и экстрактивную перегонку;
5) термическую диффузию;
Некоторые из этих методов часто применяются также для разделения и анализа нефтяных углеводородов различных широких фракций нефти. Рассмотрим существо этих методов.
2ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ, ВЫДЕЛЕНИЯ ИАНАЛИЗА УГЛЕВОДОРОДНЫХ СМЕСЕЙ
нефть разделение перегонка диффузия
2.1Перегонка при пониженном давлении
Пониженное давление применяется для перегонки в двух случаях: во-первых, как уже говорилось, для перегонки высококипящих фракций нефти, чтобы избежать возможного разложения углеводородов, и, во-вторых, для разделения смесей углеводородов, имеющих близкие температуры кипения при атмосферном давлении и существенно различающихся при пониженном давлении. Так, смеси нафтенов и слаборазветвленных алканов могут быть разделены этим способом, так как они имеют различные коэффициенты изменения упругости пара с температурой (рис. 2).
Рисунок 2.1 — нафтен; 2 — алкан
При пониженных давлениях температуры кипения этих углеводородов могут различаться настолько, что возможно их разделение перегонкой.
Для разделения высококипящих углеводородов нефти (температура кипения выше 350-400°С) следует применять перегонку при глубоком вакууме с остаточным давлением 0,1-0,001 мм рт. ст.) или молекулярную перегонку (ост. давл. 0,001 мм рт. ст.).
Прибор для молекулярной перегонки состоит из специальной перегонной колбы, в которой поверхность, охлаждающая пары углеводородов, находится от поверхности перегоняемой жидкости на расстоянии, меньшем длины свободного пробега молекул, и системы, создающей вакуум и состоящей из диффузионного и вакуумного насоса. В процессе молекулярной перегонки проходит процесс испарения; молекулы отрываются от поверхности и, достигнув охлаждающей поверхности, оседают на ней, образуя конденсат.
Однако даже перегонка в глубоком вакууме не может обеспечить разделения компонентов нефти без их частичного разложения, особенно в тех случаях, когда вакуумной перегонке подвергаются тяжелые нефти или нефтяные остатки типа гудрона.
Эффективным методом разделения высококипящих компонентов нефти является метод разделения, основанный на ступенчатой экстракции компонентов тяжелого нефтяного сырья с помощью растворителя (например, н-пентана), находящегося в сверхкритических условиях. При взаимодействии такого растворителя, например, с гудроном, последний частично растворяется в растворителе. Если отделить раствор и снизить давление, то из раствора выпадает растворившаяся часть гудрона (это явление называется ретроградной (обратной) конденсацией). Если повышать давление в системе ступенчато, тем самым повышая растворяющую способность растворителя, удается постепенно извлекать новые порции компонентов гудрона со все возрастающей молекулярной массой. Такой метод разделения позволяет отобрать от гудрона до 90% углеводородов и получить остаток с температурой кипения выше 1000°С, в то время как обычной перегонкой удается извлечь из нефти без разложения фракции с температурой кипения
Государственный научный центр Российской Федерации «Научно- исследовательский институт атомных реакторов»
Приоритеты:
Изобретение относится к переработке углеводородного сырья и может быть использовано в производстве углеводородного топлива. Процесс заключается в том, что смеси углеводородов и теплоносителю перед их непосредственным контактом в объеме смешивания придают движение по криволинейным траекториям. В итоге в объеме смешивания получают локальные зоны со значительным снижением давления (абсолютного и парциального). Затем общий поток углеводородов и теплоносителя подают на диспергирование, после чего отводят продукты разделения. В результате снижаются энергетические затраты и уменьшается количество сложного технологического оборудования. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Формула изобретения
1. Способ разделения смеси углеводородов с различной температурой кипения, включающий ее подачу, нагревание и отвод продуктов разделения, отличающийся тем, что смеси углеводородов и газообразному теплоносителю перед их непосредственным контактом в объеме смешивания придают движение по криволинейным траекториям, подают их в объем смешивания и создают в этом объеме локальные вихревые зоны с пониженным значением абсолютного давления и одновременным снижением парциального давления паров углеводородов, затем общий поток углеводородов и теплоносителя подают на диспергирование жидкой фазы, после чего отводят продукты разделения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что общий поток углеводородов и теплоносителя перед диспергированием жидкой фазы направляют в последующий объем смешивания с новым потоком теплоносителя, в котором поддерживают относительно предыдущего объема смешивания более низкое среднее абсолютное давление.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что смеси углеводородов и теплоносителю придают движение по траекториям с различной кривизной.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к переработке углеводородного сырья и может быть использовано в производстве углеводородного топлива.
Уровень техники Первичная перегонка нефти на НПЗ осуществляется двумя способами: однократным испарением в одной ректификационной колонне и с предварительным испарением легких фракций или двукратным испарением (Багиров И.Т. Высокопроизводительные атмосферные и атмосферно-вакуумные установки. М., «Химия», 1964, с. 5; Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., «Химия», 1988, с. 41). Последний способ применяют наиболее часто, так как он позволяет довести глубину отбора дистиллятов до 75-80% от нефти.
Кратко рассмотрим последовательность операций первичной перегонки, осуществляемой по классической схеме.
Перед подачей нефти на разделение требуется ее подготовка. Подготовка нефти осуществляется в блоках ЭЛОУ (электрообезвоживающая и обессоливающая установка). Оборудование сложное в изготовлении и эксплуатации, взрывоопасное (Дехтерман А. Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., «Химия», 1988, с. 36).
Для разделения углеводородного сырья (в том числе и нефти) его нагревают. На предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности эту операцию производят путем подвода тепла через разделяющую стенку (змеевик) за счет сжигания топлива. Для этой цели используют различные трубчатые печи (Ентус Н.Р., Шарихин В.В. Трубчатые печи в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М. , «Химия», 1987, с. 6, и др.). В них нагревают жидкие и газообразные углеводороды. При этом могут происходить следующие процессы: нагрев, испарение, перегрев. Возможно и проведение термотехнологических и химических процессов. Нагреваемое углеводородное сырье проходит по змеевикам. Теплоподвод к сырью происходит, как отмечалось, через его стенку. Существует ограничение по теплонапряженности поверхности нагрева. Отложения солей или кокса на стенках змеевика является причиной быстрого повышения температуры стенки труб, что, в конечном итоге, приводит к резкому сокращению срока службы печных труб. Поэтому для сырья, содержащего смолистые соединения, теплонапряженность устанавливают невысокой. Снижение запасов нефти традиционных месторождений повышает интерес к добыче и, соответственно, переработке тяжелых нефтей (Ратов А.Н., Немировская Г.Б. и др. Проблемы освоения нефтей Ульяновской области. «Химия и технология топлив и масел», N 4, 1995 г.). Поэтому использование трубчатых нагревателей для таких нефтей становится проблематичной. Кроме того, для змеевиков требуется использование высоколегированной, дорогостоящей стали. В целом, трубчатая печь относится к сложному и дорогостоящему оборудованию, имеющему ограниченный ресурс.
Разделение нефти на фракции основано на различии температуры кипения ее компонентов. Низкокипящая часть переходит в паровую фазу и, после конденсации, образует дистиллят. Для четкого разделения смеси используют атмосферную или вакуумную ректификацию (Дехтерман А.Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М. , «Химия», 1988, с.26). Ректификационные аппараты относятся к достаточно технологически и конструкционно-отработанному оборудованию. Тем не менее это — сложное оборудование.
Под действием температуры выше 360 o C происходит процесс расщепления молекул нефтяного сырья. Этот процесс называют термическим крекингом (Дехтерман А. Ш. Переработка нефти по топливному варианту. М., «Химия», 1988, с. 47). Осуществляют этот процесс в установках термокрекинга (там же, с. 49). Работа установок термического крекинга характеризуется небольшим временем межремонтного пробега, иногда не более 20 суток (там же, с. 51). Разновидностью этого процесса является (Конь М.Я., Зелькинд Е.М., Шершун В.Г. Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая промышленность за рубежом. Справочник. М., «Химия», 1986, с. 124.) способ термокрекинга гудронов с перегретым водяным паром. Процесс является полупериодическим. Гудрон, предварительно нагретый до 500 o C, подают в реакторный блок, состоящий из двух емкостных реакторов. Реакторы работают последовательно: один заполняется сырьем, а через другой продувают перегретый до 600 o C водяной пар, в результате чего происходит термокрекинг сырья. Газообразные и жидкие продукты термокрекинга вместе с водяным паром выносятся из реактора. Таким образом, для реализации процесса термокрекинга требуется отдельная сложная в эксплуатации установка.
Рассмотренные операции (подготовка, нагрев, собственно выделение низкокипящей фракции, термокрекинг) в процессе разделения углеводородов происходят последовательно, то есть не совмещены во времени. Для каждой из них требуется отдельное сложное оборудование. Некоторые виды оборудования имеют ограниченный ресурс.
Цель изобретения Целью изобретения является снижение затрат энергии на единицу продукции и значительное уменьшение количества сложного технологического оборудования или, другими словами, снижение эксплуатационных и многократное уменьшение капитальных затрат. Это достигается путем одновременного проведения операций (нагревание, обезвоживание, снижение абсолютного и парциального давления, испарение низкокипящей фракции и, при необходимости, термокрекинг) по разделению смеси углеводородов с различными температурами кипения в едином объеме. При сохранении отмеченного у аналогов такого достоинства, как проведение непрерывного процесса, разделение смеси углеводородов достаточно эффективно: по качеству разделения предлагаемый способ занимает промежуточное положение между простой перегонкой и вакуумной ректификацией.
Сущность изобретения Поставленная цель достигается тем, что смеси углеводородов и газообразному теплоносителю перед их непосредственным контактом в объеме смешивания придают движение по криволинейным траекториям. В итоге в объеме смешивания получают локальные зоны со значительным снижением давления (абсолютного и парциального). Локальное снижение абсолютного давления относительно среднего в этом объеме происходит за счет вихревого движения сред. Снижение парциального давления углеводородов происходит за счет нахождения в этом объеме газообразного теплоносителя. Применение непосредственного контакта сред позволяет исключить твердую стенку теплопередачи, то есть исключить при этом недостатки, отмеченные у аналога. Кроме того, непосредственный контакт сред, совмещенный с вихревым их движением, обуславливает интенсивный теплообмен. Результатом этого является: значительное увеличение скорости испарения и переход в паровую фазу углеводородов с температурой кипения выше, чем средняя температура общего потока обеих сред. Затем общий поток углеводородов и теплоносителя направляют на диспергирование жидкой фазы с целью значительного увеличения межфазной поверхности, необходимой для окончания процесса испарения и отделения газообразной фазы от жидкой. Затем газообразную и жидкую фазы отводят раздельно. С целью увеличения количества паровой фазы углеводородов общий поток перед диспергированием может быть направлен в последующий объем смешивания с новой порцией теплоносителя, подаваемого также по криволинейной траектории. В последующем объеме смешивания относительно предыдущего поддерживают более низкое среднее абсолютное давление. Таким образом, количество стадий смешивания может быть одна или более.
При использовании данного решения для первичной переработки нефти не требуется предварительной ее подготовки (обезвоживания), а также стадии предварительной ректификации («отбензинивания»).
Отличительные признаки данного решения позволяют провести несколько процессов: теплообмен, вакуумирование, снижение парциального давления, испарение, обезвоживание и, при необходимости, термический крекинг интенсивно и одновременно в едином объеме при непосредственном контакте с теплоносителем. Кроме того, окончание процесса испарения и разделения фаз производят, создавая значительную межфазную поверхность.
Новые существенные признаки заявляемого решения в научной и технической литературе не обнаружены, предложенное решение не следует явным образом из уровня техники, совокупность признаков обеспечивает новые свойства, что позволяет сделать вывод, что заявляемое решение соответствует критерию изобретательский уровень.
На фиг. 1 приведена последовательность стадий по предлагаемому способу.
На фиг. 2 приведены результаты фракционной разгонки исходного углеводородного сырья и двух частей: дистиллята и остатка.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Предлагаемый способ реализован на пилотной установке по разделению нефти производительностью до 0,2 т/ч. Последовательность операций воспроизведена в устройстве, которое состоит из двух частей: контактного турбулентного испарителя и сепаратора емкостного типа, в котором заканчивается процесс испарения и происходит разделение газообразной и жидкой фаз. После чего они выводятся из сепаратора раздельно. Кроме того, установка оснащена различным емкостным оборудованием для хранения сырья и сбора получаемых продуктов. Теплообменным оборудованием для нагрева теплоносителя и охлаждения продуктов. Насосным оборудованием и контрольно-измерительными приборами. В качестве исходного сырья использовалась нефть месторождения Вишенское Ульяновской области (Ратов А.Н., Немировская Г.Б. и др. Проблемы освоения нефтей Ульяновской области. «Химия и технология топлив и масел», N 4, 1995 г.). Нефть содержит много смолистых соединений и примесей. Использовалась нефть и других месторождений, с другим составом. В качестве теплоносителя использовались: насыщенный водяной пар с давлением до 1,0 МПа; перегретый водяной пар с давлением до 1,0 МПа и температурой до 600 o C (температура ограничена технически для данного исполнения нагревателя); азот давлением до 0,7 МПА и температурой до 600 o C; метан давлением до 0,7 МПа и температурой до 600 o C. При этих значениях давления и температуры линейные скорости подачи нефти изменяли в диапазоне 5-15 м/с, линейные скорости подачи теплоносителя — 200-400 м/с. С увеличением значения скорости подачи эффективность процесса разделения нелинейно возрастает. Выбор значения скоростей подачи для конкретного технологического процесса оптимизируется по нескольким факторам, в том числе и по экономическому фактору.
Смесь углеводородов (нефть) и теплоноситель подают в турбулентный испаритель. В этом устройстве первоначально производят формирование раздельного криволинейного движения потоков углеводородов и теплоносителя (фиг. 1, стадии 1 и 2). Далее при смешивании и при их совместном движении (там же, стадия 3) проводят следующие процессы с углеводородным сырьем: нагрев, интенсивное испарение части углеводородов с понижением парциального давления, термический крекинг, удаление содержащейся в капельном виде воды. Окончание процесса испарения проводят при диспергировании жидкой фазы (там же, стадия 4) в емкость- сепаратор. Давление в этой емкости может быть близко к атмосферному давлению. Средняя температура в ней определяется температурой и расходом теплоносителя, а также составом углеводородного сырья. При использовании всех теплоносителей, кроме насыщенного водяного пара, и устанавливая температуру в емкости-сепараторе выше 120-150 o C (при избыточном давлении в емкости 0,2-0,4 атм), определяют отсутствие капельной воды в углеводородном остатке. Водяной пар конденсируют совместно с дистиллятом. Далее вода в капельном виде удаляется простым отстаиванием до уровня растворимости. Результаты одного из процессов разделения нефти месторождения Вишенское Ульяновской области (ИСХ) представлены на фиг. 2. Низкокипящий компонент (НК) — это дистиллят. Высококипящий компонент (ВК) — это остаток. Видно, что качество разделения высокое: температура конца кипения НК совпадает с температурой начала кипения ВК. Глубина отбора дистиллята (количество испарившейся части углеводородов) зависит от температуры и расхода теплоносителя, то есть от технологического режима проведения процесса. При использовании предлагаемого способа на установке достигали глубины отбора испаряемой части нефти месторождения Вишенское до 85%. Дальнейшее увеличение количества отбираемой части нефти данного состава связано с неоправданными энергетическими затратами.
Таким образом, в непрерывном режиме работы установки и достижении необходимой глубины отбора сокращены эксплуатационные затраты на проведение процесса и количество используемого для этого оборудования.
