Нефть. От первых скважин до новой эпохи - Глеб Олегович Трухин

керосиновые фракции, а в последние годы и газовый конденсат, при осушке – диэтиленгликоль (ДЭГ) и триэтиленгликоль (ТЭГ). Для абсорбционной очистки газов от кислых компонентов применяют N-метил-2-пирролидон, гликоли, пропиленкарбонат, трибутилфосфат, метанол; в качестве химического поглотителя используются моно- и диэтаноламины. На рисунке 10 изображено строение некоторых абсорбентов.

Рисунок 10. Структурные формулы некоторых абсорбентов, которые используются в нефтепромышленности

Абсорберы разделяют по способу контактирования взаимодействующих фаз на три группы: поверхностные, барботажные и распыливающие.

В поверхностных абсорберах поверхностью контакта фаз является зеркало жидкости или поверхность стекающей пленки (пленочные абсорберы). К этой группе относятся аппараты со свободной поверхностью; насадочные с насыпной и регулярной насадкой; пленочные, в которых пленка образуется при гравитационном стекании жидкости внутри вертикальных труб или на поверхности листов; механические пленочные с пленкой, формирующейся под действием центробежных сил.

В барботажных абсорберах поверхность контакта развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырей и струй. К этой группе относятся аппараты со сплошным барботажным слоем с непрерывным контактом между фазами, тарельчатого типа, с подвижной (плавающей) насадкой, с механическим перемешиванием жидкости.

В распыливающих абсорберах поверхность контакта образуется путем распыления жидкости на мелкие капли. К этой группе относятся аппараты полые форсуночные с распылением за счет энергии жидкости; скоростные прямоточные с распылением абсорбента за счет кинетической энергии движущегося с большой скоростью газового потока; механические с распылением жидкости быстро вращающимися элементами.

Другим вариантом разделения, схожим с абсорбцией, является адсорбция. Этот процесс заключается в извлечении компонентов из газа или жидкости твердым компонентом, называемым адсорбентом. Твердое вещество, на поверхности или в порах которого происходит концентрирование поглощаемого вещества, называется адсорбентом. Поглощаемое вещество, находящееся вне пор адсорбента, называется адсорбтивом, а после его перехода в адсорбированное состояние – адсорбатом. Адсорбцию разделяют так же, как и абсорбцию, на два вида – химическую и физическую.

Адсорбент имеет свой ресурс, так же как и абсорбент. Когда он исчерпывает свою способность к поглощению, происходит проскок, который определяет время защитного действия адсорбента. Для восстановления этого ресурса проводят регенерацию. Регенерация проводится горячим азотом или выжиганием из пор остатков поглощенного компонента. Аппарат представляет собой сосуд с насыпным адсорбентом, который закреплен аналогично насадкам в ректификационных колоннах. Сырье подается снизу адсорбера, а газ при регенерации, наоборот, сверху. Процесс регенерации проводится отдельно от подачи сырья – это значит, что адсорберы являются аппаратами периодического действия. Таким образом, для того чтобы избежать простоя, делают несколько параллельных линий. Примерный вариант адсорберов показан на рисунке 11. Однако отметим, что существуют и другие виды конструкторского оформления, к которым перейдем чуть позже.

Рисунок 11. Параллельная схема адсорбции

В качестве адсорбентов используются активированный уголь, силикагель, алюмосиликаты, цеолиты и др. Цеолиты, или молекулярные сита, – синтетические или природные адсорбенты с регулярной структурой пор, представляющие собой алюмосиликаты натрия, калия или других элементов. При нагревании вода, заполняющая поры цеолитов, выделяется, создавая эффект закипания, что совершенно оправдывает название – «кипящие камни». Общая химическая формула Ме2/nО – Аl2О3 – xSiO2 – yН2О, где Me – катион щелочного металла, n – его валентность. В качестве катионов в состав природных цеолитов обычно входят натрий, калий, кальций, реже магний, барий, стронций. Кристаллическая структура цеолитов образована тетраэдрами SiO4 и АlО4. В качестве природных цеолитов используют различные минералы: содалит, шабазит, морденит, фожазит и др. Синтетические цеолиты имеют строение и геометрическую структуру, аналогичные природным цеолитам. Аналогами фожазита являются синтетические цеолиты типа X и Y.

Различают синтетические цеолиты типов А, X и Y. Цеолиты типа А относятся к низкокремнистым формам: в них отношение SiO2: Al2O3 не превышает 2. Цеолиты типа X имеют мольное отношение SiO2: Al2O3, которое может изменяться от 2,2 до 3,3. Цеолиты типа Y характеризуются вышеупомянутым соотношением в пределах от 3,1 до 6. При увеличении этого показателя повышается кислотостойкость цеолитов. Размеры входных окон, определяющих избирательность цеолитов, изменяются от 3 до 9.

В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности применяются адсорберы следующих типов: с неподвижным слоем адсорбента, с движущимся слоем адсорбента, с псевдоожиженным слоем адсорбента.

Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента представляют собой вертикальные аппараты, заполненные гранулированным адсорбентом. В промышленной практике общая высота слоя предопределяется необходимым его объемом и величиной гидравлического сопротивления слоя; обычно она составляет от 2 до 12 метров. В адсорберах с неподвижным слоем адсорбента все стадии процесса протекают в определенной последовательности в одном аппарате, и для непрерывной работы установки приходится иметь несколько аппаратов, работающих по определенному циклу.

Адсорберы с движущимся слоем адсорбента (в данном случае – гранулированный активированный уголь) применяются для извлечения этилена из его смеси с водородом и метаном, водорода из смеси газов и т. п. В этом случае процесс ведется непрерывно, и каждая его стадия осуществляется в определенном аппарате или части аппарата. Адсорбент последовательно перемещается между отдельными аппаратами по системе пневмотранспорта.

Адсорберы с псевдоожиженным слоем адсорбента позволяют также осуществлять непрерывный процесс адсорбции. В этом случае в качестве адсорбента используются мелкие гранулы (обычно не более 500 мкм). Конструктивно адсорбер может иметь один или несколько «кипящих» слоев, обеспечивающих контакт фаз в противотоке (ступенчатопротивоточный адсорбер). В таком аппарате на специальных контактных устройствах (тарелках) осуществляется взаимодействие между газом и порошкообразным адсорбентом, в результате чего адсорбент переводится в состояние псевдоожижения. Адсорбент, двигаясь сверху вниз через переточные устройства, передается с одной контактной ступени на другую. Газ движется в аппарате противотоком снизу вверх. Для отделения из газового потока частичек адсорбента перед выходом из адсорбера газ направляют в циклоны. В аппаратах с псевдоожиженным (кипящим) слоем адсорбента можно интенсифицировать процесс массопередачи при адсорбции за счет уменьшения размера гранул и более интенсивного обновления их контактной поверхности.

Так мы познакомились с еще одним видом массообменного процесса, который входит в состав многих установок как подготовки нефти, так и переработки ее фракций. Но встречаются ли в жизни процессы адсорбции, десорбции и абсорбции? С адсорбцией мы сталкиваемся постоянно – даже в быту. Например, широко известен силикагель, который отлично осушает воздух. А вот абсорбция в повседневной жизни практически не встречается: это довольно сложный процесс, требующий специальных условий, да и для уборки или разделения есть способы попроще.

Экстракция и сушка

Перейдем к заключительной теме массообменных процессов в нефтехимии. Начнем с определения процесса экстракции. Это процесс избирательного извлечения компонентов жидкой или твердой фазы при обработке растворителем. Последний должен хорошо растворять целевые элементы, но ограниченно или практически не растворять остальные