Очистка нефтепродуктов избирательными растворителями
Рассматриваемый метод очистки заключается в извлечении (экстрагировании) из нефтепродуктов вредных веществ особо подобранными растворителями, например фурфуролом, фенолом, нитробензолом и др.
Идеальный процесс экстрагирования мы имели бы в том случае, если бы растворитель, извлекающий из раствора растворённое вещество, не растворялся в основной жидкости. Практически абсолютно нерастворимых жидкостей не существует. Экстрагирование растворителем, который частично сам растворяется в основной жидкости, носит название идеального процесса экстрагирования. В этом случае в результате экстрагирования получаются, во-первых, слой применённого нами растворителя, в котором растворилась значительная часть извлекаемого из исходного раствора вещества и небольшое количество основной жидкости, входившей в состав исходного раствора, и, во-вторых, слой основной жидкости первоначального раствора с небольшими количествами оставшегося в ней растворённого вещества и перешедшего в неё из растворителя, применённого для экстрагирования.
Процесс идеального экстрагирования может быть выражен следующей формулой:
Где С – концентрация растворённого вещества в основной жидкости исходного раствора;
С1 – концентрация растворённого вещества в растворителе, применённом для экстрагирования;
К – константа равновесия для данной температуры, иначе коэффициент распределения.
Из уравнения видно, что процесс экстрагирования заканчивается, когда соотношение концентраций растворённого вещества в растворителе и в основной жидкости достигает определённого значения (при постоянной температуре). После этого, как бы долго и тщательно мы не перемешивали обе жидкости, количество вещества, извлечённым данным количеством растворителя, не увеличится – процесс пришёл в состояние равновесия. Если после наступления равновесия ввести каким-нибудь образом дополнительное количество растворённого вещества в растворитель, то равновесие нарушится; часть растворённого вещества начнёт переходить в основную жидкость, пока соотношение концентраций не примет прежнее значение. И, наоборот, процесс пойдёт в обратном направлении, если ввести дополнительное количество растворённого вещества в основную жидкость (в первоначальный раствор). Для неидеального процесса экстрагирования приведённая выше формула будет не точной, однако общие закономерности процесса остаются такими же.
Способы экстрагирования
Различают три основных способа ведения процесса экстрагирования.
Однократное экстрагирование, когда исходный раствор (в данном случае нефтепродукт) в один прием обрабатывают всем количеством исходного растворителя.
Многократное экстрагирование, когда растворитель используется в несколько порций. Исходный раствор (нефтепродукт) сначала обрабатывают первой порцией растворителя, затем раствор с уменьшенным содержанием растворённого в нём вещества или нескольких веществ обрабатывают второй порцией и дальше последовательно всеми остальными порциями растворителя.
Противоточное экстрагирование, когда имеются два встречных непрерывных потоков – растворителя и исходного раствора (нефтепродукта); между ними происходит непрерывный обмен растворённым веществом. В применяющихся для этой цели аппаратах колонного типа
Растворитель (жидкость более тяжёлая, чем исходный раствор) подаётся в верхнюю часть аппарата 1, а основная жидкость с растворённым в ней веществом – в нижнюю часть аппарата 2. Капли исходного раствора (нефтепродукта) 5, поднимаясь вверх, непрерывно отдают растворённое в нём вещество растворителю. Из верхней части колонны, выше ввода растворителя, отводится основная жидкость 3 с уменьшенным содержанием в ней растворённого вещества. Из самой нижней части колонны, ниже ввода исходной жидкости, отводится растворитель 4, наиболее насыщенный растворённым веществом. По другому варианту противоточное экстрагирование проводится ступенчато в особых смесителях с последующим разделением основной жидкости и растворителя в отстойниках.
Сравнивая различные методы экстрагирования одним и тем же количеством растворителя, находим: наименьшее извлечение растворённых веществ из исходного раствора достигается при однократном экстрагировании, наибольшее – при противоточном.
В заводской практике в настоящее время пользуются только противоточным экстрагированием, чаще всего в колонных аппаратах. В лабораторной работе можно применять однократное и многократное экстрагирование.
Процесс экстрагирования применяют для улучшения качеств нефтепродуктов, главным образом смазочных масел. Подбирают специальные растворители и ими обрабатывают масла.
Растворитель с растворённым в нём веществами, извлечёнными из нефтепродуктов, называется раствором экстракта, извлечённые вещества – экстрактом. Нефтепродукт после удаления из него экстракта называется рафинатом. Рафинат, уходящий из экстракционных аппаратов с растворённым в нём небольшим количеством растворителя, называется раствором рафината. Растворители избирательно извлекают из нефтепродуктов некоторую их часть – смолы, ароматические углеводороды, сернистые соединения и др. почти не затрагивая полезной углеводородистой части нефтепродукта.
Применение избирательных растворителей, как и особо подобранных адсорбентов, является способом коренного изменения химического состава нефтепродуктов. Например при помощи фенола, жидкого SO2 или других растворителей можно из бензиновой фракции со значительным содержанием ароматических углеводородов получить бензин, вовсе не содержащий этих углеводородов. Последние окажутся в экстракте.
Очистка нефтепродуктов избирательными растворителями является чисто физическим процессом. Вследствие этого применённый для экстрагирования растворитель можно легко отделить от экстракта и рафината отгонкой, а извлечённая из нефтепродукта нежелательная часть (экстракт) является вполне используемым нефтепродуктом. В отличии от этого кислый гудрон, образующийся при сернокислой очистке, является трудно используемым малоценным отходом производства.