94

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.