CC BY
43
УДК 665.637.73:[665.772:664.31] DOI 10.24411/2311-6447-2019-10014
Совершенствование технологии парафина и ее аппаратного обеспечения для эффективного использования в пищевой промышленности
Perfection of technology of paraffin and her vehicle providing for the effective use in food industry
Ассистент M.A. Марышева, профессор И.Ю. Алексанян, профессор Н.Д. Шишкин, доцент М.Ш. Арабов
(Астраханский государственный технический университет) кафедра технологических машин и оборудования, тел. (8512) 61-45-25 E-mail: vjyuvfhbyf@mail.ru
Assistant M.A. Maryisheva, Professor I. Yu. Aleksanian, Professor N.D. Shishkin, Associate Professor M. S. Arabov
(Astrakhan state technical university), department the Technological machines and equipment, tel. (8512) 61-45-25, E - mail: vjyuvfhbyf@mail.ru
Реферат. Чтобы расширить сырьевую базу для получения парафина, предложено осуществлять депарафинизацию высокопарафпнистой нефти с использованием термогидроциклонов. Экспериментальные исследования позволили определить производительность и эффективность термогидроциклонов. Парафиновый продукт в термогидродиклонах может служить сырьем для получения пищевого парафина. Для совершенствования производства пищевого парафина предлагается добавить к технологической схеме разделения парафинового продукта установку гидроочистки. Рассмотрены области применения и оборудование по использованию пищевого парафина. Показана необходимость повышения степени механизации всех основных и вспомогательных операций по использованию парафина в пищевой промышленности за счет применения промышленных роботов и полностью автоматизированных линий.
Summary. Ео expand the raw material base for the production of paraffin, it is proposed to carry out dewaxing of high-paraffin oil using thermohydrocyclones. Experimental studies have allowed to determine the performance and efficiency of thermo hydro cyclones. The paraffin product obtained in thermo hydro cyclones can serve as a raw material for the production of food paraffin. For to improve the production of food paraffin, it is proposed to add a Hydrotreating unit to the technological scheme of paraffin product separation. Areas of application and equipment for the use of food paraffin are considered. The necessity of increasing the degree of mechanization of all basic and auxiliary operations for the use of paraffin in the food industry through the use of industrial robots and fully automated lines is shown.
Ключевые слова: асфальто-смоло-парафиновые отложения, депарафинизатор нефти, теплогид-роциклон, многоступенчатая очистка, парафпнирование, пищевой парафин.
Keywords: asphalt resin paraffin deposits, oil dewaxing agent, heat hydro cyclone, multi-stage cleaning, paraffinizing, food paraffin, food paraffin oil.
(© Марышева M.A., Алексанян И.Ю., Шишкин Н.Д., Арабов М.Ш., 2019
Парафин был впервые создан в 1830 г. немецким химиком Карлом фон Рей-хенбахом, когда он пытался разработать средства для эффективного разделения и очистки воскообразных веществ, встречающихся в нефти. Парафин представлял собой значительный прогресс в развитии свечной промышленности [1].Диапазон использования парафина и его производных очень широкий. В настоящее время обширное применение парафина обусловливают его химико-физические характеристики и экономические причины: доступность и низкая цена [2]. Продукты нефтепереработки нашли свое применение не только в химической промышленности, но и в пищевой индустрии, в частности, парафин нефтяной твердый П-2 (пищевой), который используют для пропитывания и в качестве защитного покрытия упаковочных материалов пищевых продуктов, что при замене им обычных пленок дает возможность увеличить срок хранения свежего сырья. Его применяют в качестве добавок при покрытии резервуаров для хранения пищевой продукции из дерева, бетона и металла для образования защитного слоя сыров и глянцевания карамели, что понижает водопроницаемость, покрытия, снижения адгезии кондитерских материалов с разными поверхностями, парафинирования упаковочной бумаги. Парафин при содержании 5-10 % совместно с канифолью и маслом растительного происхождения присутствует в составе «пивной смолки», применяемой для осмолки бочек для транспортировки пива и используется для получения косметических и фармацевтических препаратов, а в жидком виде (масло минеральное) его применяют в кулинарии и хлебопечении (пищевая добавка - Е905) [25, 26, 27].
Парафин может применяться как зарегистрированный премикс Е905, попросту - масло пищевое, в продуктах питания. Он входит в состав шоколадной глазури для украшения кондитерских материалов и используется как заправка для салатов, что приводит к снижению веса [28].
Это требует расширения сырьевой базы для получения парафина. Авторами предложено использование асфальто-смоло-парафиновые отложения (АСПО). Эти отложения на внутренних стенках нефтепроводов, состоящие на 85-95 % из парафина, создают существенные трудности при добыче и перевозке нефти [3, 4] с большим содержанием парафина. Принципиальная разница между разработанным и существующими методами устранения негативного влияния АСПО [5-8] состоит в том, что рекомендуемый метод предполагает удаление АСПО с помощью промыслового нефтяного депарафинизатора, включающего тепловой гидравлический циклон (ТГЦ), и дает возможность частичного извлечения парафина из нефти, а также выработки более ценного, чем сама нефть, парафинового продукта (ПП) [9, 10]. Доочистка его может быть проведена на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях с получением товарного парафина, в том числе и пищевого парафина.
Цель работы - совершенствование технологии получения парафина и ее аппаратное обеспечение для эффективного использования в пищевой промышленности. Основные задачи работы: экспериментальное определение производительности и эффективности ТГЦ для получения ПП, анализ схемы доочистки ПП, получаемого из АСПО, а также оценка характеристик аппаратного обеспечения для эффективного использования в пищевой промышленности.
Для проведения испытаний по депарафинизации нефти была изготовлена и протестирована опытная установка, включающая ТГЦ (рис. 1).
Тнн ТГ>н
Тнк Тйк
Рис. 1. Опытная установка, включающая ТГЦ для выделения парафина из нефти: а - общий вид; б - принципиальная схема;I - парафинистая нефть, II - вода, III - ЖП; 1 - баня водная; 2 - ТГЦ; 3 - тангенциальный ввод; 4 - резервуар с очищенной нефтью; 5 - емкость для АСПО; б - подвод охлажденной водной среды; 7 - рубашка с омыванием; 8 - резервуар для отработанной водной среды; 9 - подвод нагретойводы; 10 - блок термодатчиков
а
Температура пробы парафинистой нефти в бане 1 растет до 60 . Далее нагретая проба направляется через тангенциальный вводной патрубок 3 в ТГЦ 2 с рубашкой 7, где организована циркуляция охлажденной воды. Повышение интенсивности движения по ТГЦ объекта исследования осуществляется из-за перманентного уменьшения диаметра сечения в конусном отсеке. Далее отделяемый парафин за счет сравнительно высокой его плотности отбрасывается к периферии внутреннего объема ТГЦ - к его стенкам и впоследствии выводится через выходное отверстие, расположенное снизу аппарата. Нефть захватывается потоком по оси ТГЦ и продвигается к верху по циклонному трубопроводу с дальнейшим выводом очищенной нефти через насадку в верхней части ТГЦ в резервуар 4. Впоследствии в рубашку 7 направляется нагретая вода с ( » 70 °С из резервуара 9. Расплавленный при теплообмене с нагретой водой, отброшенный к внутренней поверхности рабочей камеры ТГЦ парафин выводится через расположенное снизу отверстие в резервуар 5. Отработанная водная среда направляется в резервуар - сборник для воды 8. Исходные и итоговые температуры водной среды и нефти фиксируются на блоке термодатчиков 10.
Выполненные на лабораторном ТГЦ эксперименты позволили получить зависимость по удельной производительности депарафинизатора, т.е. массе парафина осевшего на квадратный метр установки т.р в единицу времени [14-16]. При этом наряду с материальным балансом, получаемым на основе взвешивания парафинистой нефти, ПП и очищенной от парафина нефти, использовались и уравнения теплового баланса, учитывающие количество отданной теплоты от застывающего парафина охлаждающей жидкости (воде) (рис. 2).
Kn*mF
эоо
дел цмфиниэвтора
Рис. 2. График зависимости удельная производительности депарафинизатора от времени
Из рис. 2 следует, что продолжительность понижения температуры депарафи-низатора и операции осаждения ПП на внутренней поверхности аппарата на начальном этапе максимальна и впоследствии наблюдается постепенное падение его удельной производительности, сто обусловливает переход его работы в режим повышения температуры для расплавления и отвода ПП в дренажный резервуар.
Масса осажденного материала, отнесенная к продолжительности и площади рабочей поверхности ТГЦ, рассчитывалась по выражению:
мпз
Шр =-
9
где Мпо - масса парафина после осаждения, кг; Дт - продолжительность процесса, с; Fэy = 0,0283 м2- площадь рабочей поверхности ТГЦ в опытном варианте.
Из анализа рис. 3 следует, что существенно снижается во времени. Так при т
Киутр = 0,275 Кпутр = 0,040
= 20 с кг/с*м2, а при г = 131 с кг/с*м2. Это обуслов-
лено ростом термосопротивления стенок ТГЦ при росте толщины слоя ПП, при его малозначительном коэффициенте теплопроводности и уменьшении скорости теплоотдачи при контакте с тепловым агентом в рубашке. Путем математической аппроксимации результатов опытов по методу наименьших квадратов получена за-
7ПГ В
висимость ТГЦ от продолжительности операции.
К^тр= -
(1)
где А - константа, составляющая для опытного аппарата А=5,б0 кг/м2.
Соотношение (2) возможно применять при расчете значений рациональных параметров и размеров ТГЦ, в зависимости от его конструктивного исполнения.
Оценить эффективность функционирования ТГЦ возможно, опираясь на соотношение массового расхода осажденного парафина, определенного эмпирически, с его максимальной величиной, рассчитанной теоретически, базируясь на основных положениях расчета отстаивания под влиянием центробежных и инерционных сил:
Кцутр
Исходя из того, что в ТГЦ по выражению находится в обратно пропор-
циональной зависимости от продолжительности операции, для оценки зависимости от нее эффективности ТГЦ справедливо, предложенное авторами выражение:
^тгЦ = тттгцЮ0%
"о спРГГг
средняя за время процесса эффективность работы ТГЦ:
А
^тгц = ЮС ]ТпГГ 7ДПГ
4 сгРП Ст-гс 'от уп
г юо л г«—
т аг тп
Расчет по формуле (2) показывает, что за г средняя г|тгц = 36 %, мало отклоняется от эмпирического значения, вычисленного на базе массовых и тепловых балансовых уравнений г|тгц - 38 %. Для роста эффективности индустриальной нефтяной депарафинизадии целесообразно повысить интенсивность осаждения рТТЦ
парафина с , и, кроме того использовать двойную депарафинизацию для отделения остатка парафина от нефти и выводимого снизу из ТГЦ жидкого ПП. Это позволит повысить эффективности промысловой депарафинизации нефти до 60 %.
Полученные данные возможно применить для оценивания технических параметров ТГЦ. В случае, когда высота обечайки ТГЦ - 1 м и ее диаметр 0,5 м удельная производительность по нефти будет равна 64,8 т/ч, а по парафину - 1,9 т/ч. Такие ТГЦ целесообразно применять на большинстве месторождений нефти с высоким содержание парафина до 6 - 10 % и выше. Их использование дает возможность вырабатывать нефть высокого качества и, кроме того ПП, который имеет большую ценность по сравнению с нефтью и после дополнительных операций очистки может использоваться как полуфабрикат для производства пищевого парафина.
Анализ состава АСПО, полученных с различных месторождений высокопара-финистой нефти, показал, что это до 85-90 % парафиновые углеводороды с температурой плавления (30-75) °С, до 10 % вода, до 10 % смолистые соединения, ас-фальтены и другие примеси. Высокомолекулярные твердые парафины нефти можно использовать для производства пищевого парафина, а смолы, асфальтены для производства консервационных смазок, органоминерального гидроизоляционного материала, мастик и консервационных смазок[17-21].
Переработку смеси парафинов и АСПО можно проводить классическими методами, где вначале при температуре 180-210 °С удаляют влагу, а затем экстракцией^ 2]. Для производства пищевого парафина предлагается добавить к технологической схеме разделения АСПО или полученный на ТГЦ ПП установку (узел) гидроочистки (рис. 3).
Парафины + АСПО
Растворение при (85-95) С при соотношении растворителя: сырья =5:1
Экстракция при 1= (55-65) С
Раствор рафината
Отгонка растворителя
Обезм а сливание растворителем при (55-65) °С
Раствор экстракта
1 ~ Отгонка раствора
I
экстракт
-Ч с,
г сп ен зи я
ь---
I
Разделение одним из методов:
a. Декантацией;
b. Центрифугированием;
c. Фильтрацией ¡вакуум фильтры) и т.д.
| Черная
I парафиновая масса
Гндроочистка
,1 ~ Готовый продукт - пищевой парафин
Рис. 3. Схема переработки парафиновой массы и АСПО
Это позволит удалить из парафиновой массы запаха нестабильных азотистых, смолистых и сернистых веществ и придать товарный белый цвет продукту, доведя его по качеству до пищевого парафина. В зависимости от чистоты и ареала использования применяют следующую маркировку твердых парафинов, используемых в пищевой индустрии, П-1 и П-2.
Исследования по переработке парафинов начались сравнительно недавно для рационального их использования при получении мыла, сульфонатов, алкилсульфа-тов и др. которые важны в производстве моющих средств, эмульгаторов, вспомогательных материалов и др. Это дает возможность исключить применения жиров в при органическом синтезе и расширить ареал получения пищевой продукции с такими добавками [1].
В настоящее время более интенсивно парафин стал употребляться в пищевой индустрии. Ранее применение парафина ограничивалось парафинированием пакетов для молока и покрытием других поверхностей тары и упаковки для пищевых товаров. Появление пищевого парафина под маркой П-2 значительно расширило область его использования [23-24].
Технологическое оборудование для обработки продуктов пищевым парафином показано на рис. 4.
Рис. 4. Технологическое оборудование для обработки продуктов пищевым парафином: а) котел для плавления пищевого парафина; б), в) -линии обработки яблок; пищевым парафином; г), д) линии для глазировки сыров; е) линия для глазирования конфет.
116
Другое название пищевого парафина - вазелиновое масло, которое на самом деле вырабатывается из нефти путем многоступенчатой очистки. В результате в продажу поступает прозрачная маслянистая жидкость, совершенно лишенная вкуса и запаха [24]. Следует отметить, что непосредственное использование парафина и парафиновой жидкости в пищевых продуктах требует соответствующей проверки на безопасность и исследования влияния на здоровье отдельных групп населения: детей, беременных женщин, пожилых людей и людей с хроническими заболеваниями.
Таким образом, области использования парафина в пищевой промышленности непрерывно расширяются и технологии получения, очистки и применения парафина непрерывно совершенствуются. Соответственно совершенствуется и аппаратное обеспечение технологических процессов. Отметим, что для эффективного использования парафина в пищевой промышленности необходимо повысить степень механизации всех основных и вспомогательных операций за счет применения промышленных роботов и полностью автоматизированных линий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Справочник химика 21. Химия и химические технологии. Парафин пищевой [электронный ресурс].-URLrhttps://www.chem21.info/info/397724/(дата обращения 17.10.2019)
2. Система оптимум. Все о пищевом парафине [электронный ресурс].-URL: https://www.systopt.com.ua/ru/vse-o-pyshhevom-parafyne/. (дата обращения 17.10.2019)
3. Каюмов М.Ш., Тронов В.П., Гуськов И.А., Липаев A.A. Учет особенностей образования асфальтосмолопарафиновых отложений на поздней стадии разработки нефтяных месторождений / / Нефтяное хозяйство. 2006. №3. С. 48-49.
4. Петрова A.M., Форс Т.Р., Юсупова Т.Н., Мухаметшин Р.З., Романов Г.В. Влияние отложения в пласте твердых парафинов на фазовое состояние нефтей в процессе разработки месторождений // Нефтехимия. 2005. Т.45. №3. С. 189-195.
5. Баймухаметов М.К. Совершенствование технологий борьбы с АСПО в нефте -промысловых системах на месторождениях Башкортостана. Автореф. дисс. на со-иск. учёной степени к.т.н. Уфа, 2005. - 16 с.
6. Тронов В.П. Механизм образования смоло-парафиновых отложений и борьба с ними. М.: Недра, 1970. 192 с.
7. Исламов М. К. Разработка и внедрение удалителейа сфальто - смолистых и парафиновых отложений на нефтяном оборудовании. Дис.кан. техн. наук. 05.17.07, Уфа. - 2005. - 125 с.
8. Скребковые кристаллизаторы. Отдел разработка и поставка. Сайт компании «Химмаш-Аппарат» [Электронный ресурс] - Режим доступа http://www.him-pparat.ru/kristainizator.php (Дата обращения 21.04.2017 г.)
9. Мамитов Д.С., Шишкин Н. Д. Разработка промыслового депарафинизатора для морских нефтедобывающих платформ / / Новейшие технологии освоения месторождений углеводородного сырья и обеспечение безопасности экосистем Каспийского шельфа. Материалы VI Межд. научн.-практ. конф. Астрахань. 7 сентября 2015 г. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2015 . - С. 139-143.
10. Мамитов Д. С., Марышева М. А., Шишкин Н. Д. Разработка промыслового депарафинизатора нефти. «Знание. Опыт. Инновации». Сборник тезисов докладов VII научно-технической конференции молодых специалистов и молодых работников / ООО « Газпром добыча Астрахань». - Астрахань: Издатель Сорокин Роман Васильевич, 2017, 284 с.
REFERENCES
1. Spravochnik himika 21. Himiya i himicheskie tekhnologii. Parafin pishchevoj [elektronnyj resurs].-URL:https:/ /www.chem21 .info/info/397724/(data obrashcheni-ya 17.10.2019)
2. Sistema optimum. Vse o pishchevom parafine [elektronnyj resurs].-URL: https: / /www.systopt.com.ua/ru/vse-o-pyshhevom-parafyne /. (data obrashcheniya 17.10.2019)
3. Kayumov M.SH., Tronov V.P., Gus'kov I.A., Lipaev A.A. Uchet osobennostej obrazovaniya asfal'tosmoloparafinovyh otlozhenij na pozdnej stadii razrabotki neftyan-yh mestorozhdenij // Neftyanoe hozyajstvo. 2006. №3. S. 48-49.
4. Petrova L.M., Fors T.R., YUsupova T.N., Muhametshin R.Z., Romanov G.V. Vliyanie otlozheniya v plaste tverdyh parafinov na fazovoe sostoyanie neftej v processe razrabotki mestorozhdenij // Neftekhimiya. 2005. T.45. №3. S. 189-195.
5. Bajmuhametov M.K. Sovershenstvovanie tekhnologij bor'by s ASPO v nefte-promyslovyh sistemah na mestorozhdeniyah Bashkortostana. Avtoref. diss, na soisk. uchyonoj stepeni k.t.n. Ufa, 2005. - 16 s.
6. Tronov V.P. Mekhanizm obrazovaniya smolo-parafinovyh otlozhenij i bor'ba s nimi. M.: Nedra, 1970. 192 s.
7. Islamov M. K. Razrabotka i vnedrenie udaliteleja sfal'to - smolistyh i parafi-novyh otlozhenij na neftyanom oborudovanii. Dis.kan. tekhn. nauk. 05.17.07, Ufa. -2005. - 125 s.
8. Skrebkovye kristallizatory. Otdel razrabotka i postavka. Sajt kompanii «Himmash-Apparat» [Elektronnyj resurs] - Rezhim dostupa http://www.him-pparat.ru/kristaillizator.php (Data obrashcheniya 21.04.2017 g.)
9. Mamitov D.S., SHishkin N. D. Razrabotka promyslovogo deparafinizatora dlya morskih neftedobyvayushchih platform / / Novejshie tekhnologii osvoeniya mestorozhdenij uglevodorodnogo syr'ya i obespechenie bezopasnosti ekosistem Kaspijskogo shel'fa. Materialy VI Mezhd. nauchn.-prakt. konf. Astrahan'. 7 sentyabrya 2015 g. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2015 . - S. 139-143.
10. Mamitov D. S., Marysheva M. A., SHishkin N. D. Razrabotka promyslovogo deparafinizatora nefti. «Znanie. Opyt. Innovacii». Sbornik tezisov dokladov VII nauchno -tekhnicheskoj konferencii molodyh specialistov i molodyh rabotnikov / OOO « Gazprom dobycha Astrahan'». - Astrahan': Izdatel' Sorokin Roman Vasil'evich, 2017, 284
