Смазочные материалы

СОДЕРЖАНИЕ

Введение  ………………………………………………………………………………..4

1. Теоретические основы процесса………………………………………………..5
2. Характеристика сырья и продуктов…………………………...........................14
3. Выбор и описание технологической схемы установки………………………15
4. Технологический расчет материального баланса и основных

 аппаратов установки………………………………………………………......17

 Заключение………………………………………………………................................46

 Список  литературы…………………………………………………………………...47 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ

      Современное производство нефтяных смазочных масел  основано на использовании процессов  экстракционного разделения вакуумных  дистиллятов и деасфальтизатов. К числу таких процессов относится  селективная очистка масляного сырья избирательными растворителями, которая является одной из основных в технологии производства нефтяных масел.

    Процесс предназначен для удаления из масляного  сырья смолистых соединений, полициклических  ароматических и нафтено-ароматических  углеводородов с короткими боковыми цепями, а также серо-, кислород-, азот- и металлоорганических соединений. В этом процессе закладываются такие важнейшие эксплуатационные характеристики масел, как вязкостно-температурные свойства, стабильность против окисления и приемистость к присадкам .

    Сырьем  процесса служат масляные дистилляты и деасфальтизаты гудронов, получаемые при вакуумной перегонке мазута. Целевые продукты процесса - рафинаты направляются на депарафинизацию с целью улучшения низкотемпературных свойств масел. Побочным продуктом селективной очистки являются экстракты.

    При очистке конкретного сырья учитывают  результаты предварительных исследований, позволяющие установить примерные  выход и качество получаемых продуктов.

    Актуальность разрабатываемого проекта в применении наиболее перспективного избирательного растворителя - N-метилпирролидона в процессе селективной очистки с целью увеличения выхода рафината без ухудшения его качества.  
 
 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

     Процесс селективной очистки имеет особое значение для производства нефтяных масел, т.к. позволяет существенно улучшить важнейшие эксплуатационные свойства масел. В качестве избирательных растворителей для очистки нефтяных фракций на практике используются лишь немногие, т.к. растворители селективной очистки должны :

• обладать высокой избирательностью и растворяющей способностью по отношению к извлекаемым компонентам сырья при умеренных температурах, способствующих интенсивному контакту сырья с растворителем;
• плохо растворяться в смеси желательных компонентов сырья, что облегчает его регенерацию из рафинатного раствора;
• иметь плотность, отличающуюся от плотности сырья для быстрого и четкого разделения фаз;
• обладать умеренной температурой кипения, отличающейся от температуры кипения сырья (на 120-150°С), что облегчает регенерацию растворителя из рафинатного и экстрактного растворов;
• быть химически и термически стабильными, то есть, не изменять своих свойств при эксплуатации и хранении;
• химически не взаимодействовать с компонентами очищаемого сырья; плохо растворяться в воде и растворять воду, не образовывать с ней азеотропных смесей;
• иметь низкую вязкость при температурах экстракции для обеспечения хорошего смешения с сырьем;
• обладать хорошими деэмульгирующими свойствами и не образовывать стойких эмульсий при смешении с сырьем при умеренном гидродинамическом воздействии;
• иметь достаточно высокую критическую температуру растворения (КТР) с сырьем, что позволяет проводить процесс при повышенных температурах; низкая температура застывания растворителя облегчает эксплуатацию установки в зимний период;
• не вызывать коррозии аппаратуры, быть нетоксичным, неядовитым, взрыво- и пожаробезопасным, дешевым и недефицитным.

     Практически ни один из испытанных и используемых в промышленности растворителей  перечисленным требованиям полностью не отвечает. Поэтому предпочтение отдается растворителям, которые  удовлетворяют большинству упомянутых требований, обеспечивающих оптимальное проведение селективной очистки.

     В настоящее время запатентовано  более 200 растворителей и их смесей для использования в процессе селективной очистки масел и работы по дальнейшему поиску эффективных растворителей не прекращаются. Основными промышленными растворителями, нашедшими мировое применение, являются фенол, фурфурол и N-метилпирролидон.

     По  способности растворять углеводороды растворители делятся на две группы:

     1. Растворители, которые смешиваются  с жидкими углеводородами нефтяных  фракций практически во всех  отношениях. Это низкомолекулярные  жидкие или сжиженные под давлением углеводороды парафинового ряда, этиловый эфир, хлороформ, четыреххлористый углерод и др. Одни из этих растворителей обладают слабой полярностью, другие вообще неполярны.

     2. Полярные соединения, имеющие высокий  дипольный момент (фенол, фурфурол, N-метилпирролидон, нитробензол, кетоны и др.). Растворимость нефтяных углеводородов в полярных растворителях зависит от соотношения их количества в растворе, а также от температуры и от химического состава нефтяных фракций.

     Растворение компонентов масел в полярных и неполярных растворителях происходит за счет сил межмолекулярного взаимодействия.

     Растворение углеводородов нефтяных фракций  в неполярных растворителях происходит за счет дисперсионных сил. Неполярные растворители смешиваются с жидкими нефтяными углеводородами в любых соотношениях. Твердые же углеводороды ограниченно растворяются в неполярных растворителях, особенно при низких температурах.

     Растворение компонентов масляных фракций в  полярных растворителях происходит не только за счет дисперсионного взаимодействия, но и за счет поляризации неполярных и ориентации полярных молекул углеводородов, т.е. за счет индукционного и ориентационного взаимодействия. Наибольшей способностью растворяться в этом случае обладают наиболее поляризованные молекулы, в частности, гетероциклические и ароматические углеводороды различной степени разветвленности, так как в их растворении участвуют три типа межмолекулярного взаимодействия.

     Если  молекула углеводорода неполярна, но способна к образованию наведенного извне дипольного момента, то в растворении такого углеводорода принимают участие два типа межмолекулярного взаимодействия: дисперсионное и индукционное.

     В растворении нормальных парафиновых  углеводородов, не подверженных поляризации, участвуют силы дисперсионного взаимодействия.

     По  этим причинам в полярных растворителях  легче растворяются полициклические  углеводороды с короткими боковыми цепями, а также гетероциклические соединения, труднее подвергаются растворению циклические углеводороды с малым числом колец и длинными боковыми цепями и очень слабо растворяются парафиновые углеводороды. Эти особенности разного или избирательного растворения желательных и нежелательных компонентов используются в промышленных условиях для очистки масляных фракций. Эффективность применяемого растворителя для очистки масляного сырья характеризуется такими показателями, как избирательность (селективность) и растворяющая способность.

     Растворяющая  способность – это абсолютная растворимость компонентов масляных фракций в определенном количестве растворителя при определенной температуре.

     По  результатам многочисленных исследований, установлены следующие основные закономерности по влиянию химической структуры молекул полярных растворителей на их растворяющую способность (РС) :

1. у растворителей с моноциклической молекулярной структурой с одной функциональной группой РС растет симбатно их дипольным моментам;
2. у растворителей с ациклической структурой с одной и той же функциональной группой РС повышается с увеличением длины алкильной цепи независимо от значений их дипольных моментов (за счет увеличения доли дисперсионных сил);
3. наличие в молекуле второй и более функциональных групп снижает его РС (как у фурфурола и N-метилпирролидона);
4. наличие в молекуле полярного растворителя функциональных групп, способных образовывать водородные связи, всегда приводит к снижению их РС.

     Селективными (избирательными) растворителями называют растворители, проявляющие разную растворяющую способность по отношению к различным компонентам нефтяного сырья. Избирательные свойства растворителя зависят от его дисперсионных и полярных свойств, которые определяются вкладом углеводородного радикала, обусловливающего дисперсионные силы, и функциональной группы, отвечающей за ориентационные силы.

     Функциональные  группы по их влиянию на избирательность  растворителя располагаются в следующей последовательности:

     NO₂> CN>CHO>COOH>OH >NH₂

     Селективность растворения нежелательных компонентов масляных фракций у N-метилпирролидона выше, чем у фенола. По уменьшению избирательной способности растворители располагаются в следующей последовательности:

                  фурфурол    >  N-МП  >             фенол 

     Задача  обработки нефтяных фракций растворителями заключается в том, чтобы подобрать  такой растворитель, который бы обладал  различной растворяющей способностью по отношению к желательным и нежелательным компонентам масел.

     Важнейшими  факторами, определяющими эффективность  процесса, являются температура и кратность растворителя к сырью, в свою очередь эти факторы зависят от характера очищаемого сырья и требований к качеству очищенного продукта.

     При очистке нефтяного сырья необходимо поддерживать такую температуру  экстракции, при которой система  состоит из двух фаз – рафинатного  раствора, содержащего очищенный  продукт (рафинат) и сравнительно небольшую часть растворителя и экстрактного раствора, состоящего в основном из растворителя и растворенных в нем нежелательных компонентов (экстракта). Это условие выполнимо при температурах ниже КТР данного сырья в данном растворителе на 20-30 ⁰С.

     Расход  растворителя на очистку обусловлен его свойствами, требованиями к качеству рафината, фракционным и химическим составом сырья и способом экстракции. Для получения рафината более высокого качества очистку необходимо проводить при более высоком расходе растворителя, однако при выборе кратности растворителя необходимо учитывать также, что чрезмерный его расход может привести не только к уменьшению выхода рафината, но и к ухудшению его качества. Обычно для дистиллятных фракций массовое отношение растворитель : сырье составляет (1,5-3,5) : 1, а для деасфальтизатов (2,5-5) : 1.

     Преимуществом применения  N-метилпирролидона по сравнению с фенолом и фурфуролом заключается в том, что при меньшей кратности растворителя к сырью он обеспечивает наиболее полное извлечение нежелательных компонентов и, соответственно, получение рафината лучшего качества.

     Желательная степень очистки нефтяного сырья  и выход рафината помимо оптимальных  расхода растворителя и температуры  очистки достигаются также применением наиболее совершенного метода экстракции. На современных промышленных установках селективную очистку осуществляют методом непрерывной противоточной экстракции. Преимущество его перед другими (однократным и многократным периодическим) заключается в простоте аппаратурного оформления, меньшем расходе растворителя при большем выходе рафината лучшего качества. При экстрагировании методом противотока очищаемый продукт по мере непрерывного движения навстречу растворителю все в большей степени освобождается от нежелательных компонентов, извлекаемых растворителем. Так как при этом КТР очищаемого сырья все время повышается, то для доизвлечения остающихся в рафинате нежелательных компонентов необходима более высокая температура экстракции. С этой целью создают разность между температурами растворителя и сырья (температурный градиент) 15-30 ⁰С. Зона наибольшей температуры – место ввода растворителя, наименьшей – место выхода экстрактного раствора. Температура в зависимости от растворителя составляет от 45 до 150°С. 
 
 

       ХАРАКТЕРИСТИКА РАСТВОРИТЕЛЯ

     В связи с ужесточением требований к охране окружающей среды как  в России, так и за рубежом отмечается тенденция к замене высокотоксичного фенола менее токсичным и достаточно эффективным  N-метилпирролидоном.

       Характеристики N-метилпирролидона представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика N-метилпирролидона

     Важным  показателем эффективности растворителя является его взаимодействие с водой. N-метилпирролидон смешивается с водой в любом соотношении и поэтому, в отличии от фенола и фурфурола, не образует с ней азеотропной смеси. Следовательно, при очистке N-метилпирролидона отпадает необходимость в водном контуре, что значительно облегчает работу узла регенерации растворителя из экстрактного раствора [2].

     N-метилпирролидон имеет более высокую температуру кипения, чем фенол и фурфурол, и казалось бы его труднее отогнать из экстрактного и особенно рафинатного растворов. Однако за счет меньшей теплоемкости N-метил-пирролидона КПД тарелок ректификационной колонны выше, чем при отгоне фенола, что дает возможность отогнать растворитель без серьезного уноса легкого продукта с растворителем и, кроме того, для снижения температур кипения растворителя отпарные колонны работают под вакуумом.

     Плотность N-метилпирролидона несколько меньше плотности фенола и фурфурола, однако разность плотностей N-метилпирролидона и масляных фракций достаточна для быстрого их разделения. Меньшие вязкость и эмульгируемость смеси масло - N-метилпирролидон обеспечивают более быстрое расслоение фаз по сравнению с фенольной очисткой (более чем в 2 раза), что дает возможность увеличить производительность установки приблизительно на 25% [2].

     К недостаткам N-метилпирролидона следует отнести его высокую стоимость и дефицитность, а также умеренную термическую стабильность. При 200 ⁰С начинается окисление N- метилпирролидона, а при температурах выше 300 ⁰С он разлагается в отсутствии кислорода с образованием смолистых продуктов. При контакте с воздухом в N-метилпирролидоне происходит растворение кислорода с образованием гидропероксидов, которые при температуре выше 160 ⁰С распадаются с образованием N-метилсукцинимидных соединений, имеющих щелочную реакцию. Реакцию разложения стимулирует присутствие воды. Амины при растворении в N-метилпирролидоне придают ему щелочную реакцию и могут в некоторой степени нейтрализовать кислые продукты, образующиеся при его высокотемпературном разложении. С повышением температуры кислотное число N-метилпирролидона увеличивается вследствие разрушения аминов. В присутствии воды возможно протекание реакций гидролиза с образованием муравьиной, метилгаммааминомасляной и гаммаоксимасляной кислот. Возможно также образование лактамов (внутренние амиды) и лактонов, наиболее интенсивно реакции гидролиза протекают при температурах выше 220 ⁰С. Во избежание разрушения аппаратуры вследствие коррозии при использовании  N-метилпирролидона следует использовать для ее изготовления аустенитные хромоникелевые стали, ферритные хромистые стали и технический алюминий. Удовлетворительной коррозионной стойкостью обладают медь, латунь, а серый чугун и резины, напротив, очень нестойки при соприкосновении с продуктами разложения N-метилпирролидона. Легированная сталь коррозионно устойчива при всех температурах процесса с применением N-метилпирролидона. С целью предотвращения коррозии аппаратуры в процессе селективной очистки с применением N-метилпирролидона предусматривают деаэрацию и обезвоживание его растворов . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. ХАРАКТЕРИСТИКА  СЫРЬЯ  И  ПРОДУКТОВ

Физико-химические характеристики усть-балыкской нефти

Потенциальное содержание  базовых дистиллятов  и остаточных масел

3. ВЫБОР И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

УСТАНОВКИ

    Принципиальная  технологическая схема установки  экстракционной очистки нефтяного  сырья выбирается в зависимости от свойств перерабатываемого сырья, в частности от фракционного состава, схемы НПЗ, назначения процесса и получаемой продукции, выбранного растворителя и аппаратурного оформления процесса. При выборе схемы установки следует руководствоваться следующими основными положениями:

• гибкость технологической схемы, обеспечивающая переработку сырья различного качества с получением продукции требуемого качества;
• высокий выход целевых продуктов;
• простота и компактность оборудования;
• максимальная утилизация тепла отходящих потоков, энергосбережение;
• минимальный расход охлаждающей среды;
• предотвращение загрязнения окружающей среды. 

     Сырье (I) направляется в абсорбер К-1, куда подается смесь водяного пара и растворителя. Температура в абсорбере поддерживается на уровне 115°С во избежание конденсации воды. В абсорбере происходит удаление воды и растворенного воздуха, присутствующих в исходном сырье, а также абсорбция растворителя сырьевым потоком. Пары воды уходят с верха абсорбционной колонны.

     Далее сырье, насыщенное N-метилпирролидоном, направляют в среднюю часть экстрактора К-2, в верхнюю часть экстрактора подается регенерированный N-метилпирролидон.

     Рафинатный  раствор, выходящий с верха экстрактора, собирается в емкости Е-3 и насосом  Н-5 через регенеративный теплообменник Т-2, в которых происходит нагрев рафинатного раствора за счет тепла паров N-метилпирролидона, выходящих из колонны К-3 и рафината, выходящего с низа колонны К-4, подается в печь П-1.

     Далее рафинатный раствор поступает в  ректификационную колонну К-3, где происходит испарение основного количества растворителя.

     С низа колонны К-3 рафинатный раствор  перетекает в колонну К-4, где происходит удаление остатков растворителя за счет ввода водяного пара IV.

     С верха колонны К-4 через барометрический конденсатор БК смесь водяных паров и паров растворителя направляется в емкость Е-4, а рафинат V с низа колонны К-4 после охлаждения поступает в парк.

     Экстрактный раствор с низа экстракционной колонны  К-2 насосом Н-8 подается в регенеративный теплообменник Т-3 для нагрева и затем подается в осушительную колонну К-7, где в мягких условиях удаляются остатки воды из растворителя. Тепло в колонну подводится с помощью рибойлера Р-1.

     Далее с низа колонны К-7 насосом Н-11 раствор подается двумя потоками в печь П-2, а затем в колонну К-6, где при высоких температурах отгоняется основная часть растворителя.

     Вода  с примесями N-метилпирролидона, выходящая с верха колонны К-7, частично охлаждается и конденсируется в аппарате воздушного охлаждения КХ-1, собирается в емкости Е-5 и направляется в колонну К-7 для орошения. Балансовое количество этой воды в виде паров поступает в абсорбер К-1.

     Для окончательного удаления растворителя из экстракта экстрактный раствор  с низа колонны К-6 поступает в  отпарную колонну К-5. С верха колонны К-5 обводненный растворитель направляется через барометрический конденсатор БК в емкость Е-4, а оттуда в абсорбер К-1, а экстракт после охлаждения откачивается в парк. 
 
 

4.Технологический расчет материального баланса и основных

аппаратов установки 

      Материальный баланс установки селективной очистки

Согласно  заданию производительность установки  составляет 400000 т/год. Исходя из того, что  в году 333 рабочих суток производительность установки составляет 50050,05 кг/ч.

Таблица 2  - Материальный баланс установки