Учебная практика (бакалавры). Учебное пособие

лекулярной массы и различного строения, которые распределены по всем фракциям нефти. Распределение различных групп углеводородов по фракциям зависит также от типа нефти.

Фракционированием называется процесс разделения сложной смеси компонентов на узкие составляющие за счет различий их физических и физико-химических характеристик. В практике нефтепереработки под фракционированием понимают разделение нефти или нефтепродуктов на фракции, различиющиеся темепературами выкипания.

Фракционный состав характеризует потенциальное содержание различных фракций в составе нефти, прежде всего светлых. Определение фракционного состава является обязательной операцией как при изучении химического состава нефтей, так и при выборе направления ее переработки.

Фракционный состав является одним из важнейших показателей автомобильных бензинов, авиационного керосина, дизельных топлив и растворителей.

Фракционный состав характеризует испаряемость топлива и имеет очень важное эксплутационное значение.

Разгонка проводится на аппарате АРНП-2, внешний вид которого представлен на рис. 5.7.

Правила проведения фракционной перегонки

1.Сухим чистым цилиндром отмеряют 100 см3 предварительно обезвоженной нефти (при перегонке допускается воды в нефти не более 0,1‒ 0,2%) и осторожно переливают ее в колбу 2 так, чтобы жидкость не попала в отводную трубку колбы.

2.В горловину колбы с нефтью вставляют термопару 1 на плотно пригнанной пробке так, чтобы ось термопары совпадала с осью шейки колбы, а конец термопары находился на уровне нижнего края отводной трубки в месте ее припая.

3.Колбу с нефтью ставят на асбестовую прокладку над электрическим нагревательным элементом 3. Отводную трубку колбы соединяют с верхним концом трубки холодильника при помощи плотно пригнанной пробки так, чтобы отводная трубка входила в трубку холодильника на 25 ‒ 40 мм и не касалась стенок последней. Затем ставят верхний кожух на асбестовую прокладку, закрывая колбу.

71

Рис. 5.7 Аппарат для перегонки АРНП-2:

1 – термопара; 2 – колба для перегонки; 3 – электрический нагревательный элемент; 4 – ручка для регулирования положения колбы; 5 – индикатор температуры; 6 – диск для регулирования нагрева; 7 – выключатель; 8 – подставка для установки мерного

цилиндра; 9 – охлаждающая баня; 10 – трубка холодильника.

4.Под конец трубки холодильника 10 ставят чистый сухой

цилиндр так, чтобы трубка холодильника входила в цилиндр не менее чем на 25 мм, но не ниже отметки 100 см3 и не касалась его стенок. На время перегонки отверстие цилиндра закрывают ватой или листом

фильтровальной бумаги. (Для варианта II берут три чистых сухих цилиндра на 50 см3 и предварительно взвешивают их. Цилиндр №1 устанавливают под конец трубки холодильника.)

5.Ванну холодильника 9 наполняют кусками льда или снегом и заливают водой так, чтобы она покрывала трубку холодильника. При

перегонке нефти вначале температура воды в холодильнике должна быть 0 ‒ 5 0С. Перегонку ведут без подачи проточной воды в холодильник.

6.Включают нагрев.

72

Проведение опыта

1.Отмечают температуру, показываемую термометром в момент падения первой капли конденсата с конца трубки холодильника в мерный цилиндр, записывают как температуру начала перегонки (начала кипения).

2.Затем мерный цилиндр устанавливают так, чтобы конденсат

стекал по стенке цилиндра. Далее перегонку ведут с равномерной скоростью: вначале 2 ‒ 5 см3 в 1 мин (2 капли в 1 с), а затем 2 ‒ 2,5 см3

в 1 мин (одна капля в 1 с). Для проверки скорости перегонки по количеству капель цилиндр оставляют на короткий промежуток времени от конца трубки холодильника.

Вариант I

Перегонку нефти ведут до 300 0С. При этом отмечают температуру начала кипения и объёмы дистиллятов при 100, 120, 140, 160 0С и далее через каждые 20 0С до 300 0С.

Обработка результатов

Данные, полученные в ходе перегонки, вносят в таблицу (табл.

5.1).

Таблица 5.1. Результаты фракционной перегонки нефти

Строят график в координатах: х – температура, оС; y – объем дистиллята, мл.

Вариант II

Отмечают температуру начала кипения и отбирают в первый цилиндр фракцию, выкипающую от н.к. до 180 0С. Затем подставляют второй цилиндр, в который отбирают фракцию, выкипающую в пределах температуры 180 ‒ -270 0С. По достижении температуры 270

73

0С подставляют третий цилиндр и отбирают фракцию 270 ‒ 350 0С. При температуре 350 0С нагрев прекращают.

Обработка результатов

Определяют объем каждой фракции, полученной в ходе разгонки. Затем взвешивают цилиндры с фракциями и, если достаточно дистиллята, определяют плотность фракции с помощью ареометра. Объем и массу остатка вычисляют по разности. Полученные данные вносят в табл. 2 и рассчитывают материальный баланс фракционной перегонки нефти:

Таблица 5.2. Материальный баланс фракционной перегонки нефти

5.4.5. Азеотропная и экстрактивная перегонка

Необходимым условием разделения смеси веществ перегонкой является наличие разницы в температурах кипения компонентов. Если эта разница невелика (1 ‒ 4°), то разделение такой смеси затруднительно и занимает много времени. Для разделения компонентов с близкими температурами кипения применяют

азеотропную и экстрактивную перегонку. Данные методы

74

перегонки основаны на добавлении к перегоняемой смеси нового вещества, которое меняет соотношение летучестей компонентов и тем самым облегчает их разделение.

Если к близкокипящей смеси компонентов добавить третий компонент, который по летучести приближается к разделяемой смеси, то он образует азеотропную смесь с одним из компонентов (рис. 5.8 а). Перегонка в присутствии такого вещества называется азеотропной.

Азеотро́пная смесь — смесь двух или более жидкостей, состав которой не меняется при кипении, то есть смесь с равенством составов равновесных жидкой и паровой фаз.

Известно, что смесь «этиловый спирт – вода» при абсолютном давлении 760 мм рт. ст. образует азеотропную смесь, содержащую 88,4 мол. % этилового спирта. При пониженном давлении состав азеотропной смеси изменяется в сторону повышения содержания спирта, а при абсолютном давлении ниже 90 мм рт. ст. азеотропная смесь вовсе не образуется.

Сырье

Нефть или

нефтепродукт

Рис. 5.8. Схема разделения: а ‒ при азеотропной перегонке, б ‒

при экстрактивной перегонке

75

Если летучесть третьего компонента мала, то перегонка в его присутствии называется экстрактивной. Третий компонент остается в жидкой фазе и удерживает одно из разделяемых веществ, которое лучше растворяется в нем рис. 5.8 б). Применяемый при экстрактивной перегонке растворитель менее летуч, чем разделяемые компоненты, и удаляется с остатком.

Основное отличие экстрактивной перегонки от азеотропной в том, что селективный растворитель образует с компонентами смеси межмолекулярные связи, вследствие чего летучесть компонентов уменьшается (при азеотропной ректификации летучесть увеличивается).

5.5Определение смолисто-асфальтеновых веществ

Вприродных нефтях и остатках от перегонки нефти содержится группа органических высокомолекулярных соединений, объединяемых под общим названием смолисто-асфальтеновые

вещества. Смолисто-асфальтеновые вещества (САВ) представляют собой гетероциклические соединения, в состав которых в качестве постоянных элементов входят углерод, водород и кислород; довольно часто в них встречаются также сера, азот и металлы: Fe, Mg, V, Ni и др.

Существует классификация природных ископаемых с углеводородной основой, согласно которой выделяют:

•обычные нефти (содержат менее 25% мас. САВ);

•высоковязкие нефти (содержат от 25 до 35% мас. САВ);

•природные асфальты и природные битумы (содержат до 60-75 % мас. САВ).

Общее содержание АСВ определяет многие параметры нефтей, оказывающие влияние на процессы их добычи, транспорта и переработки. Смолисто-асфальтеновые вещества затрудняют перегонку нефтей и мазутов, так как при этом легче закоксовываются перегонные аппараты. Смолисто-асфальтеновые вещества, содержащиеся в нефтепродуктах, ухудшают цвет и увеличивают нагаро- и коксообразование.

Основными представителями САВ являются смолы (мол. масса 600 ‒ 1500 у.е.) и асфальтены (мол. масса 2000 ‒ 10 000 у.е. и выше).

76

Весь прибор должен быть

тщательно укреплен при помощи лапок штатива, и все съемные пришлифованные части должны плотно входить друг в друга.

Собранный и загруженный аппарат оставляют стоять в течение 4 − 6 часов для того, что - бы прошла адсорбция смолистых веществ продукта силикагелем или другим выбранным адсорбентом. Выждав указанное время, приступают к экстракции.

Пары петролейного эфира или нормального бензина, образующиеся при кипении в колбе 4, поднимаются по боковой

эксикатор 3, а оттуда в холодильник 1. Сконденсированные пары падают в виде капель в патрон с продуктом, смешанным с адсорбентом, и извлекают из него углеводороды.

Смолистые вещества большей частью петролейным эфиром (бензином) не вымываются, так как сила притяжения их к адсорбенту значительно больше, чем растворимость в эфире (бензине). Постепенно уровень жидкости в сосуде 3, следовательно и в соединенной с ним трубке, повышается. Когда он поднимется несколько выше изгиба последней, трубка заполняется жидкостью и начинает действовать как сифон, т.е. вытягивает всю жидкость из сосуда в колбу 4. При непрекращающемся кипении из колбы будут испаряться только эфир (бензин) и наиболее низкокипящие фракции нефти, а тяжелые фракции останутся в ней. Извлечение углеводородов считается законченным, когда эфир будет стекать из трубки совершенно бесцветным. Обычно на это требуется 3 − 4 часа при скорости стекания эфирного (бензинового) конденсата с конца холодильника до 3 − 4 капель в секунду.

После того как из адсорбента извлечены углеводороды, процесс экстракции прекращают, аппарат охлаждают, выливают из колбы эфирный (бензиновый) раствор углеводородов и приступают к

78

экстракции смол. Для этого берут более эффективные растворители, чем эфир. В качестве растворителей можно брать хлороформ, четыреххлористый углерод, спирто-бензольную смесь в соотношении

(1:4).

Количество растворителя для извлечения смолистоасфальтеновых веществ берут равным количеству эфира (бензина), взятого для извлечения углеводородов. Экстракцию проводят до тех пор, пока растворитель не будет стекать из трубки бесцветным.

Отгонку растворителя от раствора смолисто-асфальтеновых веществ ведут методом простой перегонки. После отгонки 90 % растврителя, перегонку прекращают, остужают круглодонную колбу и переливают остаток растворителя со смолисто-асфальтеновыми веществами в предварительно взвешенный на аналитических весах стаканчик. Растворитель отпаривают на водяной бане, а стаканчик со смолисто-асфальтеновыми веществами доводят до постоянного веса в термостате с температурой 110 °С, для чего обычно достаточно одного выдерживания в течение 25 мин.

Процентное содержание смолисто-асфальтеновых веществ (САВ) вычисляется по формуле:

где а — вес извлеченных смолисто-асфальтовых веществ, г; А — навеска продукта, г.

79

6. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ УЧЕБНОЙ ПРАКТИКИ

По окончании практики, после выполнения всех видов работ, в срок до 25 сентября, студент сдает зачет (защищает отчет) с дифференцированной оценкой руководителю практики от университета.

При оценке учитывается содержание и правильность оформления отчета по практике, а также ответы на вопросы в ходе защиты отчета.

Оценка по практике (зачет) приравнивается к оценке (зачету) по теоретическим курсам обучения и учитывается при рассмотрении вопроса о назначении стипендии (допуске к экзаменационной сессии).

Итоги практики обсуждаются на заседании кафедры. Общие итоги практики подводятся на совете факультета, по результатам которого организуется семинар или научно-практическая студенческая конференция.

Студенты, не выполнившие программу практики по уважительной причине, направляются на учебную практику для повторного прохождения. Студенты, не выполнившие программу учебной практики без уважительной причины, получившие неудовлетворительную оценку при защите отчета, могут быть отчислены из университета как имеющие академическую задолженность в порядке, предусмотренном Уставом ФГБОУ ВО «КНИТУ».

80