СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ МАСЛЯНЫХ ФРАКЦИЙ Российский патент 1996 года по МПК C10G21/00 

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 другие.

Известен способ селективной очистки масляных фракций [1] осуществляемый путем противоточного контактирования сырья (масляной фракции, F) с растворителем (фенолом, S), 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 экстрактора и рафинатного растворов и получением рафината (r) и экстракта (e) [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 раствора (рисайкла) в зоне ниже ввода сырья ("отгонной" части экстрактора).

Основной целью настоящего изобретения является повышение отбора рафината при селективной очистке масляных нефтяных фракций.

Поставленная цель достигается тем, что при селективной очистке масляных фракций путем противоточного контактирования сырья, вводимого в среднюю часть экстрактора, с растворителем, вводимым в верхнюю часть экстрактора, в присутствии антирастворителя, подаваемого а нижнюю часть экстрактора, с последующей регенерацией растворителя из экстрактного и рафинатного растворов и получением рафината и экстракта, часть рафинатного раствора, отводимого с верха экстрактора при температуре, не превышающей температуры его на выходе из экстрактора, вводят в экстрактор между вводами сырья и антирастворителя.

Ввод части рафинатного раствора (R-1) 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 до 10% 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 части рафинатного раствора в экстрактор, а именно между вводами сырья и антирастворителя.

Предлагаемый способ реализуется в полной экстракционной колонне (экстракторе), т.е. 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 части рафинатного раствора (R-1) между вводами сырья и антирастворителя, что позволило увеличить отбор рафината.

Кроме того, в предлагаемом способе при одинаковых исходных позициях (загрузки; температуры; составе сырья, растворителя и антирастворителя; числа теоретических ступеней) с прототипом содержание фенола в рафинатном растворе ниже, а в экстрактом выше, что свидетельствует о большой эффективности процесса селективной очистки масляных фракций. Увеличение и выравнивание массовых внутренних потоков рафинатного раствора по ступеням (высоте аппарата) приводит к более эффективному взаимодействию внутренних потоков как в существующих промышленных экстракторах, в особенности работающих на пониженных нагрузках по сырью, так и во вновь проектируемых аппаратах.

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, снижает содержание фенола в рафинатном растворе, увеличивает и выравнивает массовые внутренние потоки рафинатного раствора по ступеням (высоте) экстрактора. На фиг.2 представлена принципиальная схема предлагаемого способа с общим числом теоретических (равновесных) ступеней очистки равным пяти применительно к процессу селективной очистки масляного сырья фенолом.

Сырье (F) подается на третью, считая сверху, теоретическую ступень контактирования (в принципе, можно предусмотреть несколько вводов cырья на различные ступени), противотоком ему в верхнюю часть экстрактора (на первую теоретическую ступень) подается растворитель S=фенол, и для создания рисайкла на пятую теоретическую ступень подается антирастворитель С-фенольная вода. Между вводами сырья и антирастворителя на четвертую теоретическую ступень подается часть рафинатного раствора выводимого сверху экстрактора. С низа экстрактора выводится экстрактный раствор Е-5, после выделения из которого фенола в блоке регенерации получают экстрактер, представляющий собой, в основном, нежелательные компоненты, извлеченные растворителем из сырья. С верха экстрактора выводится рафинатный раствор R-1. Часть этого раствора в количестве (Р), предварительно охлажденного, возвращается в экстрактор на четвертую ступень, а оставшаяся часть раствора в количестве [(R-1)-(P)] поступает в блок регенерации, где после выделения из него растворителя получают рафинат (r), представляющий собой очищенную от нежелательных компонентов масляную фракцию (сырье). Регенерированный растворитель (Sr и Se) возвращается в экстрактор.

Для проверки эффективности предлагаемого способа на примере селективной очистки масляных фракций фенолом проведены исследования на ЭВМ (электронно-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 экстрактов селективной очистки различных масляных фракций эквивалентна трем-пяти теоретическим ступеням. В связи с этим при очистке 4 масляной фракции фенолом в качестве прототипа была выбрана схема с пятью теоретическими ступенями (фиг.2), т.е. с более жесткими условиями, когда речь идет об увеличении выхода рафината.

Температура 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 (4 масляная фракция), растворителя (обводненный фенол) и антирастворителя (фенольная вода), их температуры ввода, а также число теоретических ступеней в экстракторе были одинаковы для всей серий расчетов. Соотношение указанных потоков, их составы и температуры приняты в соответствии с технологическим режимом промышленных установок селективной очистки 4 масляной фракцией фенолом.

Одним из основных элементов расчета на ЭВМ противоточной адиабатической многоступенчатой жидкостной экстракции является расчет коэффициентов активности, для расчета которых использовали 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 др. индивидуальные углеводороды) плюс два компонента фенол и вода. Таким образом расчет фазового равновесия между взаимодействующими потоками на каждой теоретической ступни вели для 14 компонентов.

Исходные данные:
количество вводимого сырья, кг 200
количество вводимого фенола, кг 340
количество вводимой фенольной воды 6
температура ввода сырья, С 67
температура ввода фенола, С 73
температура ввода фенольной воды, С 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 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.

Реализация предлагаемого способа на промышленной установке достаточно проста и не требует значительных затрат.

Основными параметрами, оказывающими определяющее воздействием для достижения поставленной цели по предлагаемому способу, являются количество и температура рафинатного раствора, подаваемого на четвертую ступень.

Для количественной оценки влияния каждого из этих определяющих параметров на увеличение выхода (отбора) рафината была проведена большая серия расчетов ("опытов") на ЭВМ с изменением значений указанных параметров в широких пределах для заданной системы. Количество рафинатного раствора варьировалось от 0 (прототип) до 200 кг, а его температура от 30 до 70^oС.

При реализации предлагаемого способа на промышленной установке потребуется осуществить оптимальный выбор температуры и количества вводимого в экстрактор рафинатного раствора 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.

Пример 1.

Первая серия "опытов" (расчетов) была направлена на исследование прототипа, т.е. 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 проценты 68,5
Содержание фенола в рафинатном растворе, мас. 19,3
Фактор расслаивания для первой ступени, мольный 0,837
Фактор расслаивания для четвертой ступени, мольный 0,98
Фактор расслаивания для пятой ступни, мольный 0,847
Пример 2.

Большая серия расчетов ("опытов") была направлена на исследование экстрактора по предлагаемому способу, который отличается от прототипа тем, что часть предварительно охлажденного раствора (р) вводят в экстрактор между вводами сырья и антирастворителя на четвертую ступень.

Ниже представлена часть результатов проведенных расчетов, демонстрирующих возможность достижения поставленной цели и преимуществ предлагаемого способа по сравнению с прототипом.

Представленные сведения о результатах исследования прототипа и предлагаемого способа позволяют сделать следующие обобщения.

Проведенные исследования подтверждают принципиальную возможность повышения выхода (отбора) рафината по предлагаемому способу (табл.4, табл.5). В частности, в исследуемой области показано влияние двух определяющих факторов на увеличение выхода рафината: количество и температура рафинатного раствора подаваемого в экстрактор.

Отбор рафината повышается на 7,2% мас. по сравнению с прототипом при увеличении подачи рафинатного раствора с фиксированной температурой (табл.4). Наблюдается слабая тенденция роста (предположительно экспоненциальная) выхода рафината с дальнейшим увеличением подачи рафинатного раствора.

Отбор рафината повышается на 7,2% мас. по сравнению с прототипом при увеличении подачи рафинатного раствора с фиксированной температурой (табл.4). Наблюдается слабая тенденция роста (предположительно экспоненциальная) выхода рафината с дальнейшим увеличением подачи рафинатного раствора.

Отбор рафината повышается на 4,3% мас. и 6,69% мас. соответственно для верхнего и нижнего значений температур варьируемых в исследованиях при фиксированном расходе рафинатного раствора (табл.5). Очевидно, что только за счет уменьшения температуры рафинатного раствора выход рафината увеличивается, в данном примере на 2,31% мас.

Повышение отбора рафината под влиянием этих факторов можно объяснить, в частности, ростом градиента температур по высоте экстрактора по предлагаемому способу (табл.8) по сравнению с прототипом (табл.3). Так, если для прототипа разность температур между первой и пятой ступенями составляет 2,8^oС, то для предлагаемого рост градиента температуры с увеличением количества рафинатного раствора, подаваемого в экстрактор при заданной температуре. Рост градиента температур способствует более эффективной очистке в процессе экстракции: улучшение селективности процесса, увеличение отбора ценных сырьевых компонентов и др. Значительное снижение температуры на 4-ой и 5-ой 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 рафинатного раствора в экстрактор.

Обоснование выбора пределов изменения температуры рециркулята (рафинатный раствор) в предлагаемом способа.

Верхним (максимальным значением температуры рециркулята принимается температуры рафинатного раствора (R-1) выводимого из верхней части экстрактора. Если температура рециркулята будет выше принятой, то это повлечет за собой усложнение схемы подкачки рециркулята: необходимо устанавливать дополнительный нагреватель (теплообменник) параллельно с холодильником, что приведет к увеличению стоимости процесса и энергозатрат, усложнению управления процессом, снижению температурного градиента экстрактора (к снижению селективности процесса) и др.

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 рафинатного раствора, в частности, таких, как вязкость, плотность, температура застывания, теплоемкость и др.

И понижение температуры и увеличение количества вводимого в экстрактор рециркулята одновременно способствуют увеличению выхода рафината, однако, повышенный отбор целевого рафината может повлечь ухудшение его качественных характеристик. При реализации предлагаемого способа на промышленных установках потребуется осуществить оптимальный выбор температуры и количества вводимого в экстрактор рафинатного раствора, основанный на технико-экономическом анализе. Однако, необходимо особо подчеркнуть, что качество рафината, удовлетворяющее техническим требованиям, является определяющим критерием при окончательном выборе анализируемых двух определяющих факторов.

Необходимо отметить также, что количество вводимого в экстрактор рафинатного раствора 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 таблицах 2 и 7 показывает, что потоки экстрактного раствора на каждой теоретической ступени мало изменяется в зависимости от количества рециркулята, подаваемого в экстрактор. В то же время отмечается увеличение потоков рафинатного раствора и, соответственно, за счет этого рост суммарных потоков на каждой ступени, за исключением 5-ой (нижней) ступени. Последнее свидетельствует о том, что рециркулят извлекает из экстрактного раствора (Е-3) большую долю ценных компонентов, а на долю антирастворителя остается меньшая часть, что подтверждается уменьшением потока рисайкла (R-5) полученной под воздействием антирастворителя.

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 составов рафинатов и экстрактов для прототипа (табл.1) и предлагаемого способа (табл.6) показывает, что увеличение отбора под влиянием двух определяющих факторов подтверждается составом экстракта, в котором доля ценных сырьевых компонентов (с 1 по 8, представляющие собой парафиновые, нафтеновые и изопарафиновые углеводороды) уменьшаются, а нежелательных, низкоиндексных с 9 по 12, представляющих собой ароматические углеводороды (однокольчатые, двух-, трехкольчатые с алкильными цепями и др.) - увеличивается.

Анализ влияния количества подаваемого в экстрактор рафинатного раствора при заданной температуре (табл. 4) показывает улучшение эффективности (например, селективности) протекания процесса жидкостной экстракции. Так с увеличением подачи рециркулята, помимо главного увеличения отбора рафината, в рафинатном растворе уменьшается, а в экстрактном растворе повышается содержание фенола. Кроме того, факторы расслаивания, представляющие собой отношение количества экстрактного раствора к количеству исходной смеси (F_j= E_j + R_j для каждой j-ой ступени) Φ₁, Φ₄ уменьшаются.

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

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

Сущность изобретения: часть рафинатного раствора, отводимого с верха экстрактора, вводят в экстрактор между вводами сырья и антирастворителя при температуре не выше температуры рафинатного раствора на выходе из экстрактора. Сырье вводят в среднюю часть экстрактора и подвергают контактированию с растворителем, подаваемым в верхнюю часть экстрактора, в присутствии антирастворителя, подаваемого в нижнюю часть экстрактора. 2 ил.

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 экстрактного и рафинантного растворов с получением рафината и экстракта, отличающийся тем, что часть рафинатного раствора, отводимого с верха экстрактора, вводят в экстрактор между вводами сырья и антирастворителя при температуре не выше температуры рафинатного раствора на выходе из экстрактора.