Κεφάλαιο 16. Ανάµιξη Προϊόντων

Transcript

1 Κεφάλαιο 16 Ανάµιξη Προϊόντων 16.1 Εισαγωγή Η αυξηµένη λειτουργική ευελιξία και η κερδοφορία προκύπτουν όταν το διυλιστήριο παράγει βασικά ενδιάµεσα ρεύµατα που µπορούν να αναµιχθούν για να παράγουν ποικιλία τελικών προϊόντων εντός των αντίστοιχων προδιαγραφών. Παραδείγµατος χάριν, η κηροζίνη µπορεί να χρησιµοποιηθεί είτε ως καύσιµο αεριωθουµένων είτε ως πετρέλαιο θέρµανσης. Εκτός από τα λιπαντικά έλαια, τα σηµαντικότερα προϊόντα που παράγονται µε ανάµιξη σε ένα διυλιστήριο είναι οι βενζίνες, τα καύσιµα αεριωθουµένων, και τα ντήζελ (κίνησης και θέρµανσης). Ο στόχος της ανάµιξης προϊόντων είναι να διατεθούν τα διαθέσιµα συστατικά µε τέτοιο τρόπο ώστε να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις και οι προδιαγραφές προϊόντων µε το λιγότερο κόστος και για να παράγει σε αυξηµένες ποσότητες τα προϊόντα που µεγιστοποιούν το κέρδος. Οι όγκοι των προϊόντων που πωλούνται, ακόµη και από ένα µέσου µεγέθους διυλιστήριο, είναι τόσο µεγάλοι που η εξοικονόµηση ενός µέρους ενός λεπτού ανά λίτρο θα παράγει µια ουσιαστική αύξηση στο κέρδος κατά τη διάρκεια της περιόδου ενός έτους. Σήµερα τα περισσότερα διυλιστήρια χρησιµοποιούν άµεση ανάµιξη στους αγωγούς ελεγχόµενη από υπολογιστή για τη βενζίνη και τα υπόλοιπα προϊόντα υψηλής τιµής. Οι όγκοι των συστατικών που αναµιγνύονται καθώς και στοιχεία σχετικά µε τις φυσικοχηµικές ιδιότητες αποθηκεύονται σε υπολογιστή. Όταν καθοριστεί ένας συγκεκριµένος όγκος ενός δεδοµένου προϊόντος, ο υπολογιστής χρησιµοποιεί λογισµικό µε µοντέλα γραµµικού προγραµµατισµού για να βελτιστοποιήσει τις διαδικασίες ανάµιξης για να επιλέξει τα απαραίτητα συστατικά για να παράγει τον απαραίτητο όγκο του προϊόντος µε χαµηλότερο κόστος. Για να εξασφαλιστεί ότι τα αναµιχθέντα προϊόντα ανταποκρίνονται στις επιθυµητές προδιαγραφές, χρησιµοποιούνται συσκευές ανάλυσης ιδιοτήτων συνδεδεµένες στους αγωγούς, που µετρούν ιδιότητες όπως περιοχή βρασµού, πυκνότητα, τάση ατµών, και αριθµό οκτανίου για να δώσουν την απαιτούµενη ανατροφοδότηση για τον έλεγχο των ποσοτήτων συστατικών και πρόσθετων. Η ανάµιξη των συστατικών µε τρόπο ώστε να ικανοποιηθούν όλες οι κρίσιµες προδιαγραφές µε τον οικονοµικότερο τρόπο είναι µια διαδικασία δοκιµής και σφάλµατος που είναι εύκολο να πραγµατοποιηθεί µε τη χρήση υπολογιστή. Ο µεγάλος αριθµός µεταβλητών καθιστά πιθανή την ύπαρξη διαφόρων ισοδύναµων λύσεων που δίνουν κατά προσέγγιση ισοδύναµο συνολικό κόστος ή κέρδος. Τα προγράµµατα βελτιστοποίησης επιτρέπουν στον υπολογιστή να υπολογίσει το βέλτιστο µίγµα για να ελαχιστοποιήσει το κόστος και να µεγιστοποιήσει το κέρδος. Χρησιµοποιούνται και γραµµικές και µη γραµµικές τεχνικές προγραµµατισµού. Ο µη γραµµικός προγραµµατισµός προτιµάται εάν είναι διαθέσιµα ικανοποιητικά στοιχεία για να καθορίσουν τις εξισώσεις επειδή οι ιδιότητες των συστατικών αναµιγνύονται µη γραµµικά και οι τιµές τους είναι συναρτήσεις των ποσοτήτων των συστατικών και των χαρακτηριστικών τους. Τα τελευταία χρόνια, έχει αρχίσει να γίνεται (για ερευνητικούς κυρίως σκοπούς) χρήση µεθόδων νευρωνικών δικτύων, οι οποίες δίνουν πολύ πιο ακριβή αποτελέσµατα. Η µέθοδος των συντελεστών ανάµιξης που αναφέρονται στη συνέχεια, αποτελεί µια απλή πρακτική που δίνει σχετικά ακριβή αποτελέσµατα, για προκαταρκτικούς υπολογισµούς

2 Για λόγους προκαταρκτικών µελετών αξιολόγησης κόστους, δεν γίνονται γενικά υπολογισµοί ως προς την καµπύλη απόσταξης στα ενδιάµεσα αποστάγµατα για όλες τις θερµοκρασίες, ακόµα κι αν αυτοί είναι σηµαντικοί όσον αφορά λειτουργικά χαρακτηριστικά όπως προθέρµανση του κινητήρα, επιτάχυνση, και οικονοµία. Τα επιτρεπόµενα συστατικά ανάµιξης είναι εκείνα µε περιοχές βρασµού εντός των προδιαγραφών των προϊόντων [π.χ., C C (C F)] και τα κριτήρια ελέγχου είναι να καλυφθούν οι απαιτήσεις τάσης ατµών (RVP) και αριθµού οκτανίου Τάση Ατµών Reid Η επιθυµητή τάση ατµών της βενζίνης ρυθµίζεται µε την προσθήκη κ-βουτανίου στα υπόλοιπα συστατικά της περιοχής C C (C F). Η ποσότητα του κ- βουτανίου που µπορεί να αναµιχθεί ώστε να επιτευχθεί η επιθυµητή τιµή τάσης ατµών δίνεται από τη σχέση: nt ( RVP) t = ni ( RVP) i (1) όπου: n t = συνολικά moles µίγµατος (RVP) t = τάση ατµών µίγµατος, kpa (psi) n i = moles συστατικού i (RVP) i = τάση ατµών συστατικού i, kpa (psi) Παράδειγµα 1 Σε ένα διυλιστήριο είναι διαθέσιµα τα συστατικά ανάµιξης για παραγωγή βενζίνης που φαίνονται στον επόµενο πίνακα. Να βρεθεί η απαραίτητη ποσότητα κ-βουτανίου που πρέπει να προστεθεί, ώστε η τελική βενζίνη να έχει τάση ατµών 65 kpa. (Ιδιότητες κ-c 4 : MB = 58, RVP = kpa, d = 581 kg/m 3 ) Συστατικό m 3 /h Πυκνότητα kg/h ΜΒ moles/h RVP n PVP Προϊόν Ισοµερισµού Προϊόν Αναµόρφωσης Προϊόν Αλκυλίωσης Βενζίνη FCC Σύνολο Χρησιµοποιώντας την εξίσωση (1), η τάση ατµών του µίγµατος των ανωτέρω συστατικών υπολογίζεται 38.1 kpa. Η απαιτούµενη ποσότητα κ-βουτανίου υπολογίζεται: (1030.3) (38.1) + n (358.5) = ( n) (65) n = n n = n = 94.4 moles κ-c 4 m 3 /h kg/h ΜΒ moles/h κ-βουτάνιο Συνολική βενζίνη µε RVP 65 kpa = = m 3 /h. εδοµένα ιδιοτήτων ανάµιξης για διάφορα διυλιστηριακά συστατικά δίνονται στον Πίνακα Η θεωρητική µέθοδος για ανάµιξη στην επιθυµητή τάση ατµών Reid απαιτεί να είναι γνωστό το µέσο µοριακό βάρος καθενός από τα συστατικά. Αν και υπάρχουν αποδεκτοί τρόποι εκτίµησης του µέσου µοριακού βάρους ενός διυλιστηριακού

3 συστατικού από το σηµείο βρασµού, την πυκνότητα, και το συντελεστή χαρακτηρισµού, ένας απλούστερος τρόπος υπολογισµού δίνεται µε τη χρήση εµπειρικών συντελεστών ανάµιξης. Οι συντελεστές ανάµιξης τάσης ατµών (VPBI) έχουν υπολογιστεί συναρτήσει της τάσης ατµών RVP των συστατικών και δίνονται στον Πίνακα Η τάση ατµών Reid του µίγµατος προσεγγίζεται από το άθροισµα των γινοµένων των κλασµάτων όγκου επί το συντελεστή ανάµιξης VPBI για κάθε συστατικό. Με µορφή εξίσωσης: VPBIM = vi VPBIi (2) Πίνακας 16.1 εδοµένα ανάµιξης για συστατικά παραγωγής βενζίνης No Συστατικό RVP, kpa MON RON Πυκνότητα, kg/m 3 1. ι-c κ-c ι-c κ-c ι-c Ελαφριά LSR νάφθα (C 5 85 C) Προϊόν ισοµερισµού απλής διέλευσης Βαριά HSR νάφθα Ελαφρύ προϊόν υδρογονοπυρόλυσης Προϊόν υδρογονοπυρόλυσης, C 5 C Προϊόν υδρογονοπυρόλυσης, C 6 85 C Προϊόν υδρογονοπυρόλυσης, C Βαρύ προϊόν υδρογονοπυρόλυσης Νάφθα εξανθράκωσης Ελαφριά νάθφα θερµικής πυρόλυσης Ελαφριά νάθφα θερµικής πυρόλυσης C Βενζίνη FCC, F Υδρογονωµένη ελαφριά βενζίνη FCC, C Υδρογονωµένη βενζίνη FCC, C 5 95 C Υδρογονωµένη βενζίνη FCC, C Υδρογονωµένη βενζίνη FCC, C Υδρογονωµένη βενζίνη FCC, C Προϊόν αναµόρφωσης, 94 RON Προϊόν αναµόρφωσης, 98 RON Προϊόν αναµόρφωσης, 100 RON Βαρύ αρωµατικό κλάσµα = 27. Προϊόν αλκυλίωσης, C = 28. Προϊόν αλκυλίωσης, C Προϊόν αλκυλίωσης, C = = 3, C = 30. Προϊόν αλκυλίωσης, C Βενζίνη πολυµερισµού Στην περίπτωση που ζητείται ο όγκος του κ-βουτανίου που πρέπει να προστεθεί ώστε να παρασκευαστεί βενζίνη συγκεκριµένης τάσης ατµών: A (VPBI) a + B (VPBI) b W (VPBI) w = (Y + W) (VPBI) M (3) όπου: A = όγκος συστατικού α, κλπ

4 W = όγκος κ-βουτανίου Y = A + B + C + (όλα τα συστατικά εκτός του κ-βουτανίου (VPBI) M = τιµή VPBI που αντιστοιχεί στην επιθυµητή τάση ατµών του µίγµατος w = είκτης που υποδηλώνει το κ-βουτάνιο Πίνακας 16.2 Συντελεστές ανάµιξης τάσης ατµών για βενζίνες και καύσιµα αεριωθουµένων Τάση Ατµών (kpa) (κ-c 4 ) (ι-c 4 ) Παράδειγµα: (C 3 ) Υπολογίστε την τάση ατµών µιας βενζίνης µε τα εξής δεδοµένα: Συστατικό x Τάση Ατµών kpa VPBI x VPBI κ-βουτάνιο Ελαφριά νάφθα Βαριά αρωµατικά Σύνολο Παράδειγµα 2 Χρησιµοποιώντας τα δεδοµένα του Παραδείγµατος 1 και τον Πίνακα 16.2 να υπολογιστεί η απαιτούµενη ποσότητα βουτανίου για παραγωγή βενζίνης µε τάση ατµών 65 kpa. Συστατικό V (m 3 /h) RVP VPBI V VPBI κ-βουτάνιο W W Ελαφριά LSR νάφθα Προϊόν αναµόρφωσης Προϊόν αλκυλίωσης Βενζίνη FCC Σύνολο W W

5 Απαιτούµενο κ-βουτάνιο: Για βενζίνη µε RVP 65 kpa, (VPBI) M = (145 + W) = W ( ) W = W = W = 9.4 m 3 /h κ-βουτανίου Πίνακας 16.3 Συντελεστές ανάµιξης αριθµού οκτανίου Αριθµός Οκτανίου Παράδειγµα Συστατικό Αριθµός Οκτανίου x ΟΝBI x ΟΝBI Α B C Σύνολο Αριθµός Οκτανίου Οι αριθµοί οκτανίου αναµιγνύονται σε ογκοµετρική βάση χρησιµοποιώντας τους αριθµούς οκτανίου ανάµιξης των συστατικών. Η ανάµιξη για τον αριθµό οκτανίου δεν είναι γραµµική, και είναι απαραίτητη η χρήση συντελεστών ανάµιξης. Οι συντελεστές ανάµιξης αριθµού οκτανίου προέρχονται από επεξεργασία πειραµατικών

6 δεδοµένων και χρησιµοποιούνται για να γραµµικοποιήσουν τη σχέση ανάµιξης. Για προκαταρκτικούς υπολογισµούς, µπορεί να χρησιµοποιηθεί η ακόλουθη σχέση: ONBIM = xi ONBIi (4) όπου: V M = συνολικός όγκος τελικού µίγµατος ONΒΙ M = συντελεστής ανάµιξης αριθµού οκτανίου τελικού µίγµατος x i = κατ' όγκον αναλογία συστατικού i ON i = συντελεστής ανάµιξης αριθµού οκτανίου συστατικού i Οι τιµές των συντελεστών ανάµιξης αριθµού οκτανίου δίνονται στον Πίνακα 16.3 Στον Πίνακα 16.4 δίνονται στοιχεία και συντελεστές ανάµιξης για οξυγονούχα συστατικά που µπορούν να χρησιµοποιηθούν στην παραγωγή βενζίνης. Πίνακας 16.3 Συντελεστές ανάµιξης βελτιωτικών αριθµού οκτανίου Συστατικό Αριθµός Οκτανίου Ανάµιξης RVP, kpa RON MON (R + M)/2 Μεθανόλη Αιθανόλη Τριτοταγής Βουτανόλη (TΒA) MTBE ETBE TAME Άλλες Ιδιότητες Υπάρχουν διάφορες µέθοδοι για την εκτίµηση των ιδιοτήτων ενός µίγµατος από τα ιξώδη των συστατικών. Μια από τις πιο απλές µεθόδους είναι η χρήση των συντελεστών ανάµιξης, οι οποίοι γραµµικοποιούν τις µη γραµµικές σχέσεις ανάµιξης. Τέτοιοι συντελεστές έχουν δηµοσιευτεί για τάση ατµών, ιξώδες και σηµείο ανάφλεξης. Οι συντελεστές αυτοί δίνονται στους Πίνακες 16.2, 16.5 και 16.6 αντίστοιχα. Οι συντελεστές προέρχονται από τη Chevron Research Company και είναι κατοχυρωµένοι από αυτήν. Σε κάθε Πίνακα δίνεται κι ένα παράδειγµα χρήσης των δεδοµένων του. Στη συνέχεια, δίνεται περιγραφή του υπολογισµού του ιξώδους ενός µίγµατος από τα ιξώδη των συστατικών. Το ιξώδες αποτελεί σηµαντική προδιαγραφή για πολλά προϊόντα. Το ιξώδες δεν αναµιγνύεται γραµµικά και χρειάζονται ιδιαίτερες τεχνικές για την εκτίµηση του ιξώδους ενός µίγµατος από τα ιξώδη των συστατικών. Μια από τις πιο αποδεκτές µεθόδους είναι η χρήση των ειδικών διαγραµµάτων της ASTM. Ο υπολογισµός του ιξώδους ενός µίγµατος µπορεί να γίνει µε τη βοήθεια των συντελεστών ανάµιξης του Πίνακα Ο συντελεστής ανάµιξης του µίγµατος υπολογίζεται ως το άθροισµα των γινοµένων των αναλογιών όγκου επί τους αντίστοιχους συντελεστές ανάµιξης κάθε συστατικού. Η εξίσωση είναι: VBIM = xi VBIi (5) όπου: VBI M = συντελεστής ανάµιξης ιξώδους µίγµατος x i = αναλογία όγκου συστατικού i VBI i = συντελεστής ανάµιξης ιξώδους συστατικού i Ένα παράδειγµα υπολογισµού δίνεται στον Πίνακα Οι υπολογισµοί ανάµιξης γίνονται όταν τα ιξώδη των συστατικών και του µίγµατος αναφέρονται στην ίδια θερµοκρασία

7 Πίνακας 16.5 Συντελεστές ανάµιξης ιξώδους Κινηµατικό Ιξώδες, cst Παράδειγµα Συστατικό Ιξώδες, cst 50 C x VBI x VBI A B C Σύνολο

8 Πίνακας 16.6 Συντελεστές ανάµιξης σηµείου ανάφλεξης Σηµείο Ανάφλεξης, C Παράδειγµα Συστατικό Σηµείο Ανάφλεξης C x FPBI x FPBI A B C Σύνολο Παρόµοια µέθοδος έχει αναπτυχθεί από και για την εκτίµηση των ιδιοτήτων ψυχρής ροής µέσων κλασµάτων πετρελαίου. Οι συντελεστές ανάµιξης ψυχρής ροής δίνονται στον Πίνακα Οι συντελεστές αυτές ισχύουν για όλες τις γνωστές ιδιότητες ψυχρής ροής: σηµείο πήξης (freezing point), σηµείο θόλωσης (cloud point), σηµείο ροής (pour point), σηµείο απόφραξης ψυχρού φίλτρου (CFPP). Ο συντελεστής ανάµιξης ψυχρής ροής του µίγµατος υπολογίζεται ως το άθροισµα των γινοµένων των αναλογιών όγκου επί τους αντίστοιχους συντελεστές ανάµιξης κάθε συστατικού. Η εξίσωση είναι: CFBIM = xi CFBIi (6) όπου: CFBI M = συντελεστής ανάµιξης ψυχρής ροής µίγµατος x i = αναλογία όγκου συστατικού i CFBI i = συντελεστής ανάµιξης ψυχρής ροής συστατικού i Οι τιµές του Πίνακα 16.7 µπορούν να χρησιµοποιηθούν µόνο όταν τα δεδοµένα όλων των συστατικών και του µίγµατος αφορούν την ίδια ιδιότητα ψυχρής ροής

9 Πίνακας 16.7 Συντελεστές ανάµιξης ιδιοτήτων ψυχρής ροής για µέσα αποστάγµατα πετρελαίου Ιδιότητα Ψυχρής Ροής, C Παράδειγµα Συστατικό Σηµείο Ροής C x CFBI x CFBI A B C Σύνολο Στους Πίνακες 16.8 και 16.9 δίνονται µερικές από τις βασικές ιδιότητες τυπικών διυλιστηριακών συστατικών τα οποία µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την παραγωγή βενζίνης και µέσων κλασµάτων αντίστοιχα. Τα στοιχεία αυτά δεν αποτελούν απόλυτες τιµές, καθώς οι ιδιότητες των παραγόµενων προϊόντων εξαρτώνται τόσο από τις συνθήκες της εκάστοτε διεργασίας που χρησιµοποιείται, όσο και από την ποιότητα της τροφοδοσίας της αντίστοιχης διεργασίας

10 Πίνακας 16.8 Τυπικές ιδιότητες διυλιστηριακών συστατικών που χρησιµοποιούνται για την παραγωγή βενζίνης Ιδιότητες Προϊόν Προϊόν Προϊόν Προϊόν Νάφθα Υδρογονοπυρόλυσης Νάφθα FCC Αναµόρφωσης Αλκυλίωσης Πολυµερισµού Ισοµερισµού Ελαφριά Βαριά RON MON Πυκνότητα (kg/m 3, 15 C) Θείο (mg/kg) Σύσταση (% κ.ό.) κ-παραφίνες ι-παραφίνες Ολεφίνες Ναφθένια Αρωµατικά Βενζόλιο (% κ.ό.) Τάση Ατµών (kpa) Απόσταξη ( C) ΑΣΖ % % % % % % % ΤΣΖ

11 Πίνακας 16.9 Τυπικές ιδιότητες διυλιστηριακών µέσων κλασµάτων Ιδιότητες Ατµοσφαιρικής Απόσταξης a Light Cycle Gasoil Ελαφρύ Gasoil Υδρογονοπυρόλυσης Gasoil Κηροζίνη Oil Ιξωδόλυσης Εξανθράκωσης Gasoil Κηροζίνη Πυκνότητα (kg/m 3, 15 C) Θείο (mg/kg) Ιξώδες (cst, 40 C) Παραφίνες (% κ.ό.) Ναφθένια (% κ.ό.) Αρωµατικά (% κ.β.) Μονο ι Τρι Σηµείο Ανάφλεξης ( C) είκτης Κετανίου Σηµείο Πήξης ( C) Σηµείο Ροής ( C) Απόσταξη ( C) ΑΣΖ % % % % % % % ΤΣΖ a Αποθειωµένα προϊόντα

12 Κεφάλαιο 17 ιεργασίες Παραγωγής Λιπαντικών Ελαίων 17.1 Εισαγωγή Ο µεγάλος αριθµός φυσικών λιπαντικών ελαίων και ειδικών ελαίων που πωλούνται σήµερα παράγεται µε το συνδυασµό ενός µικρού αριθµού βασικών συστατικών (βασικών ελαίων) και προσθέτων. Τα βασικά έλαια παρασκευάζονται από επιλεγµένα αργά πετρέλαια µε απόσταξη και ειδική επεξεργασία για να έχουν τις επιθυµητές ιδιότητες. Τα πρόσθετα είναι χηµικές ουσίες που χρησιµοποιούνται για να δώσουν στα βασικά έλαια τα επιθυµητά χαρακτηριστικά που στερούνται ή για να ενισχύσουν και να βελτιώσουν τις υπάρχουσες ιδιότητες. Οι ιδιότητες που θεωρούνται σηµαντικές είναι: 1. Ιξώδες 2. Μεταβολή ιξώδους µε τη θερµοκρασία (δείκτης ιξώδους) 3. Σηµείο ροής 4. Αντοχή στην οξείδωση 5. Σηµείο ανάφλεξης 6. Περιοχή βρασµού 7. Οξύτητα (αριθµός εξουδετέρωσης) Ιξώδες. Το ιξώδες ενός ρευστού είναι ένα µέτρο της εσωτερικής αντίστασής του στη ροή. Όσο υψηλότερο το ιξώδες, τόσο πιο παχύρρευστο είναι το έλαιο και τόσο παχύτερο το στρώµα του ελαίου που προσκολλάται σε µια επιφάνεια. Ανάλογα µε τη λειτουργία για την οποία χρησιµοποιείται, το έλαιο πρέπει να είναι πολύ λεπτόρρευστο και ελεύθερης ροής ή παχύρρευστο µε υψηλή αντίσταση στη ροή. Από ένα δεδοµένο αργό πετρέλαιο, όσο υψηλότερη η περιοχή βρασµού ενός κλάσµατος τόσο µεγαλύτερο το ιξώδες του κλάσµατος. Εποµένως το ιξώδες ενός βασικού ελαίου µπορεί να επιλεγεί από την περιοχή απόσταξης του κλάσµατος. είκτης Ιξώδους. Η µεταβολή του ιξώδους µε τη θερµοκρασία εκφράζεται από το δείκτη ιξώδους (VI) του ελαίου. Όσο υψηλότερος ο δείκτης ιξώδους, τόσο µικρότερη η µεταβολή του ιξώδους του για µια δεδοµένη µεταβολή στη θερµοκρασία. Ο δείκτης ιξώδους των φυσικών ελαίων κυµαίνεται από αρνητικές τιµές για έλαια από ναφθενικά αργά πετρέλαια σε περίπου 100 για παραφινικά αργά πετρέλαια. Τα ειδικά επεξεργασµένα έλαια και τα συνθετικά έλαια µπορούν να έχουν δείκτη ιξώδους 130 και υψηλότερο. Πρόσθετα, όπως πολυισοβουτυλένια πολυµεθακρυλικοί εστέρες, αναµιγνύονται συχνά µε τα βασικά έλαια για να βελτιώσουν τις ιδιότητες ιξώδους θερµοκρασίας των τελικών ελαίων. Τα έλαια κινητήρων πρέπει να είναι αρκετά λεπτόρρευστα σε χαµηλές θερµοκρασίες για να επιτρέπουν εύκολη εκκίνηση και αρκετά ιξώδη στις θερµοκρασίες λειτουργίας των κινητήρων [80 ως 120 C (180 ως 250 F)] για να µειώσουν την τριβή και τη φθορά µε την παροχή ενός συνεχούς υγρού στρώµατος µεταξύ των µεταλλικών επιφανειών. Σηµείο Ροής. Η χαµηλότερη θερµοκρασία στην οποία ένα έλαιο ρέει υπό τις συνθήκες της πρότυπης µεθόδου, µε θερµοκρασιακό βήµα 3 C ή 5 F αναφέρεται ως σηµείο ροής του ελαίου. Για λιπαντικά κινητήρων, ένα χαµηλό σηµείο ροής είναι σηµαντικό για να διευκολύνει την εκκίνηση του κινητήρα σε ηµέρες µε χαµηλή θερµοκρασία. Υπάρχουν δύο τύποι σηµείων ροής, το σηµείο ροής ιξώδους και το σηµείο ροής κρυστάλλωσης παραφινών. Το ιξώδες σηµείου ροής προσεγγίζεται βαθµιαία καθώς η θερµοκρασία χαµηλώνει και το ιξώδες του ελαίου αυξάνει έως ότου το έλαιο δε θα

13 ρέει υπό τις συνθήκες της δοκιµής. Το σηµείο ροής κρυστάλλωσης παραφινών εµφανίζεται απότοµα καθώς οι παραφίνες κρυσταλλώνονται και διαχωρίζονται από την κύρια µάζα του ελαίου, προκαλώντας στερεοποίηση του ελαίου. Για τη βελτίωση του σηµείου ροής χρησιµοποιούνται κατάλληλα πρόσθετα που τροποποιούν τις ιδιότητες των κρυστάλλων και µειώνουν το σηµείο ροής του ελαίου. Μια αντίστοιχη δοκιµή είναι και η µέτρηση του σηµείου θόλωσης, η οποία καταγράφει τη θερµοκρασία στην οποία διαχωρίζονται οι πρώτοι κρύσταλλοι παραφινών από το έλαιο. Αντοχή στην Οξείδωση. Οι υψηλές θερµοκρασίες που παρατηρούνται κατά τη λειτουργία των µηχανών εσωτερικής καύσης προωθούν τη γρήγορη οξείδωση των λιπαντικών ελαίων. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για το έλαιο που έρχεται σε επαφή µε τις κεφαλές των εµβόλων όπου οι θερµοκρασίες µπορούν να κυµανθούν από 260 ως 400 C (500 ως 750 F). Η οξείδωση προκαλεί σχηµατισµό του κοκ και ασφαλτούχων υλικών µε µορφή βερνικιού από τα έλαια παραφινικής βάσης και ιλύος από τα έλαια ναφθενικής βάσης [3]. Για να αντιµετωπιστούν τα προβλήµατα οξείδωσης των λιπαντικών ελαίων χρησιµοποιούνται κατάλληλα πρόσθετα όπως φαινολικές ενώσεις και διθειοφωσφορικός ψευδάργυρος. Σηµείο Ανάφλεξης. Το σηµείο ανάφλεξης ενός ελαίου έχει µικρή σηµασία αναφορικά µε την απόδοση των µηχανών και χρησιµεύει κυρίως να δώσει µια ένδειξη των εκποµπών υδρογονανθράκων ή της προέλευσης των ελαίων στο τελικό προϊόν, π.χ., εάν είναι µίγµα ελαίων υψηλού και χαµηλού ιξώδους για να δώσει ένα ενδιάµεσο ιξώδες ή αποτελείται από ένα µίγµα ελαίων µέσου ιξώδους. Τα χαµηλά σηµεία ανάφλεξης δείχνουν µεγαλύτερες τάσεις εκποµπών υδρογονανθράκων κατά τη διάρκεια της χρήσης. Περιοχή Βρασµού. Όσο υψηλότερη είναι η περιοχή βρασµού ενός κλάσµατος, τόσο µεγαλύτερα είναι τα µοριακά βάρη των συστατικών και, για ένα δεδοµένο αργό πετρέλαιο, τόσο µεγαλύτερο το ιξώδες. Οι περιοχές βρασµού και τα ιξώδη των κλασµάτων είναι οι σηµαντικότεροι παράγοντες στην επιλογή των θερµοκρασιών απόληψης για τα βασικά λιπαντικά έλαια στη µονάδα απόσταξης υπό κενό. Οξύτητα. Η διάβρωση των µετάλλων των τριβέων οφείλεται κατά ένα µεγάλο µέρος στην προσβολή από όξινα συστατικά στα οξείδια των µετάλλων των τριβέων. Αυτά τα οργανικά οξέα σχηµατίζονται από την οξείδωση των υδρογονανθράκων του λιπαντικού ελαίου υπό τις συνθήκες λειτουργίας των µηχανών και από τα οξέα που παράγονται ως παραπροϊόντα της διαδικασίας καύσης που εισάγονται στην ελαιολεκάνη (κάρτερ) λόγω της απώλειας συµπίεσης των εµβόλων. Τα λιπαντικά έλαια περιέχουν κατάλληλα συστατικά για να εξουδετερώσουν αυτά τα διαβρωτικά οξέα. Συνήθως τα διασπαρτικάκαι καθαριστικά πρόσθετα παρασκευάζονται έτσι ώστε να περιέχουν αλκαλικά συστατικά που χρησιµεύουν για να εξουδετερώσουν τα όξινα συστατικά. Τα βασικά έλαια από παραφινικά αργά πετρέλαια έχουν άριστη θερµική σταθερότητα και σταθερότητα σε οξείδωση και εµφανίζουν χαµηλότερες οξύτητες από τα βασικά έλαια από ναφθενικά αργά πετρέλαια. Ο αριθµός εξουδετέρωσης χρησιµοποιείται ως µέτρο της οργανικής οξύτητας ενός ελαίου. Όσο υψηλότερος είναι ο αριθµός εξουδετέρωσης, τόσο µεγαλύτερη είναι η οξύτητα του ελαίου ιεργασίες Παραγωγής Λιπαντικών Ελαίων Το πρώτο βήµα στην επεξεργασία των λιπαντικών ελαίων είναι ο διαχωρισµός στις µονάδες απόσταξης αργού πετρελαίου των επιθυµητών κλασµάτων ανάλογα µε τις προδιαγραφές ιξώδους και περιοχής βρασµού. Τα βαρύτερα κλάσµατα βασικών ελαίων λαµβάνονται από τη στήλη απόσταξης υπό κενό και περιλαµβάνουν ασφαλτένια, ρητίνες, και άλλα ανεπιθύµητα συστατικά

14 Τα ακατέργαστα βασικά έλαια από τα περισσότερα αργά πετρέλαια περιέχουν συστατικά που έχουν τα ανεπιθύµητα χαρακτηριστικά για τα τελικά λιπαντικά έλαια. Αυτά τα συστατικά πρέπει να αφαιρεθούν ή να ανασυγκροτηθούν µε διεργασίες όπως εκχύλιση υγρού υγρού, κρυστάλλωση, εκλεκτική υδρογονοπυρόλυση, ή/και υδρογόνωση. Τα ανεπιθύµητα χαρακτηριστικά περιλαµβάνουν υψηλά σηµεία ροής, µεγάλες µεταβολές ιξώδους µε τη θερµοκρασία (χαµηλό VI), χαµηλή σταθερότητα σε οξείδωση, κακής ποιότητας χρώµα, υψηλά σηµεία θόλωσης, υψηλή οργανική οξύτητα, και υψηλές τάσεις σχηµατισµού κοκ και ιλύος. Οι διεργασίες που χρησιµοποιούνται για να αλλάξουν αυτά τα χαρακτηριστικά είναι: 1. Απασφάλτωση µε διαλύτη για τη µείωση της τάσης σχηµατισµού κοκ και ιλύος 2. Εκχύλιση µε διαλύτη και υδρογονοπυρόλυση για τη βελτίωση του δείκτη ιξώδους 3. Αποπαραφίνωση µε διαλύτη και εκλεκτική υδρογονοπυρόλυση για τη µείωση του σηµείου θόλωσης και του σηµείου ροής 4. Υδρογονοκατεργασία και κατεργασία µε γαίες για τη βελτίωση του χρώµατος και της σταθερότητας σε οξείδωση 5. Υδρογονοκατεργασία και κατεργασία µε γαίες για τη µείωση της οργανικής οξύτητας Αν και τα κύρια αποτελέσµατα των διεργασιών είναι όπως περιγράφονται ανωτέρω, υπάρχουν επίσης και δευτερεύουσες επιδράσεις. Παραδείγµατος χάριν, αν και ο κύριος στόχος της αποπαραφίνωσης µε διαλύτη είναι η µείωση του σηµείου θόλωσης και ροής των ελαίων, η αποπαραφίνωση µε διαλύτη, µειώνει επίσης ελαφρώς το VI του ελαίου. Για οικονοµικούς λόγους, καθώς επίσης και για λειτουργικούς λόγους, η ακολουθία των διεργασιών είναι συνήθως: εκχύλιση µε διαλύτη, αποπαραφίνωση, και τελική επεξεργασία. Εντούτοις, οι διεργασίες αποπαραφίνωσης και τελικής επεξεργασίας συχνά αντιστρέφονται. Γενικά, οι διεργασίες έχουν αυξηµένο κόστος και πολυπλοκότητα µε την ίδια σειρά Απασφάλτωση µε Προπάνιο Τα ελαφρύτερα κλάσµατα για την παραγωγή βασικών λιπαντικών ελαίων µπορούν να αποσταλούν άµεσα στις µονάδες εκχύλισης µε διαλύτη, αλλά για τα υπολείµµατα ατµοσφαιρικής απόσταξης και απόσταξης υπό κενό απαιτείται η αφαίρεση των ασφαλτενίων και των ρητινών πριν υποβληθούν στη διεργασία της εκχύλισης. Σε µερικές περιπτώσεις τα υψηλότερης περιοχής βρασµού αποστάγµατα µπορεί επίσης να περιέχουν σηµαντικές ποσότητες ασφαλτενίων και ρητινών ώστε να απαιτηθεί απασφάλτωση. Ως διαλύτης χρησιµοποιείται συνήθως προπάνιο αλλά µπορεί επίσης να χρησιµοποιηθεί µαζί µε αιθάνιο ή βουτάνιο προκειµένου να επιτευχθούν οι επιθυµητές ιδιότητες διαλύτη. Το προπάνιο έχει τις ασυνήθεις διαλυτικές ιδιότητες, δηλαδή σε θερµοκρασίες από 40 ως 60 C ()100 ως 140 F οι παραφίνες είναι πολύ διαλυτές στο προπάνιο, αλλά η διαλυτότητα µειώνεται µε αύξηση της θερµοκρασίας έως ότου στην κρίσιµη θερµοκρασία του προπανίου [96.8 C (206 F)] όλοι οι υδρογονάνθρακες γίνονται αδιάλυτοι. Στην περιοχή 40 ως 96.8 C (100 ως 206 F) οι υψηλού µοριακού βάρους ρητίνες και ασφαλτένια είναι κατά µεγάλο µέρος αδιάλυτα στο προπάνιο. Ο διαχωρισµός µε απόσταξη βασίζεται γενικά στο µοριακό βάρος των συστατικών, ενώ η εκχύλιση µε διαλύτη στη µορφή του µορίου. Η απασφάλτωση µε προπάνιο βρίσκεται µεταξύ αυτών των κατηγοριών επειδή ο διαχωρισµός είναι συνάρτηση και του µοριακού βάρους και της µοριακής δοµής. Η τροφοδοσία έρχεται σε επαφή µε 4 έως 8 όγκους υγρού προπανίου στην επιθυµητή

15 θερµοκρασία λειτουργίας. Η φάση του εκχυλίσµατος περιέχει από 15 σε 20% κ.β. έλαιο µε το υπόλοιπο να είναι ο διαλύτης. Όσο βαρύτερη είναι η τροφοδοσία, τόσο υψηλότερη είναι η απαιτούµενη αναλογία προπανίου/ελαίου. Η φάση του υπολείµµατος περιέχει 30 ως 50% κ.ό. προπάνιο, και δεν είναι ένα σύνηθες διάλυµα, αλλά ένα γαλάκτωµα καταβυθισµένου ασφαλτούχου υλικού σε προπάνιο. Όπως και στις περισσότερες άλλες διυλιστηριακές διεργασίες, το βασικό τµήµα της διεργασίας της εκχύλισης είναι σχετικά απλό, αποτελούµενο από µια κυλινδρική στήλη µε σιδερένια γωνιόσχηµα διαφράγµατα διευθετηµένα σε εναλλασσόµενες οριζόντιες σειρές ή περιέχουν διάτρητα διαφράγµατα που χρησιµοποιούν αντίρροπη ροή ελαίου και διαλύτη. Μερικές µονάδες χρησιµοποιούν για αυτόν το λόγο έναν επαφέα περιστρεφόµενων δίσκων (rotating disc contactor, RDC). Μια τυπική µονάδα απασφάλτωσης µε προπάνιο (Σχήµα 17.1) εγχέει το προπάνιο στο κάτω µέρος τη στήλης επεξεργασίας, και το υπόλειµµα κενού εισάγεται κοντά στην κορυφή της στήλης. Καθώς το προπάνιο ανέρχεται µέσω της στήλης, διαλύει το έλαιο από το υπόλειµµα και το µεταφέρει έξω, από την κορυφή της στήλης. Μεταξύ του σηµείου τροφοδοσίας του υπολείµµατος και της κορυφής του πύργου, σπείρες θέρµανσης αυξάνουν τη θερµοκρασία της φάσης εκχυλίσµατος προπανίου ελαίου µειώνοντας έτσι τη διαλυτότητα του ελαίου στο προπάνιο. Αυτό αναγκάζει µέρος του ελαίου να διαχωριστεί από τη φάση του εκχυλίσµατος και να δηµιουργήσει ένα ρεύµα αναρροής. Η αναρροή ρέει προς τα κάτω στη στήλη και αυξάνει την οξύτητα του διαχωρισµού µεταξύ της φάσης ελαίου του υπολείµµατος και της φάσης ασφαλτενίων και ρητινών. Η φάση ασφαλτενίων και ρητινών που εγκαταλείπει το κάτω µέρος της στήλης είναι το υπόλειµµα της διεργασίας, ενώ το µίγµα προπανίου ελαίου που λαµβάνεται από την κορυφή της στήλης είναι το εκχύλισµα. Το σύστηµα ανάκτησης διαλύτη της διεργασίας απασφάλτωσης µε προπάνιο, όπως σε όλες τις διεργασίες εκχύλισης µε διαλύτη, είναι πιο πολύπλοκο και δαπανηρό στη λειτουργία από το τµήµα επεξεργασίας. Για την ανάκτηση του προπανίου από το υπόλειµµα και το εκχύλισµα χρησιµοποιούνται είτε συστήµατα εκτόνωσης δύο σταδίων είτε συστήµατα σε υπερκρίσιµες συνθήκες. Στο σύστηµα εκτόνωσης, τα πρώτα στάδια λειτουργούν σε πιέσεις αρκετά υψηλές για να συµπυκνώσουν τους ατµούς προπανίου µε νερό ψύξης ως µέσο εναλλαγής θερµότητας. Στη στήλη εκτόνωσης υψηλής πίεσης του υπολείµµατος µπορεί να δηµιουργηθεί σοβαρό πρόβληµα λειτουργίας λόγω αφρισµού και παράσυρσης ασφάλτου. Για να ελαχιστοποιηθεί αυτό το πρόβληµα, η στήλη εκτόνωσης λειτουργεί σε περίπου 290 C (550 F) για να κρατήσει το ιξώδες της ασφάλτου σε εύλογα χαµηλό επίπεδο. Στο δεύτερο στάδιο απογυµνώνεται το υπόλοιπο προπάνιο από το υπόλειµµα και το εκχύλισµα σε σχεδόν ατµοσφαιρική πίεση. Το προπάνιο αυτό συµπιέζεται και συµπυκνώνεται πριν επιστρέψει στο δοχείο συλλογής προπανίου. Η στήλη απασφάλτωσης µε προπάνιο λειτουργείται σε πίεση αρκετά υψηλή για να διατηρήσει το διαλύτη στην υγρή φάση. Αυτή είναι συνήθως περίπου 3450 kpa (500 psi). Η άσφαλτος που ανακτάται από το υπόλειµµα µπορεί να αναµιχθεί µε άλλα ασφαλτούχα υλικά στο µαζούτ ή να χρησιµοποιηθεί ως τροφοδοσία µονάδων εξανθράκωσης. Το βαρύ έλαιο από το υπόλειµµα κενού ονοµάζεται διαυγές έλαιο (bright stock). Εϊναι ένα συστατικό υψηλού ιξώδους το οποίο µετά από επεξεργασία χρησιµοποιείται για την παρασκευή λιπαντικών βαρέος τύπου για ποικίλες εφαρµογές

16 Σχήµα 17.1 Απασφάλτωση µε προπάνιο

17 17.4 Βελτίωση είκτη Ιξώδους και Εκχύλιση µε ιαλύτες Υπάρχουν τρεις διαλύτες που χρησιµοποιούνται για την εκχύλιση αρωµατικών συστατικών από τα συστατικά παραγωγής βασικών ελαίων, και τα συστήµατα ανάκτησης διαλύτη είναι διαφορετικά, ανάλογα µε το διαλύτη. Οι διαλύτες αυτοί είναι η φουρφουράλη, η φαινόλη, και η ν µεθυλο 2 πυρρολιδόνη (NMP). Ο σκοπός της εκχύλισης µε διαλύτη είναι να βελτιωθεί ο δείκτης ιξώδους (VI), η αντίσταση στην οξείδωση, και το χρώµα των βασικών λιπαντικών ελαίων και να µειωθεί η τάση σχηµατισµού κοκ και ιλύος των λιπαντικών µε το διαχωρισµό του αρωµατικού µέρους από το παραφινικό και το ναφθενικό µέρος της τροφοδοσίας Εκχύλιση µε Φουρφουράλη Η διεργασία της µονάδας εκχύλισης µε φουρφουράλη είναι παρόµοια µε αυτήν της µονάδας απασφάλτωσης µε προπάνιο, εκτός από το τµήµα ανάκτησης διαλύτη, το οποίο είναι πιο σύνθετο. Το έλαιο τροφοδοσίας εισάγεται σε µια στήλη εκχύλισης συνεχούς λειτουργίας µε αντιρροή σε θερµοκρασία που είναι συνάρτηση του ιξώδους της τροφοδοσίας: όσο µεγαλύτερο είναι το ιξώδες, τόσο υψηλότερη η θερµοκρασία που χρησιµοποιείται. Η µονάδα εκχύλισης είναι συνήθως µια στήλη µε δακτυλιόσχηµο πληρωτικό υλικό ή περιστρεφόµενους δίσκους επαφής µε βαθµίδα θερµοκρασίας 30 ως 50 C (60 ως 90 F). Η θερµοκρασία στην κορυφή της στήλης είναι συνάρτηση της θερµοκρασίας ανάµιξης της φουρφουράλης και του ελαίου. Είναι συνήθως στην περιοχή 105 ως 150 C (220 ως 300 F). Η φάση ελαίου είναι η συνεχής φάση, και η διασπαρµένη στη φουρφουράλη φάση διέρχεται προς τα κάτω µέσω του ελαίου. Το εκχύλισµα ανακυκλώνεται σε αναλογία στις 0.5:1 για να βελτιώσει την απόδοση της εκχύλισης. Οι αναλογίες φουρφουράλη ελαίου κυµαίνονται από 2:1 για τα ελαφρά έλαια σε 4.5:1 για τα βαρέα έλαια. Οι απώλειες διαλύτη είναι κανονικά λιγότερο από 0.02% κ.β. των ρυθµών ροής υπολείµµατος και εκχυλίσµατος. Η φουρφουράλη οξειδώνεται εύκολα και στο σύστηµα διατηρούνται καλύµµατα αδρανούς αερίου για να µειώσουν την οξείδωση και τον πολυµερισµό. Μερικές φορές χρησιµοποιούνται πύργοι απαέρωσης για να αφαιρέσουν το διαλυµένο οξυγόνο από την τροφοδοσία. Η φουρφουράλη υφίσταται εύκολα θερµική αποσύνθεση και οι θερµοκρασίες επιφανείας του εξοπλισµού εναλλαγής θερµότητας που χρησιµοποιείται για να µεταφέρει θερµότητα στα ρεύµατα που περιέχουν φουρφουράλη πρέπει να ελέγχονται προσεκτικά για να αποτραπεί ο πολυµερισµός της φουρφουράλης και ο σχηµατισµός αποθέσεων στις επιφάνειες εναλλαγής θερµότητας. Η φουρφουράλη αφαιρείται από τα ρεύµατα υπολείµµατος και εκχυλίσµατος µε εκτόνωση και απογύµνωση µε ατµό. Η φουρφουράλη σχηµατίζει αζεότροπο µε το νερό και αυτό οδηγεί σε ένα µοναδικό σύστηµα ανάκτησης φουρφουράλης. Η φουρφουράλη καθαρίζεται στη στήλη φουρφουράλης µε την απόσταξη των ατµών του αζεοτρόπου νερού φουρφουράλης ως προϊόν κορυφής, που έπειτα από συµπύκνωση διαχωρίζεται σε στοιβάδα πλούσια σε νερό και στοιβάδα πλούσια σε φουρφουράλη. Η πλούσια σε φουρφουράλη στοιβάδα ανακυκλώνεται στη στήλη φουρφουράλης ως αναρροή και η φουρφουράλη από την πλούσια σε νερό στοιβάδα διαχωρίζεται από το νερό µε απογύµνωση µε ατµό. Οι ατµοί κορυφής, που αποτελούν το αζεότροπο, συµπυκνώνονται και επιστρέφουν στο διαχωριστή φουρφουράλης νερού. Το προϊόν πυθµένα από τη στήλη φουρφουράλης είναι το καθαρό ρεύµα φουρφουράλης, το οποίο αποστέλλεται στο δοχείο διαλύτη φουρφουράλης. Οι σηµαντικότερες µεταβλητές λειτουργίας της µονάδας ανάκτησης φουρφουρόλης είναι η αναλογία φουρφουράλης ελαίου (αναλογία F/O), η θερµοκρασία εκχύλισης, και η αναλογία ανακύκλωσης εκχυλίσµατος. Η αναλογία F/O έχει τη µέγιστη

18 επίδραση στην ποιότητα και την παραγωγή του υπολείµµατος, ενώ η θερµοκρασία επιλέγεται ως συνάρτηση του ιξώδους του ελαίου και της θερµοκρασίας ανάµιξης. Η αναλογία ανακύκλωσης εκχυλίσµατος καθορίζει ως ένα ορισµένο βαθµό το σηµείο απόρριψης για το έλαιο και την οξύτητα του διαχωρισµού µεταξύ των αρωµατικών συστατικών και των ναφθενίων και των παραφινών Εκχύλιση µε Φαινόλη Η ροή της διεργασίας για τη µονάδα εκχύλισης µε φαινόλη είναι κάπως παρόµοια µε αυτήν της µονάδας εκχύλισης µε φουρφουράλη αλλά διαφέρει σηµαντικά στο τµήµα ανάκτησης διαλύτη επειδή η φαινόλη ανακτάται ευκολότερα από τη φουρφουράλη. Η τροφοδοσία (απόσταγµα κενού ή απασφαλτωµένο έλαιο) εισάγεται κοντά στο κάτω µέρος της στήλης εκχύλισης και η φαινόλη εισάγεται κοντά στην κορυφή. Η πλούσια σε έλαιο φάση ανέρχεται µέσω της στήλης και η πλούσια σε φαινόλη φάση κατέρχεται στη στήλη. Για να υπάρξει αυξηµένη επαφή µεταξύ των δύο φάσεων χρησιµοποιούνται δίσκοι ή πληρωτικό υλικό. Μερικές από τις νεώτερες µονάδες εκχύλισης µε φαινόλη χρησιµοποιούν είτε περιστρεφόµενους δίσκους επαφής (RDC) είτε φυγοκεντρικούς εκχυλιστές για να φέρουν σε επαφή τις δύο φάσεις. Και οι εκχυλιστές RDC και οι φυγοκεντρικοί εκχυλιστές προσφέρουν το πλεονέκτηµα ότι οι απαιτούνται πολύ µικρότεροι όγκοι για τους διαχωρισµούς. εδοµένου ότι όλα τα διυλιστήρια παραγωγής λιπαντικών λειτουργούν σε βάση συγκεκριµένης λειτουργίας (δηλαδή µε δεδοµένη και µοναδική τροφοδοσία κάθε φορά), οι εγκαταστάσεις µικρότερου όγκου καθιστούν ευκολότερη την αλλαγή από µία τροφοδοσία σε άλλη µε την ελάχιστη δυνατή καθυστέρηση και µικρή απώλεια προϊόντος εκτός προδιαγραφών. Η στήλη εκχύλισης και ο εκχυλιστής RDC λειτουργούν µε µια βαθµίδα θερµοκρασίας που βελτιώνει το διαχωρισµό µε τη δηµιουργία εσωτερικής ανακυκλοφορίας. Η φαινόλη εισάγεται στη στήλη σε υψηλότερη θερµοκρασία από το έλαιο. Η θερµοκρασία της πλούσιας σε φαινόλη φάσης µειώνεται καθώς προχωρά προς τα κάτω στη στήλη και η διαλυτότητα του ελαίου σε αυτή τη φάση µειώνεται. Το έλαιο που βγαίνει από την πλούσια σε φαινόλη φάση αλλάζει κατεύθυνση και ανέρχεται προς την κορυφή ως αναρροή. Η θερµοκρασία στην κορυφή της στήλης διατηρείται κάτω από τη θερµοκρασία ανάµιξης του µίγµατος, και η θερµοκρασία πυθµένα της στήλης διατηρείται συνήθως 10 C (20 F) χαµηλότερα από τη θερµοκρασία κορυφής. Η φαινόλη θα διαλύσει µέρος από τις παραφίνες και τα ναφθένια καθώς επίσης και τα αρωµατικά. Το νερό ενεργεί ως συνδιαλύτης για να αυξήσει την εκλεκτικότητα της φαινόλης, και τυπικά προστίθεται από 3 έως 8% κ.ό. νερό στη φαινόλη. Μείωση της θερµοκρασίας εκχύλισης έχει παρόµοια αποτελέσµατα. Η παραγωγή υπολείµµατος αυξάνει µε αύξηση της περιεκτικότητας σε νερό και/ή µείωση της θερµοκρασίας. Οι σηµαντικότερες µεταβλητές της στήλης εκχύλισης είναι: Αναλογία φαινόλης/έλαιο Θερµοκρασία εκχύλισης Επί τοις εκατό νερό στη φαινόλη Οι αναλογίες φαινόλης/ελαίου κυµαίνονται από 1:1 έως 2.5:1 ανάλογα µε την ποιότητα και το ιξώδες της τροφοδοσίας και την επιθυµητή ποιότητα προϊόντος. Με την αύξηση της αναλογίας φαινόλης/ελαίου αυξάνει ο VI του προϊόντος και µειώνεται η απόδοση για δεδοµένη τροφοδοσία. Η φαινόλη ανακτάται από τα ρεύµατα εκχυλίσµατος και υπολείµµατος µε απόσταξη και απογύµνωση µε ατµό ή αέριο. Οι απώλειες φαινόλης κυµαίνονται από 0.02 ως 0.04% του ρυθµού ανακυκλοφορίας

19 Σχήµα 14.2 Μονάδα εκχύλισης µε NMP µε ανάκτηση διαλύτη µέσω απογύµνωσης µε ατµό

20 Εκχύλιση µε NMP Η διαδικασία εκχύλισης µε NMP χρησιµοποιεί τη ν µεθυλο πυρρολιδόνη ως διαλύτη για να αφαιρέσει συµπυκνωµένες αρωµατικές ουσίες και πολικά συστατικά από τα βασικά έλαια και τα διαυγή έλαια. Η διεργασία αυτή αναπτύχθηκε για να αντικαταστήσει τη διαδικασία εκχύλισης µε φαινόλη λόγω των προβληµάτων ασφάλειας, υγιεινής και περιβάλλοντος που συνδέονται µε τη χρήση της φαινόλης. Οι σηµαντικές διαφορές µεταξύ των χαρακτηριστικών της NMP και της φαινόλης καθιστούν απαραίτητη την τροποποίηση το σχεδιασµό των µονάδων εκχύλισης µε φαινόλη. Αυτές οι διαφορές περιλαµβάνουν υψηλότερο σηµείο βρασµού κατά 22 C (40 F) για την NMP, χαµηλότερο σηµείο τήξης κατά 64 C (115 F), πλήρη αναµιξιµότητα της NMP µε το νερό, όχι σχηµατισµό αζεοτρόπου της NMP µε το νερό, και χαµηλότερο ιξώδες κατά 69% ως προς τη φαινόλη στους 50 C (122 F). Ένα απλουστευµένο διάγραµµα ροής της διεργασίας, στο οποίο ο διαλύτης ανακτάται µε εκτόνωση και απογύµνωση µε ατµό σε πιέσεις πάνω από την ατµοσφαιρική παρουσιάζεται στο Σχήµα Ένα µέρος της τροφοδοσίας αποστάγµατος κενού ή απασφαλτωµένο έλαιο χρησιµοποιείται ως "φτωχό" έλαιο σε µια στήλη απορρόφησης για να αφαιρέσει την NMP από τον εξερχόµενο ατµό απογύµνωσης. Το "πλούσιο" έλαιο από τη στήλη απορρόφησης ενώνεται µε την υπόλοιπη τροφοδοσία, η οποία θερµαίνεται στην επιθυµητή θερµοκρασία πριν εισαχθεί κοντά στον πυθµένα της στήλης επεξεργασίας. Ο θερµός διαλύτης εισάγεται κοντά στην κορυφή της στήλης. Χρησιµοποιούνται ειδικά σχεδιασµένοι δίσκοι µε φράγµατα εναλλάξ για να αναµίξουν και να επαναναµίξουν ξανά τις πλούσιες σε NMP και πλούσιες σε έλαιο φάσεις καθώς διέρχονται µέσω της στήλης. Πίνακας 17.1 είκτες ιξώδους υδρογονανθράκων Υδρογονάνθρακες είκτης Ιξώδους κ Παραφίνες 175 ι Παραφίνες 155 Μονοναφθένια 142 ιναφθένια + 70 Αρωµατικά 50 Ο διαλύτης απογυµνώνεται από το υπόλειµµα και το εκχύλισµα µε απόσταξη και απογύµνωση µε ατµό. Η ανάκτηση της NMP είναι καλύτερη από την αντίστοιχη της φαινόλης και οι απώλειες NMP είναι µόνο το 20 ω2 50% αυτών της φαινόλης. Το χαµηλότερο ιξώδες της NMP δίνει τη δυνατότητα επεξεργασίας περισσότερης τροφοδοσίας για δεδοµένο µέγεθος στήλης. Αυτό σηµαίνει χαµηλότερο κόστος επένδυσης για εξ αρχής νέο διυλιστήριο και ως 25% µεγαλύτερη δυναµικότητα για διασκευασµένη µονάδα εκχύλισης µε φαινόλη. Οι αναλογίες διαλύτη/ελαίου για δεδοµένη τροφοδοσία και ποιότητα προϊόντος είναι οι ίδιες για εκχύλιση µε NMP ή µε φαινόλη, αλλά οι αποδόσεις σε υπόλειµµα είναι κατά 3 ως 5% υψηλότερες κατά την εκχύλιση µε NMP Βελτίωση είκτη Ιξώδους και Υδρογονοπυρόλυση Τα συστατικά των ορυκτελαίων που έχουν υψηλούς δείκτες ιξώδους οι κανονικές παραφίνες και οι ισοπαραφίνες (Πίνακας 17.1). Η υδρογονοπυρόλυση των gasoil κενού αυξάνει την περιεκτικότητα σε παραφίνες και το δείκτη ιξώδους ενός λιπαντικού ελαίου και παράγει αυξηµένες ποσότητες µονοναφθενίων και ισοπαραφινών καθώς αυξάνει η ένταση της υδρογονοπυρόλυσης. Η υδρογόνωση των

21 πολυαρωµατικών συστατικών σε πολυναφθενικά συστατικά, η διάσπαση των πολυναφθενικών δακτυλίων, και ο ισοµερισµός των κ παραφινών ευνοούνται από υψηλή µετατροπή, χαµηλή ταχύτητα χώρου αντιδραστήρα, και χαµηλή θερµοκρασία αντίδρασης Αποπαραφίνωση Όλα τα βασικά έλαια, εκτός από αυτά που προέρχονται από πολύ ναφθενικά αργά πετρέλαια, πρέπει να αποπαραφινωθούν, διαφορετικά δε θα µπορούν να ρέουν σωστά σε θερµοκρασίες περιβάλλοντος. Η αποπαραφίνωση είναι µια από τις σηµαντικότερες και δυσκολότερες διεργασίες κατά την παραγωγή των λιπαντικών. Υπάρχουν δύο τύποι διεργασιών σε χρήση σήµερα. Ο ένας χρησιµοποιεί ψύξη για να κρυσταλλώσει τις παραφίνες και διαλύτη για να διαλύσει αρκετά το µέρος του ελαίου ώστε να επιτρέψει µια γρήγορη διήθηση που θα διαχωρίσει τις παραφίνες από το έλαιο. Ο άλλος χρησιµοποιεί µια εκλεκτική διεργασία υδρογονοπυρόλυσης για να πυρολύσει τα µόρια των παραφινών σε ελαφρούς υδρογονάνθρακες Αποπαραφίνωση µε ιαλύτη ύο είναι οι κύριοι διαλύτες που χρησιµοποιούνται στις διεργασίες αποπαραφίνωσης µε διαλύτη: προπάνιο και κετόνες. Το µίγµα διχλωροαιθανίου µεθυλενίου χρησιµοποιείται επίσης σε µερικές περιπτώσεις. Οι διεργασίες µε κετόνες χρησιµοποιούν είτε ένα µίγµα µεθυλο αιθυλο κετόνης (MEK) µε µεθυλο ισοβουτυλο κετόνη (MIBK) είτε MEK µε το τολουόλιο. Οι διαλύτες ενεργούν ως διαλυτικό µέσο για τα µέρη του ελαίου υψηλού µοριακού βάρους για να µειώσουν το ιξώδες του µίγµατος και να παρέχουν ικανοποιητικό όγκο υγρού που θα επιτρέψει την άντληση και τη διήθηση. Η λειτουργία είναι παρόµοια και για τις δύο διεργασίες µε διαλύτες διαδικασίες, αλλά διαφέρουν στον εξοπλισµό που χρησιµοποιείται για την ψύξη και την ανάκτηση του διαλύτη. Περίπου 85% των εγκαταστάσεων αποπαραφίνωσης χρησιµοποιούν κετόνες ως διαλύτη και το υπόλοιπο 15% χρησιµοποιεί προπάνιο. Τα συγκριτικά πλεονεκτήµατα και τα µειονεκτήµατα των διεργασιών είναι: Προπάνιο 1. Άµεσα διαθέσιµο, λιγότερο δαπανηρό, και εύκολα ανακτήσιµο. 2. Μπορεί να υπάρξει άµεση ψύξη µε εξάτµιση του διαλύτη, µειώνοντας έτσι το κόστος επένδυσης και συντήρησης των ψυκτήρων αποξεόµενης επιφάνειας. 3. Μπορούν να επιτευχθούν υψηλοί ρυθµοί διήθησης λόγω του χαµηλού ιξώδους του σε πολύ χαµηλές θερµοκρασίες. 4. Αποµακρύνει τα ασφαλτένια και τις ρητίνες από την τροφοδοσία. 5. Μεγάλες διαφορές µεταξύ της θερµοκρασίας διήθησης και του σηµείου ροής των τελικών βασικών ελαίων [15 25 C (25 45 F)]. 6. Απαιτείται η χρήση υποβοηθητικού αποπαραφίνωσης. Κετόνες 1. Μικρές διαφορές µεταξύ της θερµοκρασίας διήθησης και του σηµείου ροής των τελικών βασικών ελαίων [5 10 C (9 18 F)]. a. υνατότητα επίτευξης χαµηλότερου σηµείου ροής b. Μεγαλύτερη ανάκτηση θερµότητας σε εναλλάκτες θερµότητας c. Λιγότερες απαιτήσεις σε ψύξη 2. Υψηλοί ρυθµοί ψύξης. Μπορεί να χρησιµοποιηθεί απότοµη ψύξη (shock chilling) για να βελτιώσει τις συνθήκες της διεργασίας. 3. Ικανοποιητικοί ρυθµοί διήθησης αλλά χαµηλότεροι σε σχέση µε αυτούς του προπανίου