Лабораторная работа №2. Депарафинизация керосиновой фракции методом экстрактивной кристаллизации

Теоретическая часть

Экстрактивная кристаллизация с мочевиной используется для депарафинизации нефтяных фракций с целью понижения температуры их застывания, для повышения цетанового числа дизельных топлив или октанового числа бензинов прямой гонки.

Выделенные при депарафинизации алканы нормального строения находят широкое применение в качестве сырья для синтеза различных органических продуктов методами окисления, сульфоокисления, хлорирования и т.д.

Парафиновые углеводороды нормального строения образуют с мочевиной (карбамидом) кристаллические продукты присоединения (комплексы, аддукты), в то время как углеводороды других типов таких комплексов не образуют. Присутствие функциональных групп в парафиновых цепях нормального строения не препятствуют способности этих соединений к образованию продуктов присоединения; при этом важно лишь, чтобы алкильный остаток, связанный с функциональной группой, имел нормальное строение. Вследствие этого способность к образованию продуктов присоединения обнаруживают также карбоновые кислоты, сложные эфиры, галоидные соединения, кетоны, спирты и др.

В комплексах молекулы мочевины располагаются в виде спирали за счёт водородных связей между кислородом и аминогруппами соседних молекул. В результате этого образуется канал, в котором располагается молекула вещества, образующего комплекс. Комплекс образуют только те молекулы, поперечные размеры которых меньше поперечных размеров канала (5.25 ангстрем). Поперечное сечение молекул н-алканов составляет около 4.2 ангстрем, поэтому они хорошо вписываются в канал и удерживаются в нём за счёт сил Ван-дер-Ваальса. Комплексы мочевины с нормальными парафинами кристаллизуются в виде гексагональных призм.

Комплекс с карбамидом могут образовывать и длинноцепные углеводороды с циклическими структурами. Алкилзамещённые циклические углеводороды способны образовывать комплекс с карбамидом при наличии в них алкильной цепи из 20-25 и более углерода. Следовательно, для образования комплекса важны не только химическая природа, а конфигурация и размеры молекул углеводородов.

Процесс комплексообразования обратим: образующийся комплекс при нагревании распадается:

C_nH_2n+2 + 0.7nH₂NC(O)NH₂ → C_nH_2n+2 ∙ 0.7nH₂NC(O)NH₂ + 6.7n кДж

 

Необходимым условием процесса комплексообразования является наличие в системе активатора, облегчающего и ускоряющего образование комплекса. В качестве активаторов процесса наибольшее распространение получили вода, спирты (метиловый, этиловый, изопропиловый) и кетоны (ацетон, метилэтилкетон). Активатор, являясь полярным веществом, способствует гомогенизации среды, ослабляет связи парафиновых углеводородов с другими компонентами сырья, способствует перестройке кристаллической структуры карбамида из тетрагональной в гексагональную, повышая тем самым его активность. Для понижения вязкости масляного сырья в процессе применяют растворители (бензол, бензин, дихлорэтан). Часто функцию растворителя выполняют вещества, являющиеся одновременно активаторами процесса, - высшие кетоны и спирты.

Для выделения из углеводородной смеси парафиновых углеводородов нормального строения требуется высокая концентрация мочевины и низкая температура. Для осаждения из нефтей и нефтяных фракций комплексов мочевины с парафиновыми углеводородами углеводородное сырьё разбавляют метанолом или метилизобутилкетоном и энергично перемешивают этот раствор с концентрированным (насыщенным при высокой температуре) раствором мочевины. При этом происходит быстрое взаимодействие мочевины с нормальными парафинами, образуется комплекс, который при нагревании с водой разлагается с выделением свободного углеводорода в виде органической фазы.

Практическая часть.

Цель работы - изучить процесс выделения парафинов нормального строения из нефтяных фракций методом экстрактивной кристаллизации.

Задачи работы – выделить экспериментально из керосиновой фракции н-парафины методом экстрактивной кристаллизации с карбамидом.

Реактивы: керосиновая фракция, карбамид, спирт этиловый,

Посуда и приборы: стакан или коническая колба (200мл), воронка Бюхнера, колба Бунзена, водоструйный насос, весы, термостат или водяная баня, плоскодонная колба (250мл), магнитная мешалка, воронка делительная (250мл).

Выполнение работы

В плоскодонную колбу на 250мл поместить 100г воды, довести температуру воды до 65⁰C (используется термостат), постепенно загружая в колбу навески карбамида приготовить насыщенный раствор.

В стакан или коническую колбу поместить при комнатной температуре 50г керосина и 10г этанола, затем постепенно прилить 60мл насыщенного водного раствора карбамида. Смесь перемешать в течение 30 минут на магнитной мешалке при комнатной температуре, затем выпавший комплекс отфильтровать на воронке Бюхнера. Фильтрат перенести в делительную воронку и взболтать с водой, через 1,5 – 2 часа углеводородный слой отделить и взвесить. Осадок (кристаллический комплекс) промыть 5мл холодного гексана, отжать на фильтре и оставить на фильтровальной бумаге в вытяжном шкафу до исчезновения запаха гексана. Досушить комплекс в сушильном шкафу при 50⁰С. Высушенный комплекс взвесить. Далее этот осадок перенести в плоскодонную колбу и добавить при перемешивании 200мл горячей (~90⁰С) воды. Реакционную смесь поместить в делительную воронку, после отстаивания отделить углеводороды (верхний слой), взвесить их, сушить хлористым кальцием, отфильтровать и снова взвесить.

Составить материальные балансы стадий комплексообразования и разложения комплекса. Результаты свести в таблицы 6 и 7.

 

Таблица 6

Материальный баланс стадии комплексообразования

Приход	Расход
Продукты	Масса, г	%, (масс)	Продукты	Масса, г	%, (масс)
Керосин			Комплекс
Спирт			Фильтрат
Карбамид			Потери
Итого:			Итого:

 

Таблица 7