Адсорбционная очистка

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Лекция 3

Нефть – это углеводородное топливо, состоящее в основном из углерода (83 – 87 %), водорода (12 – 14 %) и малого количества серы, кислорода, азота

(1 – 3 %) [7, 8, 9, 28].

Нефть– горючая маслянистая жидкость темного, иногда буро-зеленого цвета, плотностью ρ = 850 – 900 кг/м3, теплотой сгорания 42 – 44 МДж/кг (М

– мега (миллион) 106).

Нефть содержит парафины от 4 до 8 %. При содержании в нефти более 6 % парафина появляются сложности с её добычей и транспортировкой. При перекачке парафин отлагается на внутренних стенках трубопровода. Высокопарафиновые нефти перед закачкой в трубу нагревают до 70 – 80 °С.

Молекулярная масса нефти 190 – 220 кг/кмоль. Температура самовоспламенения 380 – 530 °С. Температура кипения от 60 до 80 °С. Температура застывания достигает величины от минус 8 до плюс 10 °С.

Кинематическая вязкость, мм2/с (сСт), при 20 °С 7 – 20, при 50 °С равняется 3 – 9. Давление насыщенных паров нефти должно быть не более

66650 Па.

По содержанию серы нефти подразделяются на 3 класса:

малосернистые – до 0,6 % серы;

сернистые от 0,61 до 1,8 % сернистые;

высокосернистые более 1,8 % серы.

Сера в нефти находится в виде сероводорода, меркаптанов и сульфатов. Технология получения топлив из нефти с высоким содержанием серы сложная

итребует больших затрат.

Внефти до 99 % содержатся углеводороды разнообразного строения:

парафиновые, циклопарафиновые (нафтеновые), ароматические. Низшие газообразные парафины сопутствуют нефти (попутный нефтяной газ), частично растворены в ней. В жидких углеводородах растворены также высшие твёрдые углеводороды.

Нефти, содержащие большое количество парафиновых углеводородов, называют парафиновыми. Нефти, богатые циклопарафинами, называют нафтеновыми. Есть нефть, богатая ароматическими углеводородами, называют ароматической.

Нефтепродукты – смеси газообразных, жидких и твердых углеводородов различных классов, полученные из нефти и нефтяных газов. К основным группам нефтепродуктов относят: топлива (газы, бензины, лигроины, керосины, соляры, мазуты), масла, консистентные смазки, твердые углеводороды (парафины, церезины), битумы.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Испаряемость характеризуется скоростью перехода топлива из жидкой фазы в газообразную. Нефть не имеет постоянной температуры кипения, так как в ее состав входят различные вещества.

Температурные диапазоны выкипания нефтепродуктов.

Бензин 35 – 190 °С, лигроин 110 – 230 °С, керосин 140 – 300 °С, газойль 236 – 330 °С, соляр 286 – 380 °С, масла 320 – 500 °С. При смешении фракций получают топлива для различных видов техники.

Соляр – для тепловозов и судовых двигателей.

Испаряемость бензина – это одно из главных его качеств. Жидкое топливо горит только тогда, когда оно преобразовано в газообразное состояние. Для оценки испаряемости выполняют фракционную (фракция – часть) разгонку и определяют температуру, при которой испаряются 10, 50 и 90 % топлива по объему (t10 %, t50 %, t90 %.).

Бензин, испаряемость которого соответствует первому классу, рекомендуется для южных районов России. Второму и третьему классу – для центральных районов, четвертому – для северных, пятому – для крайнего севера и Арктики.

По величине температуры, при которой испаряется 10 % топлива (t10 %), определяют пусковые качества бензина. При пуске двигателя в первую очередь воспламеняются от искры легкие фракции топлива.

По значению температуры, при которой испаряется 50 % топлива (t50 %), определяют качество протекания рабочего процесса двигателя, а также время его прогрева, динамику разгона автомобиля.

По величине температуры t90 % оценивают количество тяжелых углеводородов. В случае их неполного сгорания, они способствуют образованию нагара и разжижению моторного масла.

Углеводороды, входящие в состав нефти, относят к парафиновым, нафтеновым и ароматическим.

Процесс расщепления молекул тяжёлых углеводородов называют крекингом. Крекинг осуществляют путём нагрева обрабатываемого сырья до определённой температуры без доступа воздуха, без катализатора

(термический крекинг) или в присутствии катализатора (каталитический крекинг). Крекинг позволил увеличить выход бензиновых фракций из нефти до 50 – 60 % против 20 – 25 %, получаемых прямой перегонкой.

Термический крекинг происходит при температуре 470 – 540 °С и давлении 2 – 5 МПа.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

К таким процессам относится каталитический крекинг, который протекает при тех же температурах, что и термический крекинг, но при давлении, близком к атмосферному, и в присутствии катализатора.

Каталитический крекинг осуществляют по различным схемам: с неподвижным слоем катализатора, подвижным сферическим катализатором и с пылевидным, или микросферическим, катализатором.

Примеси нефти. Среди примесей наибольшее влияние на качество топливосмазочных материалов оказывают сернистые и кислородные соединения. Эти соединения оказывают многостороннее влияние на эксплуатационные характеристики двигателей и механизмов и, прежде всего, на их коррозионный износ. Для удаления примесей полуфабрикаты топлив и масел подвергают очистке.

Очистка серной кислотой. Применяется для удаления непредельных углеводородов, асфальтосмолистых веществ, азотистых и сернистых соединений, нафтеновых кислот.

Щелочная очистка (очистка натриевой щелочью). Применяется для удаления из нефтяных дистиллятов кислородных соединений (нефтяных кислот, фенолов), сернистых соединений (сероводорода, меркаптанов, серы) и для нейтрализации серной кислоты и продуктов её взаимодействия с углеводородами (сульфокислот, эфиров серной кислоты), остающихся в нефтепродукте после его сернокислотной очистки.

Селективная очистка (очистка при помощи растворителей) основана на различной растворяющей способности некоторых веществ в отношении углеводородов различного строения и неуглеводородных примесей. Применяется для очистки масел. Удаляются асфальтосмолистые соединения, полициклические углеводороды, часть сернистых соединений, непредельные углеводороды.

После селективной очистки (фенолом, фурфуролом, крезолом) получают рафинат (очищенное масло) и экстракт (растворитель с извлеченными из масла веществами). После удаления растворителя экстракт идет в качестве добавки в трансмиссионные масла, а рафинат на приготовление масел.

Депарафинизация. Применяется для удаления углеводородов с высокими температурами застывания, в основном парафинового ряда, так как последние при охлаждении переходят в кристаллическое состояние. Депарафинизации подвергают дизельные топлива и масла.

Гидроочистка. Применяется для удаления сернистых, азотистых и кислородных соединений путём восстановления этих соединений водородом при повышенных температурах и давлении в присутствии катализатора в газообразные продукты (сероводород, аммиак) и воду, которые легко удаляются. Гидроочистке подвергают дизельные топлива и моторные масла для удаления серы.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Адсорбционная очистка (контактная очистка, очистка отбеливающими землями). Некоторые высокопористые вещества (адсорбенты) способны удерживать на поверхности нежелательные примеси, содержащиеся в нефтепродуктах. Эта очистка распространена при производстве масел и дизельных топлив. Данным способом удаляют смолы, нафтеновые кислоты, кислородосодержащие соединения, сульфокислоты, остатки минеральной кислоты и селективного растворителя. В качестве адсорбентов используют природные глины, силикагель, активированную окись алюминия.

Все перечисленные выше способы очистки применяют для улучшения качества нефтепродуктов, их эксплуатационных свойств.

Бензины применяют в двигателях с внешним смесеобразованием и воспламенением горючей смеси от электрической искры. Горючая смесь приготавливается в карбюраторах

Дизельные топлива применяют в двигателях с воспламенением от сжатия. При сжатии воздуха в 17 – 20 раз его температура достигает 500 – 600 °С и впрыскиваемое топливо под давлением 50 МПа и более прогревается, газифицируется, окисляется кислородом воздуха и самовоспламеняется.

Газовые топлива (сжиженные, сжатые) применяют в бензиновых двигателях и дизелях. В бензиновых двигателях смесь газа с воздухом воспламеняется от искры, у газодизелей – от искры или запальной порции дизельного топлива.

Основными компонентами сжиженных газов является пропан С3Н8 и бутан С4Н10. В состав природного газа в основном входит метан СН4.

Пожарная и взрывная опасность нефтепродуктов

Пожарная опасность топлива определяется его огнеопасностью и взрывоопасностью. Пожарная опасность характеризуется следующими показателями качества: температурой вспышки, температурой воспламенения и самовоспламенения, предельной концентрацией смеси паров топлива с воздухом, в пределах которой смесь взрывоопасна (верхний и нижний пределы).

Температурой вспышки нефтепродукта называется минимальная температура, при нагревании до которой над поверхностью образуются смесь его паров и воздуха, способная вспыхивать при поднесении открытого пламени (например, огня спички). Она зависит от фракционного состава топлива. Эта температура тем ниже, чем больше в топливе низкокипящих углеводородов и выше давление насыщенных паров. В таблице 5.2 представлены температуры вспышек различных топливосмазывающих

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

материалов. Следует отметить, что любой вид жидкого топлива способен гореть, если он превращен из жидкой фазы в газообразную (путем нагрева) и перемешан с воздухом (кислородом).

Бензин – наиболее опасное жидкое топливо в плане пожарной опасности. Его пары могут вспыхнуть от пламени даже при температуре минус 40 оС. По этой причине температура вспышки бензина не регламентируется ГОСТом.

Температура воспламенения (горения) – это минимальная температура топлива, при которой горючая смесь топлива с воздухом вспыхивает от постороннего источника пламени и продолжает гореть вследствие испарения топлива. Температура воспламенения больше температуры вспышки на 5 – 10

°С.

Температура самовоспламенения – это температура, при которой пары нагретого топлива, смешанные с воздухом, воспламеняются самостоятельно без постороннего источника пламени. Примерно можно считать, что температура самовоспламенения для дизельных топлив, бензинов и газов, соответственно, 250 – 300; 400 – 500; 600 – 700 °С.

Температура вспышки и воспламенения характеризует пожарную опасность топлива, а температура самовоспламенения – способность топлива самостоятельно воспламеняться в цилиндре дизеля и использоваться в качестве топлива.

В стандартах температуру вспышки нормируют для ограничения в нефтепродуктах количества фракций с более высоким давлением насыщенных паров. Этот показатель служит в основном для оценки пожарной опасности и потерь на испарение, что весьма важно для правильной организации применения и хранения нефтепродуктов.

Верхний и нижний пределы воспламенения газов, паров топлива в воздухе – значения граничных концентраций в области воспламенения. Значения этих пределов используют при расчёте предельно допустимой взрывоопасной концентрации паров топлива и газов в воздухе при работе с применением огня или искрообразующего инструмента.

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

В таблице 5.3 приведены показатели пожарной и взрывной опасности бензина, дизельного топлива и моторного масла и сжиженного газового топлива.

Таблица 5.3

Показатели пожарной и взрывной опасности нефтепродуктов

В таблице 5.4 приведены физико-химические свойства газообразных топлив, влияющих на взрывную и пожарную опасность (параметры бензина Аи-80 даны для сравнения).

Таблица 5.4

Параметры газообразных топлив

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

По относительной плотности газовой фазы по воздуху можно судить о местах скопления газов при их утечках и взрывоопасности. Из анализа таблицы 5.4 следует, что при утечке метана он будет уходить вверх, так как легче воздуха, а этан, пропан и бутан будут скапливаться внизу.

Критическая температура представляет собой температуру, при которой плотности жидкости и ее насыщенных паров становятся равными и граница раздела между ними исчезает.

Давление насыщенных паров при критической температуре называется

критическим давлением.

При температуре выше критической вещество может находиться только в газообразном состоянии независимо от внешнего давления.

Так, при критической температуре пропана (+97 °С) и бутана (+153 °С) они при небольшом давлении переводятся в жидкое состояние. К примеру, при плюс 20 °С пропан становится жидким при избыточном давлении 0,7 МПа, а бутан – при 0,1 МПа. Поэтому газовая смесь из пропана-бутана хранится в жидком состоянии при давлении до 1,6 МПа при диапазоне температур от плюс 40 до минус 40 °С.

По температуре самовоспламенения судят о возможности воспламенения смеси топлива с воздухом в камере сгорания двигателя. При температуре самовоспламенения топлива более 500 °С его целесообразно применять в двигателях с воспламенением горючей смеси от электрической искры. В газодизельном варианте смесь газа с воздухом можно воспламенить запальной порцией дизельного топлива (15 – 20 мм3 за цикл).

Пределы воспламенения газов характеризуют граничные значения содержания газа (в процентах по объему) в воздухе, при которых еще возможно воспламенение горючей смеси. На воспламеняемость газовой смеси оказывают влияние температура, давление и турбулентность. Обедненные и обогащенные газовые смеси не воспламеняются.

Нижний предел воспламенения сжатого природного газа в смеси с воздухом составляет 5 % от объема. У пропана он составляет 2,1 %, у бутана

– 1,9 %. Таким образом, сжатый природный газ менее взрывоопасен. Для того,

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

чтобы он спровоцировал взрыв, его должно накопиться в 2,5 раза больше, чем сжиженного нефтяного газа.

Температурный предел воспламенения – температура вещества, при которой его насыщенные пары, смешанные с воздухом, образуют концентрацию, соответствующую пределам воспламенения.

Взрываемость нефти и нефтепродуктов характеризуется величинами нижнего и верхнего пределов взрываемости.

Нижний предел взрываемости – минимальная концентрация газа и паров топлива в воздухе, при которой возможен взрыв. Ниже данного предела из-за избытка воздуха и недостатка паров нефтепродукта не происходит вспышка смеси.

Верхний предел взрываемости – концентрация газа и паров топлива в воздухе, выше которой смесь не взрывается, а горит (взрыва не происходит).

Значение концентрации паров нефтепродукта с воздухом между нижним

иверхним пределами взрываемости называют интервалом взрываемости. Для некоторых нефтепродуктов интервалы взрываемости составляют: бензин от 0,76 до 8,4 %, керосин от 1,4 до 7,5 %, уайт-спирит от 1,4 до 6,0 %.

Возникновение в топливовоздушной смеси взрывоопасной концентрации тем вероятнее, чем выше давление насыщенных паров и ниже температура начала кипения. Поэтому взрывоопасность бензина намного выше, чем дизельного топлива. Можно считать правилом, что горение в ёмкостях бензина или керосина обязательно сопровождается взрывом.

Если три одинаковых герметичных емкости с равной толщиной стенок частично наполнить дизельным топливом, бензином, газом метаном и бросить в горящий костер, то вначале самовоспламенится (взорвется) дизельное топливо, затем бензин и газ. Это объясняется тем, что самую низкую температуру самовоспламенения (300 °С) имеет дизельное топливо, затем бензин (450 °С) и далее газ (650 °С). Но при поднесении открытого пламени вначале воспламеняется смесь газа с воздухом, затем пары бензина с воздухом

идалее пары дизельного топлива с воздухом.

Для защиты от разрядов статического электричества применяют заземление токопроводящих элементов оборудования (4 – 6 Ом) и ограничивают скорость слива или налива. Скорость в начале налива в емкость не должна превышать 1 м/c, а в процессе наполнения – 5 м/c.

Нефть и нефтепродукты к потребителям транспортируются по нефтяным и газовым трубопроводам, по воде и суше. По суше нефтепродукты перевозят железнодорожным и автомобильным транспортом. Так как нефтепродукты взрывоопасны и пожароопасны, то их транспортировка производится согласно специальным Правилам.