ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА СМАЗОЧНЫХ МАСЕЛ

Введение

Назначение, классификация, основные показатели, сорта и химмото-логические требования к качеству смазочных масел изложены в гл. 4 §5.

Практически любое смазочное масло представляет собой масля­ную основу - базовое масло, в которое вводят присадки разного функционального назначения.

Масляная основа нефтяных смазочных масел представляет со­бой сложную смесь высококипящих углеводородов с числом угле­родных атомов 20-60 (молекулярной массы 300-750), выкипающих в интервале 300-650 °С. Сырьем для их производства является мазут, а главным процессом - вакуумная перегонка, в результате которой получают узкие масляные фракции (от 1 до 4) и гудрон. В этих фрак­циях содержатся: парафиновые углеводороды (алканы нормального и изостроения); нафтеновые углеводороды (цикланы), содержащие пяти- и шестичленные кольца с парафиновыми цепями разной дли­ны; ароматические углеводороды (арены моно- и полициклические); гибридные углеводороды, а также смолисто-асфальтеновые вещества и серо-, азот- и кислородсодержащие гетероорганические соедине­ния (см. гл.З). В исходных масляных фракциях нефти содержатся компоненты, составляющие основу базовых масел, и так называе­мые нежелательные компоненты, ухудшающие физико-химические и эксплуатационные свойства товарных масел, такие, как смолисто-асфальтеновые, полициклические ароматические и высокомолеку­лярные парафиновые углеводороды. Поэтому технология производ­ства базовой основы смазочных масел основана на избирательном удалении из масляных фракций нежелательных углеводородов при максимально возможном сохранении компонентов, обеспечивающих

требуемые физико-химические и эксплуатационные свойства конеч­ных товарных масел.

Методы удаления нежелательных компонентов, то есть очистки масляных фракций, делятся на химические и физические.

При химической очистке используют реагенты (щелочь, кис­лоту, водород), химически взаимодействующие с удаляемыми ком­понентами. Наиболее старыми, но до сих пор используемыми ме­тодами являются сернокислотная и щелочная очистки. В процес­се сернокислотной очистки из исходного сырья удаляются преиму­щественно смолисто-асфальтеновые вещества и полициклические ароматические углеводороды. Кислые вещества, остающиеся в очищенном масле после удаления кислого гудрона, удаляют об­работкой водным раствором щелочи или контактированием с от­беливающими землями. При гидрогенизационных методах очист­ки требуемое качество масел достигается химическим преобразо­ванием нежелательных компонентов сырья в углеводороды нуж­ной структуры.

Физические методы очистки масел предусматривают разделе­ние масляной фракции на две части без изменения химического стро­ения углеводородов исходного сырья.

Из массообменных процессов фракционирования многокомпо­нентных смесей в производствах смазочных масел наибольшее рас­пространение получили экстракционные процессы, основанные на использовании различной растворимости углеводородов в раствори­телях. В этих процессах фракционирование масляного сырья осуще­ствляется не по температурным пределам кипения, а по химическо­му углеводородному составу. Одни групповые химические компо­ненты сырья хорошо растворяются в выбранном для данного экст­ракционного процесса растворителе, а другие, наоборот, плохо или совсем не растворяются.

Основные понятия и определения экстракционных процессов

Целевое назначение экстракционных процессов масляных про­изводств - удаление из исходного сырья низкоиндексных и коксо-генных компонентов, таких, как смолисто-асфальтеновые и полицик­лические углеводороды, а также высокоплавких парафинов, ухуд-

шающих низкотемпературные свойства товарных масел. В произ­водстве нефтяных смазочных масел применяются следующие 3 типа экстракционных процессов: деасфальтизация гудронов, селективная очистка деасфальтизированных гудронов и масляных дистиллятов и депарафинизация экстрактивной кристаллизацией.

Из технологических параметров экстракционных процессов наи­большее значение имеют температура экстракции, соотношение растворитель:сырье (кратность растворителя) и являющаяся функ­цией этих параметров критическая температура растворения.

Критическая температура растворения (КТР). При смешении сырья с растворителем при постоянной температуре вначале проис­ходит полное растворение растворителя в сырье. При дальнейшем увеличении кратности растворителя образуется дисперсная (гетеро­генная) система, состоящая из двух фаз: одна из них - дисперсион­ная среда, представляющая собой растворитель с растворенными компонентами, а другая - дисперсная фаза - нерастворенные ком­поненты с растворителем. При значительной кратности растворите­ля может происходить полная растворимость сырья.

При неизменной кратности растворителя с повышением тем­
пературы увеличивается содержание растворенных компонентов
сырья и при достижении определенной температуры, называемой
КТР, и выше этой температуры сырье полностью смешивается с ра­
створителем, образуя гомогенную, то есть однофазную систему. Кри­
вая растворимости масляного сырья в растворителях может быть
различной в зависимости от качества сырья и типа растворителя. На
рис. 6.1 представлена в качестве примера типичная кривая раство­
римости масляного дистилля­
та парафинистой нефти в фур -
фуроле: внутри этой кривой
находится область существо­
вания двух фаз, вне ее - об­
ласть полной взаимной ра­
створимости.
О 20 40 60 80 юо Разделение исходного

Концентрация фурфурола, сырья на групповые хими-

" ^масс" ческие компоненты при по-

Рис. 6.1. Зависимость КТР для системы _{мощи экстракции МО}жет

«масло из парафинистой нефти - фур-,

thvDOJi» быть осуществлено лишь

при условии образования дисперсной системы, что обеспечивает­ся соответствующим выбором температуры экстракции и кратно­сти растворителя.

Разделение образующихся фаз осуществляется по разности их плотностей в экстрактных аппаратах (преимущественно в противо-точных колоннах тарельчатого, насадочного или роторного типа) и путем фильтрации.

В масляных производствах после отгонки растворителей из обе­их фаз получают полупродукты под следующими названиями:

Из дисперсионной среды Из дисперсной фазы

Деасфальтизация деасфальтизат асфальтит

Селективная очистка экстракт рафинат

Депарафинизация гач или

кристаллизацией депарафинизат петролатум

Растворяющая способность и избирательность растворителя - два основных эксплуатационных свойства, которые являются решающи­ми при выборе эффективного растворителя для экстракционных процессов.

Растворяющая способность - показатель, характеризующий аб­солютную растворимость компонентов масляных фракций в опре­деленном количестве растворителя. Общепринятой единой методи­ки для определения растворяющей способности растворителей до сих пор нет. Принято этот показатель оценивать:

1) по выходу растворенного компонента сырья при одинаковой кратности растворителя;

2) по значению КТР при одинаковой кратности растворителя;

3) количеством растворителя, необходимым для извлечения од­ного и того же растворенного компонента сырья.

Из приведенных ниже в качестве примера сопоставительных данных видно, что из двух растворителей большей растворяющей способностью обладает нитробензол, имеющий при постоянном рас­ходе растворителя меньшую КТР и обеспечивающий больший вы­ход растворенного компонента, а также одинаковый выход раство­ренных компонентов при в 4,5 раза меньшем расходе растворителя по сравнению с анилином.

Избирательность (селективность') характеризует способность растворителя растворять только компоненты определенной струк­туры сырья, что позволяет четко разделять исходное сырье на от­дельные групповые химические компоненты.

Для оценки избирательной способности растворителей в настоя­щее время также нет единой методики. Об избирательности раство­рителя можно судить по разности (градиенту) таких показателей, как плотность, индекс вязкости, коэффициент преломления или ани­линовая точка.

Применительно к процессам селективной очистки масел пользу­ются коэффициентом распределения К, определяемым из соотноше­ния объемных концентраций извлекаемых компонентов в экстракте (С_Экс) и рафинате (С_раф): К = С_экс/С_раф.

Для характеристики избирательности растворителя для этого же процесса можно пользоваться уравнением А.З. Биккулова:

Избирательность = (А_экс-ЪрафЖА_раф-Б_экс), где А_экс, А_раф и Б_экс, Б^ф - содержание в экстракте и рафинате соот­ветственно ароматических и парафино-нафтеновых углеводородов.

Показатели избирательности могут быть использованы только для сравнения растворителей при их выборе для тех или иных це­лей, но непригодны при расчетах экстракционных процессов.

Как правило, растворяющая и избирательная способности раство­рителей антибатны, и обычно рост одного показателя ведет к сниже­нию другого. Поэтому при выборе растворителя приходится прини­мать компромиссные решения.

Растворяющая способность и избирательность для каждого ра­створителя не являются постоянными и зависят как от технологи­ческих условий экстракционных процессов, так и от химического состава сырья.

Требования к растворителям. В качестве избирательных раство­рителей предложено большое количество различных органических

и неорганических соединений, однако сложный комплекс требова­ний, предъявляемых к экстрагентам, ограничивает возможность ис­пользования многих из них для промышленных экстракционных процессов.

Промышленные экстрагенты должны обладать прежде всего сле­дующими эксплуатационными свойствами:

- оптимальной растворяющей способностью и высокой избира­тельностью в достаточно широком интервале температур (эти пока­затели обусловливают выход и качество целевых продуктов);

- низкими теплотой испарения и температурой кипения по срав­нению с сырьем, что позволяет уменьшить энергетические затраты на регенерацию растворителей;

- достаточно высокой разностью плотностей с исходным сырьем и низкой вязкостью для облегчения процесса разделения гетероген­ных фаз образующейся дисперсной системы.

Кроме того, они должны быть дешевыми и недефицитными, а также удовлетворять следующим экологическим требованиям:

- должны иметь высокие химическую и термическую стабильно­
сти;

- должны быть нетоксичными, взрыво- и пожаробезопасными;

- не должны вызывать коррозии аппаратуры.

Растворителям отдельных экстракционных процессов предъяв­ляется дополнительно ряд специфических требований. Так, раство­рители процессов депарафинизации кристаллизацией должны:

- иметь низкую температуру застывания, чтобы не кристалли­зоваться при температуре депарафинизации и не забивать филь -тровальную ткань;

- обеспечивать минимальную разность между температурами за­стывания депарафинизата и конечного охлаждения смеси раствори­теля с сырьем;

- способствовать образованию крупных кристаллов твердых па­рафинов, обеспечивающих хорошее фильтрование.

Растворители процессов деасфальтизации должны:

- обладать хорошей коагулирующей способностью;

- иметь не слишком низкую температуру кипения для проведе­ния процесса экстракции при пониженных давлениях;

- не должны или должны плохо растворять смолисто-асфальте-новые углеводороды нефтяных остатков.

9 — 1908

Определенное значение имеют также поверхностное натяжение, теплоемкость, критические температура и давление и другие пока­затели растворителей.

Из анализа вышеприведенных требований к качеству экстра-гентов можно констатировать, что практически невозможно реко­мендовать универсальный растворитель для всех видов сырья и для всех экстракционных процессов. В этой связи приходится доволь­ствоваться узким ассортиментом растворителей для отдельных экстракционных процессов. Так, в процессах деасфальтизации гудро-нов широко применялись и применяются низкомолекулярные алка-ны, такие, как этан, пропан, бутан, пентан и легкий бензин, являю­щиеся слабыми растворителями, плохо растворяющими смолисто-асфальтеновые соединения нефтяных остатков. В процессах селек­тивной очистки масляных дистиллятов и деасфальтизатов приме­нялись сернистый ангидрид, анилин, нитробензол, хлорекс, фенол, фурфурол, крезол и N-метилпирролидон. В процессах депарафи-низации кристаллизацией наибольшее применение нашли ацетон, бензол, толуол, метилэтилкетон, метилизобутилкетон, дихлорэтан, метиленхлорид.

Типы экстракционных аппаратов. Процессы экстракций отли­чаются в конкретных случаях используемыми растворителями и тех­нологическими параметрами, но подчиняются общим закономерно­стям массообменных процессов и осуществляются в типовых аппа­ратах, называемых экстракторами.

Эффективность экстрактора при прочих равных условиях зави­сит от совершенствования контактирования исходной жидкой смеси и растворителя, а также от четкости разделения полученной гете­рогенной смеси. Большая поверхность контакта достигается дисперги­рованием одной из жидких фаз, а четкость разделения (расслоения) -обособленными гравитационными отстойниками, совмещением спе­циальных расслаивающих устройств со смесительными в одном кор­пусе или созданием центробежных сил.

К экстракторам предъявляют также ряд других требований: вы­сокая удельная производительность, простота и надежность конст­рукции, малая металлоемкость, низкий расход энергии и др. Поиски i оптимального экстрактора обусловили появление многочисленных конструкций этого аппарата, из которых наибольшее применение в производстве масел получили колонные экстракторы непрерывного противоточного контактирования фаз.

В качестве критерия эффективности экстракторов преимуще­ственно используют, как и в ректификационных колоннах, число теоретических тарелок, которое определяют путем сравнения кри­вых зависимости разности показателей качества (коксуемости, пре­ломления, анилиновой точки, вязкости и др.) исходного сырья и про­дукта экстракции методом периодического противотока.

По сравнению с ректификацией в экстракционных процессах для получения целевого продукта заданного качества с его отбором, близ­ким к потенциальному, требуется значительно меньшее число тео­ретических тарелок. Так, в экстракционных процессах масляных производств считается вполне достаточным 5-7 теоретических та­релок.

В зависимости от типа растворителя экстракторы подразделя­ются на следующие два типа: с верхней и нижней подачей раство­рителя.

Экстракторы 1-го типа применяются в тех случаях, когда исполь­зуют более плотный, по сравнению с сырьем,растворитель, как, на­пример, фенол, фурфурил, N-метилпирролидон и др.

Экстракторы 2-го типа с нижней подачей более легкого, чем сы­рье, растворителя применяют в процессах деасфальтизации пропа­ном, бутаном или легким бензином.

В настоящее время в производствах смазочных масел эксплуа­тируются экстракционные колонны разных поколений: от старых насадочных (с кольцами Рашига) до тарельчатых с более эффектив­ными контактными устройствами или экстракторов с регулярными насадками. В последние годы находят применение экстракторы типа роторно-дисковых контакторов и центробежные.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: