高粘度減壓餾分油NM P 精制小試研究

李曉鷗, 張德寧, 李東勝, 翟玉春

(1.東北大學(xué),遼寧沈陽(yáng)110004;2.遼寧石油化工大學(xué),遼寧撫順113001)

高粘度減壓餾分油NM P 精制小試研究

李曉鷗1,2, 張德寧2, 李東勝1,2, 翟玉春1

(1.東北大學(xué),遼寧沈陽(yáng)110004;2.遼寧石油化工大學(xué),遼寧撫順113001)

以某煉廠高粘度潤(rùn)滑油餾分油為原料,進(jìn)行了NM P溶劑精制的小試研究。首先進(jìn)行單級(jí)抽提試驗(yàn),然后通過正交試驗(yàn)并借助數(shù)學(xué)手段,確定了NM P精制的適宜操作條件。在此基礎(chǔ)之上,進(jìn)行了NM P的假三段抽提試驗(yàn)及脫蠟試驗(yàn)。結(jié)果表明,無(wú)水抽提適宜操作條件為:抽提溫度87℃,劑油體積比為0.75,在相同條件下,NM P單級(jí)抽提精制油收率為90.1%,60℃折光率為1.464 5;NM P假三段抽提精制油60℃折光率為1.462 2,油收率為90%。含水體積分?jǐn)?shù)為1.5%的抽提適宜操作條件為:抽提溫度88.5℃,劑油體積比1.38,在相同條件下,NM P單級(jí)抽提精制油收率為87.7%,60℃折光率為1.463 1;NM P假三段抽提精制油60℃折光率為1.461 0,油收率為87%。由折光率的變化可知假三段試驗(yàn)的精制效果優(yōu)于單級(jí)抽提試驗(yàn)。

高粘度潤(rùn)滑油; NM P(N-甲基吡咯烷酮); 粘度指數(shù); 單級(jí)抽提; 假三段抽提

潤(rùn)滑油溶劑精制主要有糠醛、酚和N-甲基吡咯烷酮(簡(jiǎn)稱NM P)精制[1]。NM P溶劑具有比酚、糠醛溶解能力強(qiáng)、選擇性高、化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),并且其毒性小,被推薦為綠色溶劑[2]。在NM P被用作精制潤(rùn)滑油溶劑的十幾年里,國(guó)外就有大批苯酚精制和糠醛精制裝置換用了這一溶劑[3],新建裝置也大多采用了NM P溶劑。而我國(guó)目前潤(rùn)滑油溶劑精制中糠醛精制仍占主導(dǎo)地位,NM P精制工藝未能在我國(guó)推廣,主要受兩大因素制約[4],一是NM P裝置的腐蝕問題;二是NM P溶劑依賴進(jìn)口,價(jià)格昂貴。就NM P的價(jià)格來(lái)看,隨著產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和成本降低[5-7],其價(jià)格會(huì)不斷下降;就裝置的腐蝕問題來(lái)說(shuō),通過加深對(duì)腐蝕原因的認(rèn)識(shí),采取相應(yīng)的措施,現(xiàn)在NM P裝置的腐蝕問題已經(jīng)得到解決[8-9]。由此可見,NM P精制潤(rùn)滑油在我國(guó)有著非常廣泛的應(yīng)用前景。因此,為了使NM P精制工藝能夠在我國(guó)順利地推廣,需要對(duì)不同的原油及餾分油的溶劑精制進(jìn)行研究。本文評(píng)價(jià)了NM P溶劑對(duì)高粘度減壓餾分油精制過程的使用效果,為中試及工業(yè)化生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

某煉廠高粘度潤(rùn)滑油餾分油,其性質(zhì)見表1。

表1 減五線餾分油性質(zhì)Table 1 The properties of VGO NO.5

1.2 溶 劑

NM P由南京金龍化工公司生產(chǎn),該溶劑為工業(yè)級(jí),純度不小于99.5%,20℃密度為1 029 kg/m3,10℃密度為1 036 kg/m3,常壓下沸點(diǎn)為202℃。

1.3 試驗(yàn)方案

以某煉廠高粘度潤(rùn)滑油餾分油為原料、NM P為溶劑,用正交試驗(yàn)法進(jìn)行單級(jí)抽提試驗(yàn),考察了劑油體積比、溶劑含水量及抽提溫度等影響因素。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,用數(shù)學(xué)方法確定出NM P單級(jí)抽提的最優(yōu)操作條件。根據(jù)單級(jí)抽提試驗(yàn)結(jié)果,確定適宜假三段抽提操作條件并進(jìn)行假三段試驗(yàn)。

1.4 單級(jí)抽提實(shí)驗(yàn)

單級(jí)實(shí)驗(yàn)方法如圖1所示。

Fig.1 Single stage experimentmethod圖1 單級(jí)試驗(yàn)方法

1.5 假三段實(shí)驗(yàn)

假三段實(shí)驗(yàn)是采用多段逆流抽提的原理,每段中都包括混合和分離兩種過程,且每次的混合與分離都與單級(jí)抽提原理相同[10]。根據(jù)單級(jí)抽提試驗(yàn)結(jié)果,用其所確定的適宜精制條件作為上段操作條件,中段及下段操作溫度適當(dāng)降低。每一三段抽提后,檢驗(yàn)精制油的質(zhì)量,當(dāng)精制油的質(zhì)量穩(wěn)定不變后,試驗(yàn)完成。該方法相當(dāng)于三個(gè)理論平衡級(jí)的抽提塔。其原理如圖2所示。

1.6 實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

(1)粘度:GB 265-88;

(2)粘度指數(shù):GB 1995-88;

(3)比色:GB 6540-86;

(4)閃點(diǎn)(開口杯法):GB 267-88;

(5)凝點(diǎn):GB 510-83;

(6)餾程:GB 9168-88。

Fig.2 Extraction principles of simulate three-stage extraction圖2 假三段萃取原理

2 結(jié)果與討論

2.1 NM P單級(jí)抽提實(shí)驗(yàn)

該試驗(yàn)主要考察劑油體積比、抽提溫度和溶劑含水量對(duì)抽提結(jié)果的影響。試驗(yàn)方案按正交設(shè)計(jì)三因素三水平的形式擬定,其中三水平的選取參考餾分油臨界溶解溫度曲線[11]。試驗(yàn)條件及結(jié)果如表2,3所示。

由表3可以看出,高粘度潤(rùn)滑油餾分油NM P精制過程中,對(duì)油收率影響:劑油體積比＞精制溫度＞溶劑含水量;對(duì)折光率的影響:劑油體積比＞含水量＞精制溫度;對(duì)粘度指數(shù)影響:劑油體積比＞溶劑含水量＞精制溫度。

表2 NMP單級(jí)抽提試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The experimental results of NMPanhydrous single-stage extraction

表3 NM P抽提餾分油各因素各水平的極差Table 3 The range in every factor and level about NMPextracting VGO

2.2 NM P單級(jí)無(wú)水抽提實(shí)驗(yàn)操作條件的確定

NM P單級(jí)無(wú)水抽提根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果采用多元二次回歸方程式對(duì)精制油收率及質(zhì)量與操作因素的關(guān)系進(jìn)行回歸,回歸公式為:

V I=302.073 055 6-0.711 666 7t+0.019 233 3t2+2.876 666 7S+1.533 333 3S2+1.79w-1.466 666 6w2

Y=-97.221 805 6+4.724 333 3t-0.027 583 3t2-22.003 333S+3.956 666 7S2+0.615 0w+1.841 666 7w2

nd=1.492 045 8-0.000 486 7t+0.000 002 5t2-0.005 6S+0.000 9S2+0.000 183 3w+0.000 15w2

其中:V I—粘度指數(shù);Y—精制油收率,%;nd—60℃精制油折光率;t—溫度,℃;S—?jiǎng)┯腕w積比;w—含水質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。

以精制油收率最大為目標(biāo)函數(shù),確定約束條件為粘度指數(shù)不小于127,折光率不大于1.465 0,其它操作條件在試驗(yàn)范圍內(nèi),運(yùn)用罰函數(shù)法進(jìn)行優(yōu)化求解。

由此計(jì)算出來(lái)的劑油體積比為0.75,抽提溫度87℃。在該條件下進(jìn)行單級(jí)抽提驗(yàn)證試驗(yàn),計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4 最優(yōu)條件的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Table 4 The comparison between optimal conditions of calculation and experimental value

由表4可見,除粘度指數(shù)誤差較大外,其它誤差都較小。因此在試驗(yàn)所選的操作條件范圍內(nèi),NM P無(wú)水抽提試驗(yàn)適宜操作條件為:劑油體積比0.75,抽提溫度87℃。在此操作條件下,精制油的收率為90.1%,60℃折光率為1.464 5。在-20℃對(duì)精制油進(jìn)行脫蠟,測(cè)得粘度指數(shù)90,傾點(diǎn)-12.2℃。

2.3 NM P含水單級(jí)抽提實(shí)驗(yàn)操作條件的確定

由于NM P精制過程中,溶劑回收系統(tǒng)的限制,回收的NM P溶劑中一定含有水。因此,實(shí)驗(yàn)在溫度88.5℃,劑油體積比1.4的條件下,考察了含水量對(duì)精制油質(zhì)量和收率的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可見,隨含水量增加,折光率增大,即精制油質(zhì)量下降,并且其下降幅度逐漸增大,隨含水量的增加,精制油收率提高,并且其提高的幅度逐漸減小,綜合含水量對(duì)精制油質(zhì)量和收率兩方面的影響,在精制過程中,NM P中含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不超過2.5%。

Fig.3 Influence of mass fraction of water on the VGO refractive index and yield圖3 含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)精制油折光率和收率的影響

由于NM P無(wú)水單級(jí)抽提適宜操作條件下的精制油脫蠟后粘度指數(shù)僅為90,為了生產(chǎn)高粘度指數(shù)的潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油,將NM P含水單級(jí)抽提的精制深度加大,要求精制油的折光率不大于1.463 5,由圖3可見,當(dāng)劑油體積比為1.4,抽提溫度88.5℃,NM P含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí),精制油的60℃折光率為1.463 1,收率為87.7%,符合本實(shí)驗(yàn)的要求,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行假三段實(shí)驗(yàn)。

2.4 NM P假三段抽提試驗(yàn)

在單級(jí)抽提基礎(chǔ)之上,進(jìn)行了NM P含水和不含水的假三段抽提試驗(yàn),假三段試驗(yàn)具體操作條件見表5。

表5 NM P抽提假三段試驗(yàn)操作條件Table 5 Operating conditions of NM P anhydrous simulate-three-stage extraction

在以上操作條件下,NM P無(wú)水假三段抽提試驗(yàn)結(jié)果為:精制油60℃折光率為1.462 2,油收率為90%。在-18℃對(duì)所得到的精制油進(jìn)行脫蠟,測(cè)得粘度指數(shù)95,傾點(diǎn)-9℃;NM P含水假三段抽提實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:精制油60℃折光率為1.461 0,油收率為87%。在-18℃對(duì)所得到的精制油進(jìn)行脫蠟,測(cè)得粘度指數(shù)98,傾點(diǎn)-11℃。

2.5 NM P單級(jí)抽提試驗(yàn)與假三段試驗(yàn)對(duì)比

NM P單級(jí)抽提與假三段抽提試驗(yàn)適宜操作條件與結(jié)果如表6所示。

由表6中折光率的變化可見,在無(wú)水和含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的條件下,單級(jí)抽提與假三段試驗(yàn)所得精制油的折光率之差分別為0.002 3和0.002 1。參考表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù),兩個(gè)精制油的粘度指數(shù)相差應(yīng)接近10個(gè)單位。所以假三段試驗(yàn)的精制效果均優(yōu)于單級(jí)抽提試驗(yàn)。從而驗(yàn)證了假三段的精制深度遠(yuǎn)高于單級(jí)抽提的精制深度。

表6 NM P單級(jí)抽提試驗(yàn)與假三段試驗(yàn)對(duì)比Table 6 The comparison between NM Panhydrous single-stage extraction and simulate-three-stage extraction

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(Ed.:YYL,Z)

Labo ratory Trail Study on NM P Refining of High-Viscosity VGO

L IXiao-ou1,2,ZHANGDe-ning2,L IDong-sheng1,2,ZHA I Yu-chun1
(1.N ortheastern University,Shenyang L iaoning110004,P.R.China;2.L iaoning Shihua University,Fushun L iaoning113001,P.R.China)

Single stage refining of high-viscosity lubricating oil using N-methyl-2-pyrrolidone(NM P)was carried out.The suitable operating conditions of the NM P refining were determined by orthogonal test and mathematical ways.On this basis,a simulate-three-stage extraction and dewaxing tests of NM P were done.The results show that the operation conditions of NM P anhydrous extraction are as follow s:extracting temperature 87℃,the volume ratio of solvent to oil is 0.75.Under same conditions,NM P anhydrous single-stage extraction are as follow s:the yield of refined oil is 90.1%,the refractive index is1.464 5 at 60℃.NM Panhydrous simulate-three-stage extraction are as follow s:the yield of refined oil is 90%,the refractive index is 1.462 2 at 60℃.Volume fraction of water 1.5%of extraction suitable operating conditions are as follow s:extracting temperature 88.5℃,the volume ratio of solvent to oil is 1.38.Under same conditions,NM P single-stage extraction are as follow s:the yield of refined oil is 87.7%,the refractive index is 1.463 1;NM P simulate-three-stage extraction are as follow s:the yield of refined oil is87%,the refractive index is1.461 0 at 60℃.From refractive index changes to know that the effect of simulate-three-stage test is better than single-stage extraction test.

High-viscosity lubricating oil;NM P(N-methyl pyrrolidone);Viscosity index;Single-stage extraction;Simulate-three-stage extraction

.Tel.:+86-13898309829;e-mail:lxo8823562@163.com

TE624.512

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.014

2010-12-20

李曉鷗(1964-),女,吉林磐石市,教授,在讀博士。

1006-396X(2011)02-0054-04

Received20December2010;revised4M arch2010;accepted11M arch2010