CC BY
85
УДК 665.637.8
Р. Н. Хамидуллин, Д. В. Ковальчук, Э. А. Галиуллин
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕГОНКИ ТЯЖЕЛЫХ НЕФТЯНЫХ ОСТАТКОВ В СРЕДЕ ИНЕРТНОГО ГАЗА
Ключевые слова: перегонка, неокисленный битум, инертный газ.
Рассмотрен и проанализирован процесс перегонки в среде инертного газа. Предложено техническое решение для очистки инертного газа от продуктов перегонки для возврата газа на рециркуляцию. Разработана и смонтирована экспериментальная установка перегонки тяжелых нефтяных остатков в среде инертного газа. Исследован процесс перегонки сверх вязкой нефти в среде азота. Проанализированы свойства продуктов перегонки на соответствие требованиям нормативных документов для дорожных битумов. Рассмотрены отличительные особенности и перспективы подобного процесса.
Keywords: distillation, unoxidized bitumen, inert gas.
Reviewed and analyzed the process of distillation in an inert gas. The proposed technical solution for purification of inert gas from the products of distillation for gas return for recycling. Designed and assembled experimental setup of the distillation of heavy oil residues in an inert gas. The process of distillation of super viscous oil with a nitrogen atmosphere. Analyzed the properties of the distillation products according to requirements of normative documents for road bitumen. Considered distinctive features and prospects of such a process.
Введение
Перегонка является основным процессом большинства химических и нефтехимических производств. Снижение энергозатрат процесса перегонки, повышение его эффективности является приоритетным направлением научно-технических исследований.
Большинство тяжелых остатков нефти используется в качестве сырья для получения дорожного битума. Как отмечается в докладе Всемирного экономического форума о глобальной конкурентоспособности, Россия заняла 136-е место в мире по качеству автомобильных дорог из 144. Их качество оценили в 2,3 балла из 7 возможных.
Качество дорог напрямую зависит от качества используемого дорожного битума. Основной причиной низкого качества автомобильных дорог является использование битума, полученного окислением гудрона.
В странах, которые обладают качественными дорогами, для производства дорог используют остаточный (неокисленный) битум. В нашей стране технология получения неокисленного битума на данный момент в промышленном масштабе по разным причинам не внедрена.
Очевидно, что нашей стране требуется внедрение новых технологий производства высококачественных битумов, способные в 3 - 4 раза продлить срок службы дорожных покрытий. Неокисленные битумы имеют лучшие показатели по водостойкости, устойчивости к износу, образованию трещин и температурным перепадам по сравнению с окисленными [1].
Текущая ситуация
В мировой практике наиболее распространена технология получения неокисленного битума на основе извлечения тяжелых остатков нефти летучих компонентов при глубоком вакууме (см. рис. 1).
Основным недостатком подобных технологий является поддержание вакуума на уровне в 10 мм.рт.ст., значительные энергозатраты, а также образование
отходов в виде неконденсирующихся газов и нефте-содержащей воды [2].
Рис. 1 - Схема процесса вакуумной тяжелых остатков нефти
перегонки
Целью исследования - поиск технологии разделения жидкостей при давлении близком к атмосферному и температуре процесса, меньше чем температуры кипения компонентов (перегонка с водяным паром в качестве инертного газа в виду образования большого количества утилизируемой воды не рассматривается). Подобным решением, необоснованно забытым по мнению авторов, является перегонка в среде неконденсируемых инертных газов.
По закону Рауля и Дальтона, система будет насыщаться парами летучих углеводородов до состояния равновесия количеством в зависимости от давления насыщенных паров компонентов [3]. Кинетика дистилляции в среде с инертным газом основана на увеличении движущей силы переноса массы за
счет принудительного поддержания в системе больших концентраций инертного газа.
В 70-80-е годы прошлого столетия в нашей стране большое внимание уделялось разработкам в области дистилляции в среде инертного газа. Физика процесса перегонки в среде инертного газа позволяет разделить труднолетучие компоненты жидкости при низких температурах и без использования глубокого вакуума.
Анализ литературных источников показал, что препятствием для промышленного внедрения подобного решения стало отсутствие технологии очистки инертного газа от паров компонентов для возврата инертного газа на рециркуляцию.
Для очистки инертного газа от паров нефтепродуктов было предложено использовать контактное охлаждение газа собственным конденсатом [4]. Данное решение позволяет значительно упростить аппаратурное оформление процесса перегонки в среде инертного газа и создает предпосылки для его промышленного внедрения.
Экспериментальная часть
Для комплексного изучения процесса была поставлена задача изучить экспериментальным путем возможность и глубину перегонки образцов сверх вязкой нефти в среде инертного газа. Для этого была разработана и собрана лабораторная установка (см. рисунок 2 и 3).
Рис. 2 - Схема экспериментальной установки: 1 -реактор, 2 - барботер, 3 - термометр сопротивления, 4 - подогреватель, 5 - сборник конденсата, 6 - холодильник, 7 - водоструйный насос
Экспериментальная установка работает в периодическом режиме. Изначально в реактор загружается весь объем продукции, а из сепаратора по мере накопления извлекаются фракции нефти. С целью упрощения конструкции экспериментальной установки, рециркуляция инертного газа не производилась. Давление в установке атмосферное.
Установка работает следующим образом. Инертный газ (азот) из баллона через коллектор подается в реактор, в котором находится нефтяная продукция. Тепло в реактор подается от электрического подогревателя. Инертный газ, проходя через слой нефтяной продукции, насыщается летучими нефтяными фракциями и подается в поверхностный холодильник, где
при его охлаждении из газа выделяются конденсирующиеся компоненты. Далее, очищенный и охлажденный инертный газ струйным насосом из установки транспортируется на утилизацию. Работа реактора осуществляется в интенсивном барботажном гидродинамическом режиме.
Рис. 3 - Общий вид экспериментальной установки
Полученные результаты
Образцы, полученные в ходе экспериментальных исследований, исследовались по основным параметрам, указанные в таблицах 1 и 2. Полученные образцы соответствуют битуму БНД 90/130 по ГОСТ 22245-90 и битуму БН 50/50 по ГОСТ 6617-76.
Достоинствами перегонки в среде с инертными газами являются:
1. Простота технического решения.
2. Увеличение выхода масляных фракций нефти.
3. Отсутствие глубокого вакуума.
4. Температура процесса не превышает 350 0С
5. Отсутствие негативного воздействия на окружающую среду производства битума - отсутствие вредных газовых выбросов
Таблица 1 - Образец № 1
№ Наименование Значение по эксперименту Значение по ГОСТ 22245-90 для БНД 90/130
1 Глубина проникания иглы, 0,1мм при 25 °С 106 90-130
2 Температура размягчения по кольцу и шару, °С, 46 не ниже 43
3 Температура хрупкости, ос -19 не выше -17
Таблица 2 - Образец № 2
№ Наименование Значение Значение
по эксперименту по ГОСТ 6617-76 для БН 50/50
1 Глубина проникания иглы, 0,1мм при 25 °С 47 41-60
2 Температура размягчения по кольцу и шару, °С, 52 50-60
3 Температура хрупкости, 0С -3 не нормируется
Таким образом, экспериментальным путем было подтверждено, что подобная технология позволяет получить неокисленный битум с качественными потребительскими свойствами без использования глубокого вакуума и высоких температур.
Область применения подобной технологии не ограничивается разделением нефтепродуктов. Данное решение может быть использовано для разделения и других жидких смесей, для разделения которых требуется глубокий вакуум. Сюда относится разделение глицерина, стирола и других термонестабильных продуктов.
Внедрение перегонки с инертным газом позволит заменить вакуумную разгонку нефтепродуктов, упростить аппаратурное оформление процесса дистилляции и снизить затраты при переработке нефти, повысить ее глубину и снизить экологическую нагрузку нефтеперерабатывающих производств.
Выводы
Рассмотрен и проанализирован процесс перегонки в среде инертного газа. Предложено техническое решение для очистки инертного газа от продуктов перегонки для возврата газа на рециркуляцию. Разработана и смонтирована экспериментальная установка перегонки тяжелых нефтяных остатков в среде инертного газа. Исследован процесс перегонки сверх вязкой нефти в среде азота при атмосферном давлении Остаток процесса перегонки по основным показателям соответствует дорожному битуму, который ранее получали при глубоком вакууме. Показано, что вместе с современными системами очистки газов возможен новый виток развития процесса перегонки в среде инертного неконденсирующегося газа.
Литература
1. Худякова Т.Н. Загадки российского битума, или в поисках истины, Автомобильные дороги, 2, 72-77, (2005).
2. В. В. Братчиков, В. М. Капустин, 34 Е. Н. Забелинская, А. С. Камлык., Установка ВДУ-5 вакуумной разгонки мазута ООО «ЛУКОЙЛ—Пермнефтеоргсинтез», Химия и технология топлив и масел, 1 (551), 34-39 (2009)
3. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов, ч.2 М: Химия, 2005 г 400 с.
4. Патент РФ «Способ очистки газов» № 2505341, НПО Пылеочистка, Бюл.№ 3, 2014
© Р. Н. Хамидуллин, канд. техн. наук, доц. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, 434@mail.ru; Д. В. Ковальчук, магистрант той же кафедры, hit91@list.ru; Э. А. Галиуллин, аспирант каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, edward@ingehim.ru.
© R. N. Khamidiilliin Ph.D., Associate Professor of "Processes and devices of chemical technology" department of Kazan national research technological university, 434@mail.ru; D. V. Kovalchuk, master student, of "Processes and devices of chemical technology" department of Kazan national research technological university, hit91@list.ru; E. A. Galiullin., postgraduate student, of "Chemical technology of petroleum and gas processing" department of Kazan national research technological university, edward@ingehim.ru.
