Перейдем к заключительной теме массообменных процессов в нефтехимии. Начнем с определения процесса экстракции. Это процесс избирательного извлечения компонентов жидкой или твердой фазы при обработке растворителем. Последний должен хорошо растворять целевые элементы, но ограниченно или практически не растворять остальные составляющие исходного сырья.

Поэтому применяемые при экстракции растворители называют избирательными или селективными. На первый взгляд экстракция напоминает абсорбцию. Но есть принципиальное различие: в экстракции разделение возможно только при условии, что смесь растворителя и извлекаемого вещества образует гетерогенную (неоднородную) систему.

Процесс происходит при смешении двух компонентов: сырья и экстрактного раствора. После чего происходит перераспределение компонентов с образованием гетерогенной смеси. Экстракт включает в себя смесь из растворителя и исходных компонентов, а в рафинат входит очищенная исходная смесь. Распределение происходит по закону фазового равновесия. В данном случае он формулируется коэффициентом распределения, который численно имеет выражение концентрации извлекаемого компонента в образующихся фазах.

Температура также имеет важное значение. Все три компонента при высокой температуре взаимно растворимы друг в друге, из чего обнаруживается проблема стремления коэффициента к значению 1, а значит, и к невозможности экстракции.

Влияние на экстракцию также имеет и соотношение исходных смесей. При небольшом количестве растворитель при соответствующей температуре полностью растворяется в исходной смеси – образуется гомогенный раствор. Если же растворителя много, то уже исходная смесь полностью растворяется в нем, но результат тот же: образуется одна фаза. Каждой величине отношения «растворитель – исходное сырье» соответствует определенное значение температуры, при которой и выше которой данная смесь образует однофазную систему.

В нефтепереработке процесс экстракции применяется при очистке смазочных масел, дизельных топлив, деасфальтизации тяжелых нефтяных остатков, извлечении ароматических углеводородов из бензинов пиролиза, продуктов риформинга или легких газойлей коксования, извлечении высококипящих или нелетучих компонентов из сточных вод и т. п.

В промышленных условиях для разделения различных жидких нефтепродуктов путем экстракции используют такие растворители, как фенол, фурфурол, N-метил-2-пирролидон, диэтиленгликоль, вода, жидкий пропан, бензол, диметилсульфоксид, производные морфолина и пр. При экстракции озокерита и церезина из горных пород в качестве растворителя применяют бензин. В последнее время из-за высокой токсичности фенола и фурфурола наметилась тенденция замены этих растворителей на N-метил-2-пирролидон.

Контактирование массообменивающихся фаз при экстракции осуществляется по разным схемам. Это зависит от требований, которые предъявляют к качеству рафинатного и экстрактного растворов. Однако любой процесс экстракции содержит следующие стадии:

1. Смешение растворителя с разделяемой смесью, обеспечивающее их контактирование.

2. Разделение образовавшейся смеси на рафинатный и экстрактный растворы.

Базовым вариантом экстракции можно считать однократное исполнение, в котором присутствуют только две стадии, описанные ранее. Однако для увеличения чистоты рафината используют повторяющийся процесс экстракции, который получил название многоступенчатой.

Многоступенчатая экстракция разделяется на противоточную с одним или двумя растворителями, а также с флегмой. Схематичные варианты исполнения экстракции представлены на рисунке 12.

Рисунок 12. Многоступенчатая экстракция, а – противоточная экстракция с одним растворителем, б – противоточная экстракция с флегмой, в – многоступенчатая экстракция с двумя растворителями. Где С – экстрактор, О – отстойник, F – поток сырья, R – рафинат, L – растворитель, n – число ступеней, S – экстракт, Q – экстрактный раствор, R0 – флегма

Противоточная экстракция с одним растворителем – многоступенчатый процесс непрерывного действия, при котором исходная смесь поступает в первую ступень, а растворитель – в последнюю. Образовавшиеся две жидкие фазы – экстракт и рафинат – непрерывно движутся противотоком навстречу друг другу.

Противоточная экстракция с флегмой – метод жидкостной экстракции, при котором часть экстракта после удаления из него экстрагента возвращается в процесс в виде флегмы. Это позволяет повысить степень разделения исходного раствора на компоненты.

Многоступенчатая экстракция с двумя растворителями – процесс разделения исходного раствора, состоящего из двух или более компонентов, с помощью двух несмешивающихся экстрагентов. Один из растворителей – экстрагирующий, должен хорошо растворять извлекаемые компоненты, второй – «отмывочный», должен хорошо растворять неизвлекаемые компоненты.

По своему аппаратурному исполнению экстракционные аппараты могут делиться на ступенчатые и колонные. Колонные по устройству аналогичны другим известным нам аппаратам, а вот ступенчатые представляют собой новый для нас вид оборудования. Итак, аппараты ступенчатого типа имеют определенное число ступеней (типа «смеситель-отстойник»), в каждой из которых происходит контактирование и последующее разделение фаз. В целом в системе осуществляется противоточное движение фаз за счет соответствующего соединения ступеней по потокам рафинатных и экстрактных растворов.

Но процесс экстракции не ограничивается колоннами и смесителями. Обязательно присутствует стадия разделения фаз. Для этого используют либо обычное отстаивание, либо центробежные аппараты.

Процесс удаления жидкости из твердых материалов путем ее испарения называется сушкой. Он часто встречается при регенерации осушительных адсорберов или регенерации реакторов с катализатором на твердом носителе. Хотя процесс и простой, но не менее важный, нежели обсуждаемые ранее. Существуют разные виды сушилок: газовые или конвективные, контактные или кондуктивные, радиационные, диэлектрические, сублимационные. Коротко обсудим это разнообразие.

Сушки сублимационного исполнения удаляют влагу, которая была предварительно заморожена, а за счет поддержания низкого давления и температуры испаряется, минуя жидкое состояние.

Диэлектрическая сушка использует ток высокой частоты для удаления влаги из металла. Главный плюс: прогрев идет по всему объему, поэтому вода испаряется не только с поверхности, но и из глубины – из микротрещин и пор. Для тонкого металла используют сушку с использованием тепла, полученного от инфракрасного излучения, – радиационную сушку.

Газовая сушка, обсуждавшаяся ранее, происходит под влиянием горячего газа, обладающего инертными свойствами (азот, воздух, аргон и т. д.). Контактная сушка представляет собой простой теплообмен через стенку аппарата. Нагрев может подводиться паром, горением или электричеством.

Перейдем к сушилкам, получившим наиболее широкое распространение. Многие из рассмотренных ранее аппаратов имеют узкое применение и предназначены для сушки отдельных материалов. Наибольшее же распространение получили сушилки газового и контактного типов.

Газовые сушилки имеют ряд разнообразных конструкционных исполнений, например: ленточные, барабанные, пневматические, распылительные и с псевдоожиженным слоем.

Рисунок 13. Газовая сушилка ленточного типа

Ленточная газовая сушилка предназначена для сушки твердых материалов, которые не представляют токсичной и пожарной опасности. Она выглядит как металлический короб с двумя секциями. Первая предназначена для продукта, который проходит осушку на конвейерных лентах, а вторая – для обеспечения работы осушки, в которой располагаются калориферы, вентиляторы и газоходы. Также сушилки снабжены ворошителями и воздухораспределительными решетками. Конечно, при работе с продуктами нефтепроизводства нельзя обойтись без взрывоопасных и пожароопасных материалов, для них газовые сушилки модернизируются и производятся в герметичном укрепленном корпусе.

Еще один вид – барабанная сушилка. В ней тепло сушильного агента непосредственно передается высушиваемому материалу во вращающемся барабане. В качестве сушильного агента используется нагретый воздух или дымовые газы. Такой тип сушилок представлен на рисунке 14. Благодаря наклону сушильного аппарата происходит движение осушаемого материала.

Рисунок 14. Газовая сушилка барабанного исполнения

Для сушки мелкодисперсных, кристаллических и волокнистых материалов применяются аппараты, обеспечивающие относительно небольшое время пребывания материала в зоне сушки (сушилки мгновенного действия), – их производят в пневматическом исполнении. Процесс организован так: в вертикальную трубу (до 20 метров высотой) подают материал, поток горячего воздуха несет его вверх, далее в циклоне материал отделяется, а отработанный воздух выбрасывается в атмосферу.

Рисунок 15. Пневматическая сушилка

Для осушки растворов и суспензий используют сушилки распылительного типа, где продукт пребывает в рабочей зоне высоких температур совсем недолго. Он подается винтовым насосом-дозатором на диск центробежного распылителя, диспергируется в объем сушильной камеры и высушивается смесью топочных газов с воздухом, поступающим из печи. Конструкция дисков распылителя определяется свойствами продукта: например, для абразивных материалов рабочие элементы защищают специальными покрытиями, повышающими износостойкость. После сушильной камеры вся смесь поступает в циклоны, где происходит разделение фаз.

Чтобы обеспечить крупнотоннажное производство, требуется оптимизировать скорость сушки и объем осушаемого материала. Для удовлетворения этих потребностей используют сушилки с псевдоожиженным слоем зернистого материала. В качестве сушильного агента применяются горячий воздух, дымовые газы, горячие инертные газы. Продукт напыляется на инертный теплоноситель – крошку фторопласта или другой материал. Теплоноситель предварительно загружают в сушилку и приводят в псевдоожиженное состояние топочными газами, которые получают в камере сгорания природного газа. После сушки продукт направляется на разделение в циклоны.

Также на производствах используют контактные сушилки, которые также имеют несколько вариантов исполнения: барабанно-вакуумные и вальцовые.

Барабанные роторные вакуумные сушилки относятся к аппаратам периодического действия. В горизонтальном цилиндрическом корпусе с рубашкой, обогреваемой водяным паром, установлен обогреваемый ротор с гребками. Аппараты оснащены фильтрами для очистки паровоздушной смеси от пыли продукта. Нагрев и сушка продукта происходят в результате контакта его с обогреваемыми поверхностями барабана и ротора при перемешивании в аппарате. Продолжительность сушки определяется физико-химическими свойствами растворителя, начальной и конечной влажностью, способностью к налипанию и др.

Сушка пастообразных материалов и суспензий происходит в вальцовых сушилках. Рабочий элемент представляет собой цилиндрический валец, который снабжен обогревом водяным паром. Продукт подается в низ вальца, а пар – в полость для обогрева, откуда предусмотрен отвод конденсата. При помощи вращения вальца происходит вынос сухого продукта.

На этом можно подвести итог раздела о процессах и аппаратах химической технологии. Мы рассмотрели основные – и не самые основные – процессы, о которых говорили в предыдущих темах, разобрались в их конструктивных вариантах и, главное, увидели, как они выглядят и работают в реальности.

Таким образом, процессы и аппараты химической технологии представляют собой фундаментальную основу промышленного производства, объединяя физико-химические закономерности и инженерное проектирование. Изучение типовых процессов – механических, гидромеханических, тепловых, массообменных и химических – позволяет не только понимать принципы функционирования современного химического производства, но и целенаправленно совершенствовать его: повышать эффективность, снижать энерго- и ресурсозатраты, обеспечивать экологическую безопасность.

Грамотный выбор и расчет аппаратов, учет кинетических закономерностей и оптимальных режимных параметров дают возможность создавать экономически обоснованные, надежные и масштабируемые технологические схемы. В условиях постоянного развития материаловедения, автоматизации и цифровых технологий дисциплина «Процессы и аппараты химической технологии» остается ключевым инструментом для проектирования инновационных производств и решения актуальных задач химической индустрии.

Подводя итог изученным ранее разделам, кратко резюмируем основной материал.

Химическая технология определяет, «что» и «зачем» необходимо получить:

– разрабатывает схемы превращения сырья в целевые продукты;

– выбирает химические реакции и последовательность стадий;

– устанавливает требования к качеству продукции и экономичности процесса.

Процессы и аппараты отвечают на вопросы, «как» и «в чем» это можно реализовать:

– описывают физико-химические закономерности протекания процессов (гидродинамических, тепловых, массообменных, химических);

– предлагают типовые аппараты (реакторы, колонны, теплообменники и др.) и методы их расчета;

– обеспечивают перевод лабораторной химии в промышленное производство.