Влияние концентрации воды в составе растворителя на экстракцию ароматических углеводородов из нефтепродуктов

В современной нефтеперерабатывающей промышленности основным направлением является увеличение глубины переработки сырой нефти с целью получения высококачественных легких продуктов, таких как дизельное топливо и бензин.

Основными требованиями, предъявляемыми к качеству моторных топлив, является снижением содержания серы и ароматических углеводородов. Повышенное содержание ароматических углеводородов в составе топлива приводит к увеличению эмиссии твердых частиц, что представляет серьезную опасность для здоровья живых организмов. Наличие серы в составе нефти способствует коррозии машин и оборудования, осложняет процесс переработки нефти, снижает качество конечной продукции и способствует загрязнению атмосферы [1, с. 30-39].

Для обеспечения требований по содержанию ароматических и сернистых соединений в составе топлива перед нефтеперерабатывающей промышленностью возникает необходимость в модернизации существующих технологических процессов и разработке новых методов производства. Эти меры направлены на производство топлива, которое соответствует качественным стандартам, установленным европейскими регуляторами.

Ароматические углеводороды присутствуют в различных нефтяных фракциях, получаемых в качестве потоков нефтепереработки, такие как нафта, бензин, керосин, дизель и газойль. Ароматические углеводороды могут быть удалены для производства других соединений или для очистки фракций. Простая перегонка неэффективна из-за близких температур кипения и возможности образования азеотропов. В промышленности для выделения ароматических углеводородов из смесей с неароматическими наиболее часто используется метод экстракции с помощью специальных растворителей [2, с. 79-86]. Растворители для выделения ароматических углеводородов из смесей с парафинами и нафтенами должны образовывать две фазы с разделяемой смесью, обладать высокой селективностью, большой емкостью по отношению к ароматическим углеводородам и малой растворимостью по отношению к неароматическим углеводородам. Растворители, такие как фенол, сульфолан, N-метилпирролидон или этиленгликоли, могут извлекать ароматические углеводороды из бензина, оставляя более легкие углеводороды.

Экстракция ароматических углеводородов из бензиновой и дизельной фракций обладает рядом преимуществ. Во-первых, этот процесс способствует получению продуктов высокого качества с высокой концентрацией ароматических соединений. Такой подход способствует сокращению издержек производства и улучшает характеристики конечной продукции. Во-вторых, экстракция способствует повышению качества топлива путем удаления ароматических углеводородов, которые могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду и здоровье живых организмов.

В процессе экстракции эффективность растворителя в значительной степени зависит от его селективности по отношению к углеводородам. Выбор оптимального растворителя и условий процесса экстракции является сложной задачей, которая требует проведения экспериментов и последующей оптимизации. В процессе деароматизации применяют как чистые растворители, так и их смеси. Так при смешении растворителя с высокой емкостью, но недостаточной селективностью, с другим растворителем, обладающим лучшей селективностью, но менее высокой емкостью, можно получить смесь с оптимальными характеристиками. В монографии [3] предоставлен обширный анализ селективности растворителей по отношению к ароматическим и ненасыщенным углеводородам, а также к гетерогенным соединениям, что позволяет оценить их способность к растворению. В работе [4, с. 15-18] проводится исследование селективности растворителей по отношению к ароматическим углеводородам с различным числом циклов, используя результаты экстракционного разделения без учета предельных коэффициентов активности, полученных методом газожидкостной хроматографии.

Добавление воды в растворитель экстракции является одним из методов модификации процесса и может оказать значительное влияние на его эффективность. Водный компонент способствует изменению физико-химических свойств растворителя, таких как его диэлектрическая константа и вязкость, что может улучшить процесс разделения компонентов смеси. Кроме того, вода может использоваться для контроля температуры и улучшения реакций химического равновесия. Добавление воды может также способствовать разделению компонентов на разные фазы, что облегчает последующие разделение и очистку экстракта. Однако важно учитывать, что оптимальные условия добавления воды зависят от конкретной системы экстракции и требуют тщательного анализа для достижения желаемых результатов.

Процентное содержание воды в растворителе для экстракции бензиновой фракции может варьироваться в зависимости от конкретных условий процесса и требований качества продукта. Применяются различные концентрации воды, в зависимости от целей экстракции, типа используемых растворителей и характеристик исходного сырья.

В некоторых случаях небольшое количество воды может быть достаточным для улучшения процесса разделения ароматических углеводородов от других компонентов бензиновой фракции. Однако при использовании больших концентраций воды могут возникнуть проблемы с разделением фаз или уменьшением растворимости целевых соединений.

Выбор оптимального процентного содержания воды в растворителе может зависеть от нескольких факторов:

1. Растворимость компонентов: Вода может помочь улучшить растворимость ароматических углеводородов в растворителе, но слишком высокое содержание воды может привести к образованию эмульсий или другим проблемам.
2. Селективность: Некоторые компоненты могут растворяться лучше в воде, чем другие. Регулирование содержания воды может помочь в селективном извлечении целевых компонентов.
3. Экономические и технические соображения: Использование воды может повлиять на стоимость и технологические аспекты процесса. Например, высокое содержание воды может потребовать более интенсивных процессов разделения и очистки.
4. Безопасность и окружающая среда: Учитывая, что вода является относительно безопасным растворителем, использование ее в качестве части растворителя может быть более безопасным с точки зрения экологии и здоровья работников.

Точное определение оптимального процентного содержания воды требует проведения экспериментальных исследований и оптимизации процесса в соответствии с конкретными условиями производства и требованиями качества продукта.

В исследовании [5, с. 37-41] были рассмотрены N-метилпирролидон, триэтиленгликоль и их смесь в качестве растворителя для извлечения ароматических углеводородов из риформата. Изучалось воздействие температуры, массового отношения растворителя к сырью, продолжительности экстракции и концентрации воды в растворителе на степень извлечения ароматических углеводородов. В процессе одноступенчатой экстракции при температуре 40 °С, массовом соотношении растворителя к сырью 1:1 и продолжительности 45 мин использовались смеси растворителей с содержанием воды от 5 до 20% масс. При использовании N-метилпирролидона и триэтиленгликоля, а также смешанного растворителя оптимальные результаты достигались при содержании воды от 5 до 15% масс. Дальнейшее увеличение концентрации воды приводило к снижению экстракционной способности растворителя, при этом степень извлечения ароматических углеводородов уменьшается на более чем 5% масс.

В работе [6, с. 44-46] были изучены композиции экстрагентов ЭГ-ДМСО-СУФ с целью снижения плотности этиленгликоля и диметилсульфоксида, а также снижения затрат на процесс экстракции за счет частичного добавления воды в их смесь. Количество воды в составе растворителя варьировалось от 3 до 5% массы, а также менялось соотношение ЭГ и ДМСО. Результаты исследований показали, что все составы экстрагентов, использованные в опытной работе, показали положительный эффект при извлечении ароматических углеводородов, однако среди них смесь ЭГ-ДМСО-вода (в соотношении 25:70:5) проявила наивысшую эффективность.

Уменьшение количества воды до 3% привело к снижению эффективности извлечения ароматических углеводородов. Это объясняется увеличением плотности экстрагента и снижением дисперсности растворителя в углеводородной смеси. Таким образом, относительное уменьшение количества воды приводит к уменьшению контакта между экстрагентом и сырьем, что в свою очередь снижает глубину процесса экстракции.

Кроме того, ранее было проведено исследование экстракционной очистки газойлей каталитического крекинга, которые характеризуются повышенным содержанием полиароматических углеводородов. Для создания гетерогенной системы в качестве экстрагентов были применены два растворителя: диметилформамид (ДМФА) с 5% масс воды и N-метилпирролидон (N-МП) с 10% масс воды [7, с. 24-28]. Однако высокое содержание воды в этих растворителях может привести к нежелательным реакциям гидролиза ДМФА с образованием муравьиной кислоты и гидролиза продукта окисления N-МП – N-метилсукцинимида с образованием янтарной кислоты, что может вызвать коррозию оборудования.

В связи с этим, для устранения возможности гидролиза экстрагентов был предложен способ использования вместо водного раствора N-МП смесь N-МП – этиленгликоль [8, с. 48-52]. При использовании экстрагента с содержанием этиленгликоля 20% масс и заданной температуре в 40 °С, система становится гетерогенной.

Однако, хотя одноступенчатая экстракция обеспечивает высокую степень извлечения гетерогенных компонентов и полиароматических углеводородов, что повышает цетановый индекс судового топлива, низкий выход рафината объясняется высоким содержанием ароматических углеводородов в газойлях каталитического крекинга. Наилучшие результаты были достигнуты с использованием смеси N-МП – этиленгликоль в соотношении 70:30.

Высокая селективность этиленгликоля по молекулярным массам снижает извлечение высококипящих компонентов, наличие которых нежелательно в моторных топливах. Совместная очистка газойлей крекинга и других газойлей с меньшим содержанием аренов позволит использовать N-МП с меньшим содержанием этиленгликоля, повышая выход и эффективность.

Таким образом, вода в составе растворителя экстракции ароматических углеводородов из нефтепродуктов играет большое значение. Наилучшие показатели процесса достигнуты с экстрагентом, в составе которого присутствует от 5 до 15% масс. Также рассматривался метод применения смеси N-метилпирролидона с этиленгликолем вместо воды, который позволяет избежать реакций гидролиза, но снижает вероятность полного извлечения высококипящих компонентов. Применение воды является экономически более выгодным, а также улучшает эффективность растворителя при правильно подобранной концентрации воды и других компонентов смеси.

1. Сеидова, С.А. Экстракционные методы очистки моторного топлива / С.А. Сеидова // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2019. Т. 62, № 10. – С. 30-39.
2. Гурбанова, Ф.С. Деароматизация дизельных фракций нефти / Ф.С. Гурбанова, Л.М. Магеррамова, Э.И. Сулейманова // Вестник Башкирского государственного педагогического университета им. М. Акмуллы. – 2023. – № 1(69). – С. 79-86.
3. Гайле, А.А. Селективные растворители. Разделение и очистка углеводородосодержащего сырья. / А.А. Гайле, Б.Г. Сомов, Г.Д. Залищевский – СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2010. – 155 с.
4. Селективность растворителей по отношению к аренам с различным числом ароматических циклов / Б. Бенобиди, А.А. Гайле, Н.В. Кузичкин [и др.] // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт. – 2015. – № 12. – С. 15-18.
5. Капизова, Н.Б. Исследование факторов, влияющих на степень извлечения ароматических углеводородов из риформата в процессе жидкостной экстракции / Н.Б. Капизова, О.Н. Каратун // Башкирский химический журнал. – 2013. – Т. 20. – № 2. – C. 37-41.
6. Муртазаев, Ф.И. Исследование альтернативной композиции для извлечения ароматических углеводородов из автомобильного бензина с использованием композиции экстрагента / Ф.И. Муртазаев // Universum: технические науки. – 2023. – № 7-3(112). – С. 44-46.
7. Экстракционная очистка лёгкого газойля каталитического крекинга N,N-диметилформамидом и N-метилпирролидоном / А.В. Камешков, А.А. Гайле, В.С. Карнаух, Д.А. Волков // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт. – 2023. – № 4. – С. 24-28.
8. Экстракционная очистка легкого газойля каталитического крекинга от гетероатомных компонентов и полиароматических углеводородов смесями N-метилпирролидон - этиленгликоль / А.В. Камешков, А.А. Гайле, В.С. Карнаух, А.Э. Петрова // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). – 2023. – № 67(93). – С. 48-52.