Л. 8 Методы разделения и концентрирования компонентов нефти. Абсорбция, адсорбция и экстракция. Термодиффузия и диффузия через мембраны. Методы разделения нефти по группам веществ. Химические методы выделения веществ.
Явление диффузии и его использование в нефтяном анализе.
Диффузия – перенос вещества, как результат выравнивания его концентрации в первоначально неоднородных системах. Диффузия происходит вследствие теплового движения атомов и молекул. В результате диффузии происходит самопроизвольное взаимное проникновение друг в друга соприкасающихся веществ.

Мерой оценки величины (интенсивности) диффузии является диффузионный поток.

Количество вещества, переходящее в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса, называется диффузионным потоком.

Если в системе имеется градиент концентрации некоторого вещества в направлении х

dc/dx ,

то диффузионный поток I определяется соотношением, называемым первым законом Фика:

I = -Ddc/dx ,

где D – коэффициент диффузии. Минус указывает на направление потока от больших концентраций к меньшим. Величина коэффициета D зависит от массы и размера диффундирующих молекул, от состава системы, от температуры и давления и практически не зависит от концентрации.

Если в системе происходит выравнивание концентраций n-компонентов, диффузионный поток каждого зависит от градиента концентраций всех остальных компонентов.

Наиболее интенсивна диффузия в газах (D

10^-4 м²\с). В жидкостях D 10^-9 м²\с, в твердых телах D 10^-12 м²\с диффузия гораздо слабее.

Явление диффузии эффективно используется при разделении компонентов нефти или газа.

Наиболее развита техника разделения диффузией через мембраны и термодиффузия.
Диффузия через мембраны.

Мембраны – непористые полимерные перегородки, через которые УВ способны диффундировать.

Разделение на мембранах основано на различии форм и размеров разделяющихся молекул, а также на их растворимости в материале мембраны.

Перенос вещества через непористые мембраны включает стадии сорбции, диффузии и десорбции с противоположной стороны мембраны.

---

Скорость переноса определяется самой медленной стадией процесса – диффузией и выражается первым законом Фика (см рис.), где С1 и С2 – концентрации компонента на граничных поверхностях мембраны.

Обычно диффузией через мембраны разделяют газовые смеси. Для газовых смесей закон Фика принимает немного другую форму, так как для газов выполняется закон Генри С = σP :
I = Dσ(P2 – P1)/L, ,

где, σ – коэффициент растворимости газа в материале мембраны
Высокой проницаемостью через мембраны обладают молекулы с малым поперечным сечением и хорошо растворимые в материале мембраны.

Мембранные процессы применяют для:

- выделения водорода из водородсодержащих газов

- для удаления H₂S, СО₂ из горючих газов
Основное препятствие для широкого использования мембран – малый срок службы в агрессивных средах и низкая селективность процесса разделения. Имеющиеся на сегодня полимеры способны концентрировать вещества, но полного отделения пока не удается достичь. Перспективы в этой области зависят от синтеза полимеров для более высокоселективных и стабильных мембран.
Термодиффузия.

Явление термодиффузии было открыто Людвигом К. в 1856 г. и состоит в том, что если к смеси, состоящей из нескольких компонентов, приложить температурный градиент, возникает градиент концентраций.

Полноценной теории термодиффузионного процесса не существует. Эмпирически (из эксперимента) установлено, вблизи холодной стенки сосуда концентрируются: 1)углеводороды более высокомолекулярные и более высококипящие; 2) с наименьшим молярным объемом, то есть более компактные молекулы.
Термодиффузионный аппарат представляет собой два цилиндра, вставленных друг в друга с зазором между ними 0,25-3,0 мм. Разделяемая смесь помещается в пространство между цилиндрами, один из которых нагревают, другой – охлаждают.


Молекулы одних веществ перемещаются к холодной стенке и в результате конвекции опускаются вниз, а молекулы других направляются к горячей стенке и концентрируются в верхней части колонки.

Термодиффузия не отделяет насыщенные УВ от ароматических, нет деления также по молекулярной массе. Основной фактор деления – это плотность молекул и молекулярный объем.

Существенное влияние на термодиффузионное разделение оказывает вязкость компонентов. Чем

---

менее вязкий образец, тем легче дифференцируются вещества, быстрее устанавливается равновесие.

На эффективность разделения влияют также 1. параметры процесса и 2. конструкция аппарата:

1. 
   температурный градиент, длительность процесса, концентрация компонентов
   
2. 
   зазор, длина рабочего пространства
   

Раньше термодиффузионные планировалось использовать в промышленности для разделения алканов и циклоалканов, но из-за малой производительности колонн в настоящее время практически не используются.

В ИХН в Томске имеется и используется для исследовательских целей при изучении смолистых компонентов нефти и тяжелых углеводородов.
Сорбционные процессы разделения компонентов нефти.
Для разделения сложных смесей веществ по групповому признаку применяют ряд методов селективных к группам веществ, такие как экстракция и адсорбция.

Общим для этих методов является то, что используются селективные растворители или твердые вещества, у которых энергия взаимодействия с разделяемыми веществами различна.
Как происходит процесс сорбции в статических условиях?

Предположим, что в замкнутом сосуде находится некоторое количество сорбента и растворитель. Если внести в систему растворимый в растворителе сорбат, так чтобы концентрация была С₀, то начнется уменьшение этой концентрации за счет поглощения сорбата из раствора сорбентом. Через некоторое время изменение концентрации прекратится и установится сорбционное равновесие концентрации сорбата в растворе С и концентрации его на сорбенте С_с. В области малых концентраций (абсолютные растворы) это соотношение имеет линейный вид и описывается законом Генри:

С_с = КС

Концентрации С и С_с при этом выражают в мг/см³ или мкмоль/см³. Тогда коэффициент Генри (коэффициент распределения) безразмерная величина и зависит от природы сорбента, сорбата, растворителя и температуры.

Закон Генри выполняется только для истинных растворов. При высоких концентрациях молекулы сорбата начинают взаимодействовать не только с растворителем и адсорбентом, но и друг с другом. И уравнение С_с = КС принимает нелинейную форму С_с = f(С), вид которой устанавливают из специальных экспериментов.

Процесс адсорбции – это всегда динамический процесс. Когда мы говорим, что установилось сорбционное равновесие

---

, это не значит, что часть молекул всегда находится в газовой или жидкой фазе, а часть в сорбированном состоянии. На деле между сорбированными и «свободными» молекулами все время происходит обмен. То есть молекулы часть времени t_a находятся в сорбированном, а часть t_d – в свободном состоянии. Чем больше t_a, тем сильнее сорбция. Отношение этих величин пропорционально концентрации сорбата в объеме системы:
t_a/t_d = Масса сорбата на сорбенте в 1 см³ слоя\Масса сорбата в растворе в 1 см³ слоя
Здеси именно количество вещества в 1 см³ слоя, а не равновесные концентрации С_с и С.
Это отношение есть частный коэффициент Генри, который индивидуален для каждого вещества и позволяет оценить его сорбционную активность.
Сорбция – поглощение газов, паров или растворенных веществ твердыми или жидкими поглотителями. Поглощаемые вещества - сорбаты, а поглотители – сорбенты.

Если сорбат поглощается всем объемом сорбента, то процесс называется абсорбцией, а поглотитель – абсорбент. Если сорбат концентрируется на поверхности поглотителя, то процесс называется адсорбцией, а поглотитель – адсорбент.

Адсорбенты чаще всего твердые тела – силикагели, алюмогели, молекулярные сита (цеолиты), активные угли, пористые полимеры.

Абсорбенты – жидкости или газы.

Рассмотрим природу сорбционных сил.

Силы взаимодействия между сорбатом и сорбентом можно назвать физическими или ван-дер-ваальсовыми. Это те же силы, которые проявляются в жидкостях, удерживая их молекулы друг возле друга или в некоторых твердых, так называемых молекулярных кристаллах, например твердой углекислоте.

Силы взаимодействия в сорбции сводятся к:

- ориентационным

- индукционным

- дисперсионным и

- специфическим.
Ориентационное взаимодействие.

Атомы – электронейтральные частицы и не обладают дипольным моментом, так как центры их положительных и отрицательных зарядов совпадают. В некоторых молекулах, составленых из разных атомов всегда имеется постоянный дипольный момент, то есть центры их положительных и отрицательных зарядов смещены друг относительно друга, хотя в целом молекула электронейтральна. Такие молекулы называют полярными.


При растворении полярных сорбатов в полярных абсорбентах противоположно заряженные концы диполей ориентируются за счет электростатических сил друг относительно друга, что и является ориентационным взаимодействием.

---

Рассматривая ориетационное взаимодействие становится понятным классическое правило химии подобное растворяется в подобном.

Некоторые адсорбенты несут на поверхности локально сконцентрированный заряд. Взаимодействие такого локально сконцентрированного заряда с одним из концов диполя также приводит к ориентационному эффекту (см. рис.).
Индукционное взаимодействие.

Некоторые неполярные молекулы под влиянием дипольных моментов абсорбента или локальных зарядов адсорбента способны деформироваться с образованием наведенного дипольного момента. Взаимодействие наведенного диполя с полярной молекулой называют индукционным. Оно составляет 5-7 % от общей энергии взаимодействия и вносит определенный вклад в адсорбционное (хроматографическое) разделение.
Дисперсионное взаимодействие наиболее универсальное. Оно проявляется как между полярными так и неполярными молекулами.

При вращении электрона вокруг атома, в в какойто момент времени положение электрона оказывается смещенным по отношению к протону и весь атом приобретает мгновенный дипольный момент. При сближении атомов возникает синхронизация в движении электронов и мгновенные диполи начинают взаимодействовать.

Дисперсионное взаимодействие является главным при растворении или адсорбции неполярных веществ на неполярных сорбентах (углеродные сорбенты).
Специфические взаимодействия.

К специфическим относят донорно-акцепторные (координационные) взаимодействия и как частный случай таких взаимодействий - водородную связь.

Такое взаимодействие возникает когда электронная пара с полностью заполненной орбитали атома-донора передается на вакантную орбиталь атома акцептора. При этом образуется общая связывающая молекулярная орбиталь.

Образующаяся координационная связь очень похожа на ковалентную, отличие только в том, что в ковалентная связь образуется из неспаренных электронов обоих атомов, а в координационной – электронная пара поставляется одним атомом – лигандом.

Например, если водород образует химическую связь с электроотрицательными атомами фтора, кислорода, азота, то электроны оттягиваются от водорода так сильно, что его орбитали практически пустеют

---

Смотрите также файлы

• Управление логистикой на малых.docx

• 1 этап преднаркомания. Пробование.docx

• Салдарлы иммунитет тапшылыы жадайлары, жіктелуі, этиологиясы, зертханалы диагностикасы. Житс иммунды патогенезі мен иммунды диагностикасы.docx

• Курсовой проект Вариант 43101 по дисциплине механика 2 Исполнитель.docx

• Вклеткахнепрерывноидутпроцессы.docx