
- •2. Методы разделения компонентов нефти и газа
- •2.1. Классификация методов разделения
- •2.2. Перегонка при пониженном давлении
- •2.3. Перегонка при атмосферном давлении и ректификация
- •2.4. Азеотропная и экстрактивная перегонка
- •2.5. Кристаллизация
- •2.6. Экстракция
- •2.7. Термическая диффузия
- •2.8. Адсорбция
- •2.9. Депарафинизация топлив и масел
- •2.10. Хроматографические методы разделения и анализа углеводородных смесей
- •2.10.1. Виды хроматографии и методики анализа
- •2.10.2. Газожидкостная хроматография
- •Характеристика хроматограммы и хроматографического пика
- •2.10.3. Газо-адсорбционная хроматография (гах)
- •2.10.4. Жидкостная адсорбционная хроматография
- •2.10.5. Жидкость-жидкостная хроматография
- •2.11. Химические методы разделения и идентификации компонентов нефти и газа
- •2.12. Очистка нефтепродуктов
2. Методы разделения компонентов нефти и газа
2.1. Классификация методов разделения
Для облегчения анализа нефтей и нефтепродуктов используют различные методы их предварительного разделения как по молекулярным массам, так и по химическому составу. Для разделения нефти и выделения групп углеводородов и гетероатомных компонентов применяют различные химические и физические методы.
Химические методы основаны на неодинаковой реакционной способности разделяемых компонентов, физические (или физико-химические) – на различии в концентрациях компонентов нефти в равновесных фазах. Классификация физических методов разделения компонентов нефти приведена в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Физические методы разделения компонентов нефти
Фазовые состояния |
Простые методы |
Сложные методы |
Газ – газ |
Диффузия через мембрану |
Диффузия с газом-носителем |
Газ – жидкость |
Перегонка и ректификация |
Перегонка с водяным паром Адсорбция Азеотропная ректификация Экстрактивная ректификация |
Газ – твердая фаза |
Возгонка |
Адсорбция |
Жидкость - жидкость |
Диффузия через мембрану Термическая диффузия |
Экстракция |
Жидкость – твердая фаза |
Кристаллизация |
Адсорбция Экстрактивная кристаллизация Аддуктивиая кристаллизация |
Простыми условно названы методы разделения, при использовании которых изменение концентрации разделяемых компонентов в сосуществующих фазах достигается лишь благодаря сообщению системе энергии.
Сложными называются методы разделения с применением дополнительных разделяющих агентов (селективных растворителей, адсорбентов и т. д.), увеличивающих различие составов фаз.
К физико-химическим методам относят также разнообразные виды хроматографии, различающиеся агрегатным состоянием подвижной и неподвижной фаз.
Сочетание эффективных приемов разделения с современными инструментальными методами анализа позволило создать информативные экспресс-методики определения качественного и количественного состава нефтей и нефтепродуктов.
Для разделения и анализа нефтяных углеводородов различных широких фракций нефти используют следующие методы: перегонку при пониженном давлении; ректификацию; азеотропную и экстрактивную перегонку (ректификацию); кристаллизацию; экстракцию; термическую диффузию; адсорбцию; хроматографию.
2.2. Перегонка при пониженном давлении
Пониженное давление применяется для перегонки нефти в двух случаях: для перегонки высококипящих фракций нефти, чтобы избежать возможного разложения углеводородов, и для разделения смесей углеводородов, имеющих близкие температуры кипения при атмосферном давлении и существенно различающихся при пониженном давлении. Например, смеси нафтенов и слаборазветвленных алканов могут быть разделены перегонкой при пониженном давлении, так как они имеют различные коэффициенты изменения упругости пара в зависимости от температуры (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Изменение упругости пара в зависимости от температуры: 1 – нафтен; 2 – алкан
При пониженном давлении температуры кипения этих углеводородов могут различаться настолько, что возможно их разделение перегонкой. Для разделения высококипящих углеводородов нефти (температура кипения выше 350…400 °С) следует применять перегонку при глубоком вакууме с остаточным давлением 0,1 – 0,001 мм рт. ст. или молекулярную перегонку (остаточное давление 0,001 мм рт. ст.).
Молекулярная перегонка используется для выделения высококипящих масляных фракций. Процесс протекает в глубоком вакууме (остаточное давление < 0,1 Па) при небольшом расстоянии между поверхностями испарения и конденсации (10 – 30 мм). В этих условиях испарившиеся молекулы не сталкиваются между собой и достигают конденсатора с минимальными затратами энергии. Современные роторные пленочные аппараты позволяют отгонять фракции с температурой кипения до 650 °С практически без разложения.
Прибор для молекулярной перегонки состоит из специальной перегонной колбы, у которой поверхность, охлаждающая пары углеводородов, находится от поверхности перегоняемой жидкости на расстоянии меньше длины свободного пробега молекул, и системы, создающей вакуум, который состоит из диффузионного и вакуумного насосов. В процессе молекулярной перегонки происходят процессы испарения и конденсации: молекулы отрываются от поверхности и, достигнув охлаждающей поверхности, оседают на ней, образуя конденсат. Однако даже перегонка в глубоком вакууме не может обеспечить удаления компонентов нефти без их частичного разложения, особенно в тех случаях, когда вакуумной перегонке подвергаются тяжелые фракции или нефтяные остатки (гудрон).
Наиболее эффективным для разделения высококипящих компонентов нефти является метод, основанный на ступенчатой экстракции компонентов тяжелого нефтяного сырья с помощью растворителя (например, н-пентана), находящегося в сверхкритических условиях. При взаимодействии такого растворителя, например, с гудроном последний частично растворяется в растворителе. Если отделить раствор и снизить давление, то из раствора выпадает растворившаяся часть гудрона (это явление называется ретроградной, т. е. обратной, конденсацией). Если повышать давление в системе ступенчато, тем самым повышая растворяющую способность растворителя, удается постепенно извлекать новые порции компонентов гудрона со все возрастающей молекулярной массой. Такой метод разделения позволяет выделить из гудрона до 90 % углеводородов и получить остаток с температурой кипения выше 1 000 °С. Обычной же перегонкой из нефти удается извлечь без разложения только фракции с температурой кипения < 350 °С, что составляет 40 – 50 % тяжелой нефти.