Курсовая работа: Автоматизация процесса селективной очистки масел

При растворении компонентов нефтяного сырья в растворителях могут в той или иной степени проявляться все составляющие сил межмолекулярного взаимодействия. Очевидно, с повышением температуры роль ориентационного взаимодействия и водородных связей уменьшается и роль дисперсионных сил возрастает.

Межмолекулярные силы взаимодействия при растворении компонентов масляных фракций в полярных и неполярных растворителях различны. Неполярные растворители, как например, низкомолекулярные жидкие или сжиженные углеводороды или соединения с небольшим дипольным моментом (хлороформ, этиловый спирт и др.) характеризуется тем, что притяжение между молекулами растворителя и углеводородов нефтяных фракций, обусловливающее образование растворов, происходит за счет дисперсионных сил. Неполярные растворители смешиваются с жидкими углеводородами нефти в любых соотношениях.

Твердые углеводороды масляных фракций ограниченно растворяются в неполярных растворителях. Растворимость их подчиняется общим законам теории растворимости твердых углеводородов в неполярных растворителях, в том числе в жидких компонентах масляных фракций, - уменьшается с увеличением их концентрации и молекулярной массы, а также температуры кипения фракций. Растворимость твердых углеводородов увеличивается при повышении температуры, при температуре плавления парафины и церезины, так же как и жидкие углеводороды, неограниченно растворяются в неполярных растворителях.

В производстве нефтяных масел наиболее широко используются полярные растворители. Под действием ориентационного взаимодействия в полярном растворителе будут в первую очередь растворяться смолистые соединения и гетеросоединения. При дальнейшем увеличении количества полярного растворителя под действием индукционных сил будут растворяться полициклические. При повышении температуры системы ее кинетическая энергия возрастает, что приводит к увеличению дисперсионной составляющей, так как в этом случае из-за возрастания теплового движения молекул ориентация их под действием электрического поля молекул растворителя затрудняется. Под влиянием дисперсионных сил преимущественно растворяются нафтеновые и парафиновые углеводороды.

С повышением температуры растворимость компонентов масляных фракций в полярных растворителях увеличивается и при критической температуре растворения (КТР) наступает полное растворение их в данном количестве растворителя. Типичная кривая растворимости для системы масло – растворитель представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Зависимость КТР для системы масло – растворитель от содержания растворителя (растворитель - фурфурол)

Образование однофазной системы при температурах выше КТР объяснятся тем, что в этих условиях кинетическая энергия молекул достаточна для преодоления различия в энергиях межмолекулярного притяжения однотипных молекул компонентов, входящих в состав масляной фракции, и взаимного притяжения молекул самого растворителя. При температурах ниже КТР тепловое движение молекул превышает силы притяжения молекул не всех компонентов масляной фракции. В результате чего система разделяется на две жидкие фазы. КТР зависит от структуры углеводородов и природы растворителя.

Растворимость углеводородов масляных фракций в полярных растворителях зависит от дипольного момента молекул растворителя, способности молекул углеводорода поляризоваться под действием электрического поля молекул растворителя, что, в свою очередь связано с внутренним строением углеводородов, и дисперсионных сил, обусловленных наличием углеводородного радикала в молекуле растворителя.

Наибольшим значением средней молекулярной поляризации характеризуются ароматические углеводороды, наименьшим - парафиновые; нафтеновые по способности поляризоваться занимают промежуточное положение. Вследствие этого ароматические углеводороды имеют самые низкие значения КТР в полярных растворителях, а парафиновые – самые высокие.

Помимо химической природы на величину КТР и строение молекул углеводородов. Так, с увеличением числа колец в углеводородах их КТР резко уменьшается, с возрастанием длины алкильных цепей – повышается.

Решающими эксплуатационными свойствами при выборе эффективного растворителя для экстракционных процессов являются растворяющая способность и избирательность.

Под растворяющей способностью понимают абсолютную растворимость компонентов масляных фракций в определенном количестве растворителя; избирательность характеризует способность растворителя растворять вещества только определенной структуры, что позволяет отделять одни компоненты от других и получать продукты, различающиеся по свойствам.

Растворяющую способность оценивают по выходу растворенного компонента сырья при одинаковой кратности растворителя, по значению КТР при одинаковой кратности растворителя и количеством растворителя, необходимом для извлечения одного и того же растворенного компонента сырья.

Об избирательности растворителя можно судить по разности (градиенту) таких показателей, как плотность, индекс вязкости, коэффициент преломления или анилиновая точка.

Применительно к процессам селективной очистки масел пользуются коэффициентом распределения (К), определяемым из соотношения объемных концентраций извлекаемых компонентов в экстракте (С экс) и рафинате (Сраф):

К=. (1.4)

Для характеристики избирательности растворителя для этого же процесса можно пользоваться уравнением А.З. Биккулова:

Избирательность = (1.5),

где Аэкс, Араф, Бэкс, Браф – содержание в экстракте и рафинате соответственно ароматических и парафино-нафтеновых углеводородов.

Растворяющие и избирательные свойства полярных растворителей обусловливаются энергией и соотношением дисперсионных и электростатических ван-дер-ваальсовых сил. Дисперсионное взаимодействие отражает растворяющие свойства растворителей. Электростатическая же составляющая (ориентационная и индукционная) ван-дер-ваальсовых сил предопределяет преимущественно избирательные свойства полярных растворителей.

Ассиметричность структуры предопределяет электростатическую составляющую общих ван-дер-ваальсовых сил взаимодействия молекул растворителя и сырья.

Ассиметричность молекуле растворителя придает не только радикал, но и функциональная группа. Дисперсионная составляющая общих сил взаимодействия определяется строением радикала: алифатическая цепь и симметричность радикала усиливают эту составляющую.

Введение в состав молекулы растворителя метильной или фенильной группы значительно снижает КТР, повышая растворяющую способность растворителя. Карбоксильная и нитрогруппа повышает КТР. Наибольший эффект уменьшения растворяющей способности растворителя дают функциональные группы, образующие водородную связь. Вторая функциональная группа в молекуле растворителя еще заметнее понижает его растворяющую способность. По влиянию на избирательность растворения функциональные группы можно расположить в ряд:

NO₂ >CN>CHO>COOH>OH>NH₂ .

Введение в молекулу растворителя гетероатомов и групп атомов (O,N,CO,F,CN) приводит к повышению избирательности растворителя по отношению к углеводородам с донорно-акцепторными свойствами.

Переход от алифатических соединений к циклическим и гетероциклическим аналогам способствует заметному увеличению избирательности растворителя по отношению к ароматическим и непредельным углеводородам; к такому же эффекту приводит изомеризация молекул растворителя вдали от электрофильного центра. Переход от сильноассоциированных растворителей к слабоассоциированным приводит к повышению растворяющей способности.

2.3 Описание технологической схемы установки

2.3.1 Экстракция

Депарафинированный дистиллят прокачивается насосом Н-1 через теплообменник Т-1, где нагревается за счет тепла экстракта до температуры