Сущность методов разделения компонентов нефти - Химия нефти и газа

Методы разделения нефти используются для выделения из нее отдельных фракций или индивидуальных веществ, а также для проведения анализа нефти и нефтепродуктов. Существуют химические и физические методы разделения. В основе химических методов лежат специфические реакции определенного класса или группы веществ, в которые другие соединения нефти не вступают. Физические (или физико-химические) методы основаны на различии концентраций компонентов в сосуществующих равновесных фазах.

Основным физическим методом разделения и очистки нефти и ее компонентов является Перегонка. В общем случае перегонка заключается в нагревании жидкости до кипения и конденсации ее паров в виде дистиллята в холодильнике.

Существует два вида перегонки - Прямоточная перегонка и противоточная перегонка (ректификация).

Общий процесс перегонки заключается в том, что перегоняемое вещество (нефть или нефтяную фракцию) нагревают, по мере повышения температуры присутствующие в смеси индивидуальные соединения начинают испаряться, после чего закипают. Переход компонентов нефти из жидкого в парообразное состояние происходит последовательно, в соответствии с их температурами кипения. При прямоточной перегонке происходит перемещение только одной фазы, а именно пара. Если же часть сконденсированного пара (так называемая Флегма) стекает навстречу восходящему пару и постоянно возвращается в перегонную колбу, то это процесс противоточной перегонки. Противоточная перегонка осуществляется с помощью ректификационных колонок.

Схемы различных вариантов процесса перегонки: А - прямоточная перегонка, Б - ректификация:

Метод перегонки основан на том, что давление паров жидкости сильно возрастает с повышением температуры. Когда оно становится равным внешнему давлению, система приходит в состояние термодинамического равновесия (?G=0), и жидкость закипает, а при G< 0 начинается процесс перегонки.

График зависимости логарифма давления паров (ln p) от обратной температуры (1/T) изображается линиями, близкими к прямым:

Рисунок 4

Наклон прямой определяется величиной молярной энтальпии испарения (HИсп). Поэтому у веществ, сходных по своему химическому строению и имеющих близкие температуры кипения (например, углеводородов нефти), разница в наклоне прямых невелика. Для разделения таких веществ требуется применение ректификации.

По этим прямым можно определять величину внешнего давления паров при разных температурах кипения (например, в точках А, B, C), и наоборот. Для грубой оценки можно применять следующее эмпирическое правило: при уменьшении внешнего давления в 2 раза температура кипения понижается примерно на 15 0С.

Математически процесс перегонки описывается следующим уравнением:

Где xA И xB - мольные доли компонентов А и В в жидкой фазе; yA И yB - мольные доли компонентов А и В в паровой фазе; относительная летучесть, которая равна отношению упругостей паров чистых компонентов А и В: PA/PB.

И лишь в этом случае возможно разделение компонентов при перегонке. В общем случае простую прямоточную перегонку целесообразно применять для жидкостей с температурой кипения от 40 до 150 0С.

В этом случае испарение и конденсацию необходимо повторить многократно. Это можно осуществить в одном процессе с помощью ректификационных колонок, в которых пар и жидкость движутся противотоком.

Флегма - это часть перегоняемой жидкости, которая конденсируется на тарелках разделения и стекает обратно в куб. Дистиллят - это часть перегоняемой жидкости, которая испаряется с тарелок и поступает в приемник. Флегма состоит из более высококипящих фракций, чем дистиллят. Дистиллят представляет собой фракцию с узким интервалом температуры кипения, которая содержит только одно индивидуальное вещество или смесь небольшого числа индивидуальных веществ с близкими температурами кипения.

Эффективность ректификационной колонки оценивается по числу так называемых теоретических тарелок. Теоретической тарелкой, или теоретической ступенью разделения называют некоторую условную единицу колонки, где обогащение легколетучим компонентом соответствует термодинамическому равновесию между паром и жидкостью.

В обшем случае ректификационную перегонку следует применять, если температуры кипения разделяемых соединений отличаются менее чем на 80 0С.

В результате перегонки нефти получают отдельные Фракции - ее части, отличающиеся температурами кипения. Каждая из фракций характеризуется температурами начала и конца кипения. Фракционный состав нефти является важным показателем ее качества.

Обычно при атмосферной перегонке получают следующие фракции, которые называют по направлениям их использования:

    (30-60) - 140 0С - бензиновая фракция; 140 - 180 0С - бензиновая фракция (тяжелая нафта); 140 - 220 0С (180 - 240 0С) - керосиновая фракция; 180 - 350 0С (220 - 350 0С, 240 - 350 0С) - дизельная фракция (легкий или атмосферный газойль, соляровый дистиллят).

Продукты, выкипающие до 350 0С, называют светлыми. Остаток после отбора светлых фракций, выкипающий при температуре выше 350 0С, называется мазутом, который разгоняют на темные фракции под вакуумом (т. е. при пониженном давлении).

Светлые и темные фракции нефти практически полностью состоят из основных компонентов нефти - углеводородов различных классов (см. с. 12).

При переработке мазута в топливо получают следующие топливные фракции:

350 - 500 0С - вакуумный газойль (вакуумный дистиллят);

> 500 0С - вакуумный остаток (гудрон).

При переработке мазута в масла получают следующие масляные фракции:

    300 - 400 0С (350 - 420 0С) - легкая масляная фракция (трансформаторный дистиллят); 400 - 450 0С (420 - 490 0С) - средняя масляная фракция (машинный дистиллят); 450 - 490 0С - тяжелая масляная фракция (цилиндровый дистиллят);

> 490 0С - гудрон.

Разновидностями противоточной перегонки являются Азеотропная и экстрактивная ректификация. Азеотропную ректификацию используют для выделения аренов из смесей с алканами. В этом случае в разделяемую смесь добавляют, в зависимости от температуры кипения аренов, соответствующий азеотропный растворитель (метанол, ацетон, эфиры гликолей. Этот растворитель образует с выделяемыми аренами так называемые Азеотропные смеси, для которых характерно равенство составов жидкой и паровой фаз. Поэтому при их перегонке образуется конденсат такого же состава, что и исходный раствор. При охлаждении азеотропной смеси в холодильнике растворимость аренов в азеотропном растворителе резко снижается, в результате чего смесь расслаивается, после чего слой аренов легко отделяют.

Экстрактивная ректификация основана на использовании высококипящих растворителей, не образующих азеотропных смесей с разделяемыми компонентами. Она широко используется для выделения и очистки алкенов, алкадиенов и аренов из продуктов пиролиза и каталитического риформинга нефтяных фракций.

Для разделения компонентов нефти используются и другие физические методы:

    1. Возгонка. Отличается от перегонки тем, что при нагревании в парообразное состояние переходят не жидкие, а твердые компоненты нефти (например, некоторые фенолы). 2. Абсорбция и адсорбция. Эти методы основаны на избирательном поглощении растворенных в нефти газообразных углеводородов специально подобранными абсорбентами (в случае абсорбции) или газообразных и жидких веществ - твердыми адсорбентами (в случае адсорбции).

Абсорбция, в частности, используется для выделения ацетилена из продуктов окислительного пиролиза природного газа, а также для его очистки.

Адсорбция является очень эффективным методом разделения углеводородов и гетероатомных соединений, присутствующих в нефти и нефтепродуктах. В качестве адсорбентов наиболее часто используют силикагели, активированные угли, оксид алюминия, а также цеолиты (молекулярные сита), имеющие высокоразвитую пористую поверхность и состоящие из оксидов Na, K, Mg, Ca, Al, Si и воды.

    3. Экстракция. Метод заключается в избирательном растворении твердых или жидких компонентов нефти подходящими растворителями. Экстракция применяется в нефтеперерабатывающей промышленности для выделения аренов из катализаторов риформинга нефтяных фракций, а также для селективной очистки смазочных масел. 4. Кристаллизация. Метод основан на охлаждении нефти или ее фракций, при этом углеводороды с достаточно высокой температурой плавления кристаллизуются и выпадают в осадок, после чего их отделяют фильтрацией. 5. Конденсация. Метод заключается в переводе газообразных веществ в жидкое состояние путем охлаждения. 6. Диффузия через мембрану. Метод основан на различии в форме разделяемых молекул и их разной растворимости в материале мембраны. На пути потока нефти ставится полупроницаемая полимерная мембрана с определенным диаметром пор, через которую избирательно проникают и тем самым отделяются от нефти газы, а также жидкие углеводороды с небольшой молекулярной массой. 7. Сепарация. Это разделение твердых частиц на фракции по скорости их осаждения (в зависимости от их размера) в восходящем потоке воздуха.

Химические методы разделения основаны на различной реакционной способности компонентов нефти в реакциях гидрирования, дегидрирования, сульфирования, изомеризации, галогенирования и др.(см. разд. 6 и 7).

Особое значение при переработке сернистых нефтей имеют химические методы удаления соединений серы (обессеривание нефти). Из летучих нефтепродуктов соединения серы удаляют с помощью каталитической гидроочистки (см. разд. 7). Однако в тяжелых нефтяных фракциях остается большое количество серосодержащих соединений, которые являются ядами для катализаторов переработки нефти. Примеси кислород - и азотсодержащих веществ также отрицательно влияют на процессы переработки нефти и ухудшают качество нефтепродуктов. Создание химических методов полного удаления из нефти гетероатомных соединений представляет собой важную технологическую задачу.

Горючие природные газы разделяют следующим образом. Предварительно из них удаляют водяные пары, механические примеси и кислые газы. Основные методы осушки газов от водяных паров - абсорбция, адсорбция или конденсация. Твердые механические примеси отделяют методами осаждения, пылеулавливания, а также в циклонных сепараторах. Сепарационные устройства применяют и для отделения частиц жидкости. Кислые газы удаляют методами физической или химической адсорбции или их комбинированием. После этого из природных газов методами абсорбции, низкотемпературной адсорбции и конденсации извлекают основные продукты их переработки - углеводороды. Углеводороды разделяют фракционной конденсацией, ректификацией сжиженного газа, избирательной абсорбцией или адсорбцией, а также с помощью полупроницаемых мембран [1].

Нефтяные попутные газы отделяют от нефти в сепараторах в две или три ступени под небольшим давлением или при разрежении. Однако даже при трехступенчатой сепарации полное отделение газа от нефти не достигается, поэтому при ее транспортировке или хранении возможны потери остатка легких углеводородов.

Похожие статьи




Сущность методов разделения компонентов нефти - Химия нефти и газа

Предыдущая | Следующая