CC BY
21УДК 665.662.3
А. С. Мкртчян, Д.А. Литвиненко
ПРЕДЛОЖЕНИЕ ПО МОДЕРНИЗАЦИИ УСТАНОВКИ СЕЛЕКТИВНОЙ ОЧИСТКИ МАСЕЛ ФЕНОЛОМ НА ОСНОВЕ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА РАСТВОРИТЕЛЕЙ
На основе структурно-функционального анализа действующей установки селективной очистки масел фенолом, а также на основе сравнительного анализа растворителей для данного процесса были сформированы технические требования к работе изучаемой системы, а также предложены пути совершенствования работы этой установки.
Ключевые слова: селективная очистка, фенол, базовое масло, N метилпирролидон, рафинат.
Процессы очистки дистиллятного и остаточного масляного сырья селективными растворителями обеспечивают селективное извлечение из сырья таких нежелательных компонентов, как полициклические ароматические и нафтено-ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями, сернистые, азот-, металл- и кислородсодержащие соединения, а также полигетероатомные высокомолекулярные соединения (смолы) [1]. Эти процессы являются одними из ключевых в производстве нефтяных масел, т.к. позволяют улучшить различные эксплуатационные свойства масел, в частности стабильность против окисления и вязкостно-температурные свойства. В связи с повышением требований к качеству смазочных масел, возрастанием роли экологических проблем при производстве и применении масел появилась необходимость усовершенствования процессов селективной очистки. Основными направлениями модернизации этих процессов являются увеличение глубины очистки масляного сырья, а также улучшение эксплуатационных и экологических свойств товарных масел. С целью выявления путей интенсификации работы установки селективной фенольной очистки масел типа А-37/1 производительностью 299,6 тыс. т/год проведен её структурно-функциональный анализ. Установка состоит из следующих технологических блоков:
- блок экстракции;
- блок регенерации фенола из рафинатного раствора;
- блок регенерации фенола из экстрактного раствора;
- товарно-сырьевой парк.
В блоке экстракции применяется экстрактор с внутренними контактными устройствами, выполненными в виде ситчатых тарелок. Данная конструкция аппарата позволяет получать стабильный уровень качества остаточного рафината с выходом до 70%.
На основе структурно-функционального анализа установки был выявлен ряд проблем, связанных с использованием фенола в качестве растворителя, а именно:
1)Недостаточно высокая селективность.
Это приводит к недостаточно полному извлечению нежелательных компонентов из сырья, а также к растворению некоторого количества желательных компонентов. Для решения этой проблемы к фенолу необходимо подавать определенное количество антирастворителя (воды).
2)Образование азеотропной смеси с водой.
Способность фенола образовывать азеотропную смесь с водой является большой проблемой процесса селективной очистки масел этим растворителем. Во-первых, после стадий отделения растворителя от рафината и экстракта необходимо дополнительно разделять смесь воды и фенола, что приводит к использованию дополнительного оборудования и обусловливает большие энергетические затраты. Во-вторых, при разделении смеси вода-фенол происходят огромные потери фенола (отгонка части фенола вместе с водой).
3)Высокая токсичность фенола.
ПДК фенола составляет 0,3 мг/м3. Отравление может происходить путем вдыхания паров, при попадании вещества внутрь или на кожу. Острое отравление происходит уже при попадании фенола на кожу. На основании 50 случаев отравлений на производстве установлено, что поражение 25-50% поверхности тела - смертельно; при поражении 17-24% поверхности тела происходит общее отравление с нарушением функций нервной системы, кровообращения и дыхания. При поражении 10-17% поверхности тела возникает подострое отравление с головной болью и гиперкинезами. При меньшей площади поражения наблюдаются только местные повреждения. При хроническом отравлении наблюдаются следующие симптомы:
© Мкртчян А.С., Литвиненко Д.А., 2018.
Научный руководитель: Шевченко Мария Александровна - кандидат химических наук, доцент, Волгоградский государственный технический университет, Россия.
ISSN 2223-4047
Вестник магистратуры. 2018. № 12-4(87)
головные боли, раздражение дыхательных путей, расстройство пищеварения, рвота по утрам, общая мышечная слабость, почечные и неврологические заболевания и т.д. [2]
4)Высокая температура плавления фенола (+41,1 [2]. Во избежание кристаллизации растворителя в трубопроводах может потребоваться их обогрев, что ведет к дополнительным затратам.
5)При регенерации фенол увлекает с собой легкие углеводороды (происходит омасливание фенола), что отрицательно сказывается на процессе экстракции. Это приводит к необходимости дополнительной очистки растворителя и к повышению затрат.
6)Неполное удаление растворителя из рафината и экстракта.
Некоторое количество фенола остается в экстрактном и рафинатном растворе даже после стадии регенерации растворителя. Это приводит к потере фенола, ухудшению качества рафината и экстракта, а также к возникновению проблем на последующих стадиях получения товарных масел и битумов.
Логично предположить, что замена растворителя могла бы решить эти проблемы. Известно, что в процессе селективной очистки масел, кроме фенола используются такие растворители, как фурфурол и находящий все большее применение Ж-метилпирролидон (Ж-МП) [3, 4]. Сравнение данных растворителей представлено в таблице 1.
Таблица 1
Физико-химические свойства Ж - метилпирролидона, фенола и фурфурола [5]_
Показатели Ж - МП Фенол Фурфурол
Вязкость при 50 оС, мм2/ с 1,01 3,24 1,15
Плотность при 20 оС, кг/м3 1033 1071 1598
Температура, оС:
Кипения 204 182 162
Плавления -24,2 +41,1 -38,6
вспышки в закрытом тигле 91 79 59
Молекулярная масса 99 94 96
Термическая стабильность Умеренная Очень хорошая Умеренная
Температура кипения азеотропной смеси растворителя с водой, оС Не образует 98,0 97,8
Содержание растворителя в азеотропной смеси, % мас. Не образует 9,1 35
Коррозионная агрессивность Умеренная Умеренная Средняя
Предельно-допустимая концентрация в воздухе, мг/м3 100 0,3 5,0
Из данной таблицы видно, что Ж - метилпирролидон имеет некоторое преимущество перед двумя другими растворителями. Кроме того, Ж-МП имеет более высокую растворяющую способность по сравнению с фурфуролом и несколько меньшую - по сравнению с фенолом. От фенола Ж-метилпирролидон отличается большей избирательностью по отношению к углеводородам ароматического ряда, отсутствием токсичности и более низкой температурой плавления [6,7]. Важным показателем эффективности растворителя является его взаимодействие с водой. Ж-метилпирролидон смешивается с водой в любом соотношении, не образуя азеотропной смеси. Это облегчает его регенерацию из рафинатного и экстрактного растворов, что приводит к снижению энергозатрат на 25 - 30 % [6-8].Разница в свойствах рассмотренных растворителей обусловливают и некоторые различия в характеристиках получаемых продуктов. Сравнение качества рафинатов представлены в таблице 2.
Таблица 2
Сравнительная характеристика рафинатов, получаемых с использованием фенола и Ж-МП
(I вакуумный погон) [4]
Показатели N - МП Фенол
Выход рафината, % 71,8 64,3
Плотность при 50 оС, кг/м3 858,5 876,4
Показатель преломления при 50оС, п5% 1,4368 1,4590
Вязкость кинематическая, мм2/с: -при 100 оС -при 50 оС -при 40 оС 5,90 22,76 29,10 7,30 23,85 30,27
Индекс вязкости 122 94
Из представленной таблицы можно сделать вывод о том, что N - метилпирролидон имеет преимущество перед фенолом и с точки зрения качества получаемого продукта. Использование этого растворителя позволяет получить рафинат с большим индексом вязкости и меньшим показателем преломления, что обеспечит, в дальнейшем, товарное масло с более высокими эксплуатационными характеристиками. Кроме этого, ^метилпирролидон обеспечивает больший (на 5 - 7%) выход рафината при кратности растворителя в 1,5 раза меньшей по сравнению с фенолом [6,7]. Также, за счет небольшой вязкости и слабой эмульгируемости смеси сырье - ^метилпирролидон происходит более быстрое расслоение фаз по сравнению с фенольной очисткой (более чем в 2 раза). Это позволяет повысить производительность установки примерно на 25%.
Также, этот растворитель имеет и свои недостатки, одним из которых является близкая к температуре кипения температура его осмоления [7]. Это обусловливает возникновение проблем на стадии регенерации N - метилпирролидона, решить которые, частично, можно обеспечив вакуум на стадии отгонки растворителя. Еще одним недостатком ^метилпирролидона является его относительно высокая стоимость и ограниченное число производителей [8]. Однако, стоит отметить, что в структуре мощностей селективной очистки масел за рубежом преобладают процессы с использованием ^МП (~ 45 %) [7]. В России первая установка очистки масляного сырья с использованием ^метилпирролидона появилась в 1990 г. в результате модернизации установки фенольной очистки. Перевод установок фенольной очистки на применение ^МП осуществлен и на Омском и Ново-Ярославском НПЗ [9]. В 2000 г. осуществлен перевод установки фенольной очистки на работу с ^метилпирролидоном на Рязанском НПЗ.
В итоге, в качестве усовершенствования действующей установки типа А-37/1 предлагается произвести замену растворителя, фенола, на N - метилпирролидон. Это не требует реконструкции основного аппарата. Возникает необходимость некоторых изменений в блоках регенерации растворителя из рафи-натного и экстрактного растворов.
Таким образом, структурно-функциональный анализ действующей установки селективной очистки масел фенолом позволил выделить основные подсистемы и их функции, сформировать технические требования к работе данной системы, а также предложить пути совершенствования работы этой установки.
Библиографический список
1. Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности органических и неорганических веществ. Т.3., Ч.1.- С.-Пб., 2002.- 988с
2.Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Изд. 7-е, пер. и доп. В трех томах. Том I. Органические вещества. Под ред. Н.В. Лазарева и Э.Н. Левиной - Л.: Химия, 1976. - 571с.
3.Нигматуллин, Р. Г. Селективные растворители в производстве нефтяных масел : учебник / Р. Г. Нигматуллин, А. С. Меджибовский. - Москва : Химия, 2001. - 286 с.
4. Сравнительный анализ процессов селективной очистки фурфуролом и ^метилпирролидоном дистиллятных масляных фракций из мазута Иракской нефти / С. Д. Хассан Аль-Резк [и др.] // Башкирский химический журнал. -2008. - Т. 15, № 4. - С. 119-124.
5.Справочник нефтепереработчика : в 3 т. / редкол. : Г. А. Ластовкин [и др.]. - Ленинград : Химия, 1986. 649 с.
6.Изучение с помощью математического моделирования влияния вида растворителя на процесс селективной очистки деасфальтизата / А. А. Осинцев [и др.] // Башкирский химический журнал. - 2008. - Т. 15, № 1. - С. 111-114
7.Состояние производства базовых масел в России / Р. Р. Гиматдинов, Р. З. Фахрутдинов // Вестник технологического университета. Казанский Научно-исследовательский технологический университет. - 2016. - Т. 19, № 11. -С. 58 - 62.
8.Азнабаев Ш.Т., Нигматулин В.Р., Нигматулин И.Р. Избирательные растворители и хладагенты в переработке нефти: Справ.пособ. Уфа: УГНТУ, 2000. 97 с.
9.Замена фенола Ы-метилпирролидоном на установке селективной очистки масляного сырья / В. Н. Каракуц [и др.] // Химия и технология топлив и масел. 1995. - №6. - С. 7-13.
МКРТЧЯН АРТУР СЕРГЕЕВИЧ - магистрант, Волгоградский государственный технический университет, Россия.
ЛИТВИНЕНКО ДМИТРИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ - студент химико-технологического факультета, Волгоградский государственный технический университет, Россия.
