ПЕРЕГОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ СМЕСЕЙ

Изобретение относится к области инструментальных методов анализа свойств материалов и может быть использовано в различных областях науки и техники, в частности, в нефтехимии для определения компонентного состава углеводородных смесей (нефти и нефтепродуктов).
Принцип действия устройства заключается в нагревании исследуемого образца по заданной программе, испарении образца или выделении из него летучих компонентов, конденсации паров на стенках конденсатора и сборе дистиллята в градуированный приемник и измерении объема (массы) дистиллята, образующегося при разных температурах отгоняемого образца.
На основании полученных в ходе эксперимента данных по температурам отгона и массе (объему) дистиллятных фракций рассчитывают дистилляционную кривую образца, по которой определяют компонентный (фракционный) состав смеси.
Известны приборы для перегонки, состоящие из колбы (куба) с разгоняемым продуктом, нагревателя колбы, дефлегматора, холодильника-конденсатора паров, сборника дистиллята [А.К.Мановян, Технология первичной переработки нефти и природного газа, Москва, «Химия», 2001, с.49-60].
Известны устройства аналогичного принципа действия и назначения, например, аппарат для разгонки нефтепродуктов для определения фракционного состава нефти и нефтепродуктов АРНП-1, автоматический аппарат для разгонки нефтепродуктов при атмосферном давлении AD 86 5 G фирмы Петротест и ряд других. В процессе анализа проба продукта перегоняется в соответствии с определенньми в том или ином стандарте
условиями. Производится запись температуры паров отогнанного дистиллята, барометрического давления, температуры отгона последней капли пробы. На основании результатов такого анализа можно охарактеризовать продукт по его дистилляционным свойствам [Каталог приборов фирмы Лаверна «Лабораторное оборудование для контроля нефти, газа и нефтепродуктов, 2001, с.8-10].
В перечисленных приборах велико расстояние от поверхности испарения до поверхности конденсации (велико диффузионное сопротивление процесса) и мал диаметр отверстия, через которое пары поступают в холодильник. Это приводит к замедлению процесса перегонки и необходимости значительного перегрева жидкости для его ускорения. Температура жидкости в кубе может превышать температуру паров на входе в конденсатор на 100-250 С, поэтому не исключена термическая деструкция даже устойчивых к нагреву веществ, особенно в конце процесса, когда перегрев жидкости максимален. Кроме того, по этой же причине не удается отогнать последние высококипящие фракции, требующие особенно высокого перегрева.
Известен лабораторный аппарат для перегонки жидкостей с температурой разложения или химического превращения ниже точки ее кипения [А.с. №226238, МПК G 01 N, B 01 D 3/00, Бюл. №28, 05.9.1968]. В этом аппарате предложены конструкционные изменения, имеющие целью ускорение процесса перегонки за счет увеличения поверхности испарения и поверхности конденсации и сближения их между собой. При этом испаритель выполнен в виде воронки, снабженной концентрическими канавками, а холодильник - в виде полого конуса, установленного в воронку испарителя. Верхняя концентрическая канавка имеет патрубок для ввода жидкости, а испаритель имеет в нижней конической части патрубок для отвода дистиллята. Расстояние между конусными поверхностями испарителя и конденсатора можно изменять (регулировать) для достижения оптимального режима перегонки.
Несмотря на то, что в данном устройстве устранен перегрев жидкости и повышена скорость и производительность процесса, оно не может использоваться для анализа фракционного состава смесей из-за того, что процесс отгонки ведется в режиме непрерывной подачи продукта и отвода дистиллята и остатка, т.е. по существу в режиме однократного испарения, а не последовательного. Кроме того, аппарат включает сложные в изготовлении и эксплуатации элементы - полый конусный охладитель (конденсатор паров) и конусный же испаритель с концентрическими канавками с необходимостью их юстировки относительно друг друга. Затруднены операции по загрузке и очистке аппарата.
Поставленная задача решается тем, конденсатор паров выполнен в виде шарообразной колбы, переходящей в нижней части в заостренный книзу конус, приемник конденсата соединен с нижней конусной частью колбы, в верхней части колба имеет отверстие для ввода держателя образца плоской формы и нагревателя держателя также плоской формы, при этом последние размещены внутри шаровидной части конденсатора равноудаленно от его боковых стенок.
Предлагаемое устройство изображено на рисунке 1.
Устройство включает заостренную книзу шаровидную колбу 1, имеющую в нижней части разъем 2 для подсоединения градуированной пробирки 3 для приема конденсата. Колба плотно закрывается пробкой 4, через которую проходят трубки измерительной 5 и регулирующей 6 термопар и трубка 7 для токовых выводов нагревателя 8, а также стойки для его крепления (не показаны). На нагревателе размещена чашка 9 с исследуемым образцом. В пробке 4 имеется отверстие для ввода в колбу различных датчиков, закрываемое пробкой 10 меньшего диаметра.
Токовые выводы нагревателя 8 соединены с выходом 11 регулятора нагрева, а к его входу 12 подключена регулирующая термопара 6. Измерительная термопара 5 подана на вход регистратора температур 13.
Нагреватель 8 размещен по оси колбы на равном удалении от боковых стенок и несколько смещен вниз от центра колбы - более удален от пробки чем от дна колбы во избежание излишнего разогрева верхней части колбы и пробки.
Устройство работает следующим образом.
Помещают на нагреватель чашку с образцом известной массы и вставляют пробку 4 с рабочей конструкцией в колбу-конденсатор 1. Включают регулятор нагрева и задают верхний предел и темп повышения температуры образца (отгона). В ходе опыта отмечают высоту столбика Н(Т) дистиллята в приемнике как функцию температуры отгона. По завершении опыта прибор разбирают, взвешивают конденсат в приемнике и остаток в чашке. По полученным данным строят дистилляционную кривую и рассчитывают компонентный состав образца.
В предлагаемом устройстве устранен главный недостаток прототипа - перегрев отгоняемой смеси и невозможность сбора высококипящих фракций без их термической деструкции (крекинга). Устранен и недостаток аналога - невозможность проведения компонентного анализа. В то же время сохранены преимущества того и другого.
В прототипе измеряется температура паров на входе в холодильник и иногда температура куба. По разности этих температур можно судить о перегреве жидкости во время отгона. К концу отгона этот перегрев может составлять 100-250 С, в зависимости от
природы образца. Ясно, что при таком перегреве неизбежны процессы деструкции образца при отгоне последних высококипящих фракций.
В предлагаемом устройстве температуры жидкой и паровой фазы практически равны из-за малой величины перегрева. Последний неизбежен, поскольку он является движущей силой процесса дистилляции. Однако его величина намного меньше, чем в прототипе. На это указывает отсутствие кипения образца во время дистилляции -испарение происходит в основном с поверхности без образования пузырьков газа в объеме.
Шаровидная форма колбы обеспечивает максимальную и равномерную удаленность нагревателя от стенок при указанной выше геометрии размещения нагревателя и тем исключает их локальный перегрев нагревателем, а конусная форма ее нижней части обеспечивает быстрый сток жидкого конденсата в приемник.
Важным параметром является также температура стенок колбы, на которых конденсируются пары. По мере повышения температуры отгона, повышается и температура конденсации высококипящих компонентов, и при низкой температуре стенок возможно образование твердых продуктов на стенках. Эти продукты можно собрать и проанализировать отдельно от жидкого дистиллята в приемнике.
Из приведенного описания видно, что в предлагаемом устройстве дистилляция продукта проводится в мягких и поддающихся регулированию (оптимизации) условиях. Вместо неконтролируемого и избыточного разогрева образца пламенем горелки (прототип) введен постепенный и равномерный разогрев, при котором каждый компонент улетучивается по мере достижения характерной для этого компонента температуры испарения, что способствует сбору узких фракций. В прототипе же из-за сильного разогрева и кипения жидкости в паровой фазе присутствует смесь множества компонентов, что понижает степень разделения продукта на фракции.
В предлагаемом устройстве отсутствуют сложные в изготовлении и эксплуатации элементы, существенно облегчены и ускорены операции с образцом.
Пример работы устройства.
Исследовалась нефть Кумкольского месторождения (Казахстан). Образец массой 1,7660 г заливали в чашку, ставили на нагреватель, опускали в колбу и нагревали со скоростью 3 С/мин до 300 С. По ходу нагрева измеряли приращение высоты столбика Н(Т) конденсата в приемнике как функцию температуры Т отгона. По окончании опыта вынимали чашку с остатком образца, отсоединяли приемник от колбы и взвешиванием находили массу остатка M1 в чашке и массу дистиллята в приемнике М2. Приращения
массы ΔМ2(Т) дистиллята в приемнике при текущей температуре Т разгонки находили по формуле
ΔМ2(Т)=М2*ΔН(Т)/Н,
где Н - конечная высота столбика дистиллята в приемнике, и рассчитывали долю отгона как функцию температуры по формуле
α,%(Т)=ΔМ2(Т)*100/М
где М - исходная навеска образца.
Количество летучих фракций G находили по уравнению материального баланса G=100%-(M1+M2)%
Строили график зависимости доли отгона α+G от температуры (дистилляционную кривую), по которой рассчитывали фракционный состав образца - доли отгона в заданных интервалах температуры.
3
Для сравнения показателей работы предлагаемого перегонного аппарата и аналога (прототипа), ту же нефть в объеме 50 см помещали в колбу Вюрца и проводили перегонку на перегонном аппарате АРНП-2. Измеряли объем дистиллята в приемнике и строили зависимость доли отгона от температуры парой на входе в холодильник и температуры нефти в кубе (кривые 1 и 2, соответственно, рис.2).
Из рис.2 видно, что на предлагаемом устройстве при температуре 300 С образца (куба) доля отогнанного дистиллята составляет 60% (кривая 3), тогда как на АРНП-2 она равна всего 10% (кривая 2). Кривые 1 и 2 показывают, что перегрев образца, т.е. разность температур паров и куба составляет в среднем 100 С, при этом даже при температуре куба 420 С удается отогнать всего 23% продукта, тогда как на предлагаемом устройстве при 300 С отгоняется 60% продукта при кубовом остатке всего 35% (77% в случае АРНП-2).