CC BY
113
УДК 665.637.6
С.Х. Загидуллин, А.В. Обидин, В.М. Беляев, А.В. Беляев, Р.Г. Шпенст*
Пермский государственный технический университет,
*ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез»
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СЕЛЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ МАСЕЛ ФЕНОЛОМ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ РАБОТЫ ЭКСТРАКЦИОННЫХ КОЛОНН
Предложена модель противоточной непрерывной экстракции нефтяного сырья фенолом, основанная на теории регулярных растворов Д. Гильдебранда. Показана удовлетворительная сходимость результатов модельных прогнозов с экспериментальными данными и выявлена возможность совершенствования работы промышленных аппаратов.
Неотъемлемой частью производства нефтяных масел является селективная очистка избирательными растворителями с целью удаления из масляных дистиллятов и деасфальтизатов примесей смолистых веществ и полициклических ароматических и нафтеноароматических углеводородов с короткими боковыми цепями, а также серосодержащих и металлорганических соединений. В результате улучшаются такие показатели качества, как индекс вязкости, цвет масла, стабильность против окисления и др.
В теории растворов можно выделить два направления, описывающих основные закономерности фазовых переходов. Первое из них, созданное В.К. Семенченко [1], носит название теории молекулярных силовых полей. Несмотря на то, что она достаточно строго описывает механизм взаимодействия молекул в растворе, пользоваться ею для практических расчетов по ряду причин затруднительно.
Второе направление, основанное на теории регулярных растворов Д. Гильдебранда, требует знания относительно небольшого числа физико-химических констант, имеющихся в справочной литературе [2, 3]. Используя эту теорию, можно достаточно легко получить кривую фазового равновесия и найти основные показатели разделения при одно- или многоступенчатой экстракции.
В общем виде модернизированный параметр растворимости для растворителя (ор) и для растворяемого компонента (ок) будет описываться следующими двумя уравнениями [4]:
Л^К^ч/М^,-х>^кК+^Л'', (1)
V V V V У '
р к к к
А£к - ^-(1 - Л+ /М х~ + Л/М + Л^ ]] (2)
V У ' V V V
к р р р
°р =
где Л£ри АЬк - изменение скрытой теплоты испарения растворителя и распределяемого компонента, кДж/кмоль; 1р и 1к - исходные энтальпии растворителя и распределяемого компонента, кДж/кг; Мр и Мк -
молекулярные массы растворителя и распределяемого компонента, кг/кмоль; х" - объемная мольная концентрация растворителя в исходной смеси; Л£р и Л£к - изменение энтропии растворителя и распределяемого
компонента, кДж/(кмоль-К); Л/р и Л/к - изменение энтальпии растворителя и распределяемого компонента, кДж/кг; Тр и Тк - температуры кипения растворителя и распределяемого компонента, К; V и Ук - мольные
объемы растворителя и распределяемого компонента, м3/кмоль; Т - температура образования раствора, К.
Для случая частичного растворения переход распределяемого компонента в фазу растворителя можно рассчитать по уравнению Гильдебранда:
КТ = [V,X'+V (1 - X')] (о, - о, ), (3)
где X" - объемная мольная концентрация растворителя в экстрактной фазе.
Для построения кривой фазового равновесия при различных параметрах достаточно найти численные значения (1 - X*), решая совместно уравнения (1)—(3 ).
Исходное сырье при расчете многокомпонентных систем разделяют на ряд узких фракций, для каждой из которых определяют физикохимические константы. В параметр растворимости поочередно вносят данные, характеризующие отдельную узкую фракцию при заданной концентрации (соотношение растворителя и сырья), и определяют концентрации каждой фракции в экстрактной фазе.
Схема противоточной экстракционной колонны для масляного сырья приведена на рис. 1.
Рафинатный
раствор
Обводненный
фенол
Сырье
Экстрактный раствор
Рис. 1. Схема противоточнойэкстракционной колонны
Многоступенчатый процесс экстракции в такой колонне может быть рассчитан по псевдопротивоточной схеме Нэша (рис. 2).
Каждая ступень такой схемы представляет собой узел контактирования встречных потоков при определенной температуре. Расчет проводят последовательно от одной ступени к другой ступени. При выбранном соотношении растворителя и сырья определяют концентрации всех последовательных фракций, перешедших в фазу растворителя. В сводном балансе суммируют перераспределение фракций между фазами. С учетом нового состава рассчитывают следующую ступень разделения. Эту процедуру продолжают от ряда к ряду до достижения устойчивого равновесия в системе, т.е. до тех пор, пока количество вводимых в систему продуктов не будет равным количеству выводимых.
Рис. 2. Псевдопротивоточная схема экстракции Нэша
Для расчета многоступенчатого противоточного процесса очистки масел фенолом была разработана программа в среде МаШсаё. Расчет проведен на примере системы обводненный фенол - четвертая масляная фракция западносибирских нефтей, следующего состава: парафиновая фракция (ПФ) - 14 %; парафинонафтеновая фракция (ПНФ) -36 %; легкая ароматика (ЛА) - 14 %; средняя ароматика (СА) - 16 %; тяжелая ароматика (ТА) - 20 %. Согласно известным рекомендациям [5], промышленная экстракционная колонна была принята эквивалентной трем теоретическим ступеням контактирования.
Адекватность модели была подтверждена серией численных экспериментов по изучению влияния кратности обработки сырья фенолом, температуры процесса экстракции, степени обводненности фенола на выход и качество получаемых рафинатов. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с известными данными [6, 7].
Так, с повышением температуры и с увеличением кратности разбавления сырья растворяющая способность фенола повышается, выход рафината уменьшается, а качество его улучшается. При увеличении степени обводненности растворителя выход рафината растет, избирательность фенола уменьшается пропорционально содержанию в нем воды, а качество рафината соответственно ухудшается.
Предложенный метод расчета фазового равновесия по узким фракциям сырья также позволяет определять истинную нагрузку экстракционной колонны по жидкости с учетом внутренней циркуляции потоков. Проведенный расчет выявил наличие значительной неравномерности распределения масс взаимодействующих потоков по ступеням и перегруженность по суммарным нагрузкам зоны, расположенной выше точки ввода сырья в колонну. Этот фактор является сдерживающим для увеличения производительности колонны. Полученные данные согласуются с результатами, приведенными в работе [8].
Повысить равномерность нагрузок внутренних потоков по высоте экстракционного аппарата можно за счет перераспределения внешних потоков, например, подавать сырье в нескольких точках, разнесенных по высоте колонны. Результаты расчета работы экстракционной колонны, в которой часть сырья подается на первую, а оставшаяся часть - на вторую ступень контактирования фаз, приведены в таблице.
Основные показатели работы экстракционной колонны с распределенным вводом сырья
Показатель Доля подаваемого на вторую ступень сьц рья
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Выход рафината, мас. % 59,4 60,2 60,4 59,6 56,6 53,9
Состав рафината, мас. %: ПФ ПНФ ЛА СА ТА 20,2 49,2 16,5 13,1 1,0 20,2 49,2 16,6 13.0 1.0 20,4 49.7 16.7 12.7 0,5 20,8 50.7 16,6 11.8 0 22 52.9 16,1 8.9 0 23,4 55.0 15.0 6,6 0
Выход фракций, мас. % от потенциала: ПФ ПНФ ЛА СА ТА 84,4 79.2 66.2 46,1 2,9 85,7 80,5 67.3 46.4 2,9 86,8 81.7 67.8 45,6 1,5 87.8 82.3 66.8 41.4 0 88,1 81.4 61,2 29.4 0 89,2 80,4 53.6 20.7 0
Объемная скорость, м/ч: первая ступень (65 °С) вторая ступень (60 °С) третья ступень (55 °С) 13,135 16,192 14,022 13,143 15,930 13,101 13,126 15,631 12,172 13,030 15,218 11,209 12,790 14,591 10,186 12,674 14,2 9,273
Из результатов расчетов, приведенных в таблице, следует, что дифференцированный ввод сырья в колонну позволяет не только увеличить выход рафината, при сохранении его качества, но и способст-
вует снижению максимальных объемных скоростей потоков в колонне. Последнее обстоятельство позволит исключить явления, связанные с «зависанием» колонны и открывает возможность увеличения производительность аппарата.
Список литературы
1. Шахпаронов М.И. Введение в современную теорию растворов. М.: Высшая школа, 1976. 296 с.
2. Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е.Н. Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности. Л.: Химия, 1974. 344 с.
3. Гурвич В. Л., Сосновский Н.П. Избирательные растворители в переработке нефти. М.: Гостоптехиздат, 1953. 320 с.
4. Технологические расчеты установок переработки нефти: учеб. пособие для студентов вузов / М.А. Танатаров, М.Н. Ахметшина, Р. А. Фасхутдинов [и др.]. М.: Химия, 1987. 352 с.
5. Яушев Р.Г., Вязовкин Е.С. Контактные устройства экстракционных колонн установок селективной очистки масел // Химия и технология топлив и масел. 1987. № 4. С. 27-28.
6. Казакова Л.П., Крейн С.Э. Физико-химические основы производства нефтяных масел. М.: Химия, 1978. 320 с.
7. Ахметов С.А. Технология глубокой переработки нефти и газа: учеб. пособие для вузов. Уфа: Гилем, 2002. 672 с.
8. Зиганшин К.Г., Ракочий Н.В., Марушкин Б.К. Моделирование процесса фенольной очистки масляных фракций // Химия и технология топлив и масел. 1991. № 3. С. 8-10.
Получено 17.06.2009
