RU54192U1

RU54192U1 - RIVER DEVICE FOR FRACTIONATION OF MIXTURES

Info

Publication number: RU54192U1
Application number: RU2004138334/22U
Authority: RU
Inventors: Юрий Леонидович Шишкин
Original assignee: Юрий Леонидович Шишкин
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2006-06-10

Abstract

Использование: в различных областях химии, в частности, в химии нефти для определения компонентного состава нефтей и нефтепродуктов. Сущность: в перегонном устройстве для фракционирования смесей, конденсатор паров выполнен в виде шарообразной колбы, переходящей в нижней части в заостренный книзу конус, в верхней части колба имеет отверстие для ввода нагревателя плоской формы с размещенным на нем держателем образца также плоской формы, нагреватель с держателем образца размещены внутри шаровидной части конденсатора равноудаленно от его боковых стенок, а приемник конденсата соединен с нижней конусной частью конденсатора. Предлагаемое устройство позволяет: производить глубокую разгонку высококипящих смесей в мягких условиях, без перегрева и деструкции труднолетучих компонентов.Usage: in various fields of chemistry, in particular, in the chemistry of oil to determine the component composition of oils and petroleum products. Essence: in the distillation device for fractionation of mixtures, the vapor condenser is made in the form of a spherical flask passing in the lower part into a cone pointed downwards, in the upper part of the flask has an opening for introducing a heater of a flat shape with a sample holder placed on it also of a flat shape, a heater with a holder the sample is placed inside the spherical part of the capacitor equidistant from its side walls, and the condensate receiver is connected to the lower conical part of the capacitor. The proposed device allows: to deeply disperse high-boiling mixtures in mild conditions, without overheating and destruction of difficult volatile components.

Description

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).The invention relates to the field of instrumental methods for analyzing the properties of materials and can be used in various fields of science and technology, in particular, in petrochemistry to determine the component composition of hydrocarbon mixtures (oil and oil products).

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.The principle of operation of the device consists in heating the test sample according to a given program, evaporating the sample or isolating volatile components from it, condensing the vapors on the walls of the condenser and collecting the distillate into a graduated receiver and measuring the volume (mass) of the distillate formed at different temperatures of the distilled sample.

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.Based on the data obtained during the experiment on the temperatures of the distillate and the mass (volume) of the distillate fractions, the distillation curve of the sample is calculated, which determines the component (fractional) composition of the mixture.

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].Known distillation devices consisting of a flask (cube) with a product to be dispersed, a flask heater, a reflux condenser, a vapor condenser, a distillate collector [A.K. Manovyan, Technology for the primary processing of oil and natural gas, Moscow, Chemistry, 2001, p. 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 Known devices of a similar principle of operation and purpose, for example, an apparatus for distillation of petroleum products to determine the fractional composition of oil and petroleum products ARNP-1, an automatic apparatus for distillation of petroleum products at atmospheric pressure AD 86 5 G from Petrotest and several others. In the process of analysis, a product sample is distilled in accordance with certain standards.

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].conditions. The temperature of the vapor of the distilled distillate, barometric pressure, and the temperature of the distillation of the last drop of sample are recorded. Based on the results of such an analysis, it is possible to characterize a product by its distillation properties [Laverna catalog of instruments of the laboratory equipment for monitoring oil, gas and oil products, 2001, p.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.In the listed devices, the distance from the evaporation surface to the condensation surface is large (the diffusion resistance of the process is large) and the diameter of the hole through which the vapor enters the refrigerator is small. This leads to a slowdown of the distillation process and the need for significant overheating of the liquid to accelerate it. The temperature of the liquid in the cube may exceed the temperature of the vapor at the inlet to the condenser by 100-250 C, therefore, thermal destruction of even heat-resistant substances is not excluded, especially at the end of the process when the liquid is overheated. In addition, for the same reason, it is not possible to drive off the last high-boiling fractions requiring particularly high overheating.

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.Known laboratory apparatus for the distillation of liquids with a temperature of decomposition or chemical transformation below its boiling point [A.S. No. 226238, IPC G 01 N, B 01 D 3/00, Bull. No. 28, 09/05/1968]. In this apparatus, structural changes are proposed with the aim of accelerating the distillation process by increasing the evaporation surface and the condensation surface and bringing them closer together. In this case, the evaporator is made in the form of a funnel equipped with concentric grooves, and the refrigerator is in the form of a hollow cone installed in the funnel of the evaporator. The upper concentric groove has a nozzle for introducing liquid, and the evaporator has a nozzle for lowering the distillate in the lower conical part. The distance between the conical surfaces of the evaporator and the condenser can be changed (adjusted) to achieve the optimum distillation mode.

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.Despite the fact that this device eliminated liquid overheating and increased the speed and productivity of the process, it cannot be used to analyze the fractional composition of mixtures due to the fact that the distillation process is carried out in a continuous mode of product supply and removal of distillate and residue, i.e. . essentially in the mode of single evaporation, but not sequential. In addition, the apparatus includes elements that are difficult to manufacture and operate - a hollow cone cooler (vapor condenser) and a cone evaporator with concentric grooves with the need to align them relative to each other. Difficult operations on loading and cleaning the device.

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.The problem is solved by the fact that the vapor condenser is made in the form of a spherical flask, passing in the lower part to a cone pointed downwards, the condensate receiver is connected to the lower conical part of the flask, in the upper part of the flask has an opening for introducing a sample holder of a flat shape and a holder heater also of a flat shape, while the latter are placed inside the spherical part of the capacitor equidistant from its side walls.

Предлагаемое устройство изображено на рисунке 1.The proposed device is shown in Figure 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.The device includes a spherical flask 1, pointed downward, having a connector 2 at the bottom for connecting a graduated tube 3 for receiving condensate. The flask is tightly closed with a stopper 4, through which measuring tubes 5 and regulating 6 thermocouples and a tube 7 for the current leads of the heater 8, as well as racks for its fastening (not shown) pass. A cup 9 with a test sample is placed on the heater. In plug 4 there is an opening for introducing various sensors into the flask, which is closed by plug 10 of a smaller diameter.

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.The current leads of the heater 8 are connected to the output 11 of the heating controller, and a regulating thermocouple 6 is connected to its input 12. A measuring thermocouple 5 is fed to the input of the temperature recorder 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.The heater 8 is placed along the axis of the flask at an equal distance from the side walls and is slightly offset down from the center of the flask - more distant from the cork than from the bottom of the flask to avoid excessive heating of the upper part of the flask and cork.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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.A cup with a sample of known mass is placed on the heater and a plug 4 with a working structure is inserted into the condenser flask 1. The heating controller is turned on and the upper limit and rate of increase of the temperature of the sample (distillation) are set. During the experiment, the height of the column H (T) of the distillate in the receiver is noted as a function of the temperature of the distillate. At the end of the experiment, the device is disassembled, the condensate in the receiver and the residue in the cup are weighed. According to the data obtained, a distillation curve is constructed and the component composition of the sample is calculated.

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.The proposed device eliminated the main disadvantage of the prototype - overheating of the distilled mixture and the inability to collect high-boiling fractions without their thermal destruction (cracking). The lack of an analogue has also been eliminated - the impossibility of conducting component analysis. At the same time, the advantages of both are retained.

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 The prototype measures the temperature of the vapors at the entrance to the refrigerator and sometimes the temperature of the cube. By the difference in these temperatures, one can judge the overheating of the liquid during distillation. By the end of the distillation, this overheating can be 100-250 C, depending on

природы образца. Ясно, что при таком перегреве неизбежны процессы деструкции образца при отгоне последних высококипящих фракций.nature of the sample. It is clear that with such overheating, the processes of sample destruction during the distillation of the last high-boiling fractions are inevitable.

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.In the proposed device, the temperature of the liquid and vapor phases are almost equal due to the small amount of overheating. The latter is inevitable because it is the driving force behind the distillation process. However, its value is much smaller than in the prototype. This is indicated by the absence of sample boiling during distillation — evaporation occurs mainly from the surface without the formation of gas bubbles in the volume.

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.The spherical shape of the flask provides maximum and uniform remoteness of the heater from the walls at the above-mentioned geometry of the placement of the heater and thereby eliminates their local overheating by the heater, and the conical shape of its lower part provides a quick drain of liquid condensate to the receiver.

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.An important parameter is also the temperature of the walls of the flask, on which the vapors condense. As the distillation temperature rises, the condensation temperature of high-boiling components also rises, and at low wall temperatures the formation of solid products on the walls is possible. These products can be collected and analyzed separately from the liquid distillate in the receiver.

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.From the above description it is seen that in the proposed device, the distillation of the product is carried out in mild and manageable (optimization) conditions. Instead of uncontrolled and excessive heating of the sample by the burner flame (prototype), a gradual and uniform heating was introduced, in which each component evaporates as the evaporation temperature characteristic of this component is reached, which contributes to the collection of narrow fractions. In the prototype, due to the strong heating and boiling of the liquid in the vapor phase, there is a mixture of many components, which reduces the degree of separation of the product into fractions.

В предлагаемом устройстве отсутствуют сложные в изготовлении и эксплуатации элементы, существенно облегчены и ускорены операции с образцом.In the proposed device there are no elements difficult to manufacture and operate, operations with the sample are significantly facilitated and accelerated.

Пример работы устройства.An example of the operation of the device.

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 The oil of the Kumkol field (Kazakhstan) was investigated. A sample weighing 1.7660 g was poured into a cup, placed on a heater, lowered into a flask and heated at a speed of 3 C / min to 300 C. In the course of heating, the increment of the column height H (T) of the condensate in the receiver was measured as a function of the distillation temperature T. At the end of the experiment, a cup with the rest of the sample was taken out, the receiver was disconnected from the flask, and by weighing the mass of the residue M1 in the cup and the mass of distillate in the receiver M2 were found. Increments

массы ΔМ2(Т) дистиллята в приемнике при текущей температуре Т разгонки находили по формулеmass ΔM2 (T) of the distillate in the receiver at the current temperature T of distillation was found by the formula

ΔМ2(Т)=М2*ΔН(Т)/Н,ΔМ2 (Т) = М2 * ΔН (Т) / Н,

где Н - конечная высота столбика дистиллята в приемнике, и рассчитывали долю отгона как функцию температуры по формулеwhere H is the final height of the distillate column in the receiver, and the proportion of distillation was calculated as a function of temperature according to the formula

α,%(Т)=ΔМ2(Т)*100/Мα,% (T) = ΔМ2 (T) * 100 / M

где М - исходная навеска образца.where M is the initial sample weight.

Количество летучих фракций G находили по уравнению материального баланса G=100%-(M1+M2)%The number of volatile fractions G was found by the equation of material balance 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.We plotted the dependence of the fraction of the distillation α + G on temperature (distillation curve), which was used to calculate the fractional composition of the sample — the fraction of distillation in the given temperature ranges.

Для сравнения показателей работы предлагаемого перегонного аппарата и аналога (прототипа), ту же нефть в объеме 50 см³ 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).To compare the performance of the proposed distillation apparatus and analogue (prototype), the same oil in a volume of 50 cm ^{3 was} placed in a Wurz flask and distillation was carried out on an ARNP-2 distillation apparatus. The distillate volume in the receiver was measured and the dependence of the distillation fraction on the temperature of the steam at the inlet to the refrigerator and the temperature of the oil in the cube were constructed (curves 1 and 2, respectively, Fig. 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).From Fig. 2 it is seen that on the proposed device at a temperature of 300 ° C of the sample (cube), the fraction of distilled distillate is 60% (curve 3), while on ARNP-2 it is only 10% (curve 2). Curves 1 and 2 show that the sample is overheated, i.e. the temperature difference between the vapor and the cube is on average 100 C, while even at a cube temperature of 420 C it is possible to drive off only 23% of the product, while on the proposed device at 300 C, 60% of the product is distilled off with a cube residue of only 35% (77% in the case of ARNP -2).

Claims

Distillation device for fractionation of mixtures, consisting of a vapor condenser, a condensate receiver, a sample holder, a sample heater, characterized in that the condenser is made in the form of a spherical flask, passing in the lower part into a cone pointed downwards, the condensate receiver is connected to the lower conical part of the flask, in the upper part of the bulb has an opening for input of the sample holder of a flat shape and the sample heater also of a flat shape, with the latter placed inside the spherical part of the capacitor equidistant from its about the side walls.