Адсорбция

 

Выделение некоторых классов соединений, присутствующих в нефтях и нефтепродуктах, осуществляется с большей избиратель­ностью на адсорбентах, чем с помощью селективных растворите­лей. Структура твердых адсорбентов позволяет локализовать и ориентировать на поверхности более интенсивные силовые поля, что возможно в растворах с полярными растворителями.

Алкены, например, несколько лучше растворяются в селектив­ных растворителях, чем алканы с той же молекулярной массой, что создает принципиальную возможность их разделения экстракцией. Однако растворимость углеводородов в полярных раст­ворителях снижается в гомологических рядах с увеличением молекулярной массы. Поэтому в смесях широкого фракционного состава растворимости алкенов и алканов взаимно перекрываются, и разделить эти соединения экстракцией практически невозможно. Использование же адсорбционного метода позволяет решить эту задачу.

Для разделения нефтяных фракций на группы соединений в качестве адсорбентов используются силикагель, активная окись алюминия, активные угли.

Силикагели — неорганические высокомолекулярные соединения переменного состава, молекулы которых содержат кремнекислородный каркас с рядом гидроксильных групп. Выпускаются си­ликагели различных марок. Первая буква в марке обозначает форму и размер зерен, третья — преобладающий размер пор, на­пример: КСМ — крупнозернистый силикагель мелкопористый. Кро­ме того, выпускаются мелкопористые силикагели ШСМ и МСМ, а также крупнопористые — КСК, ШСК, МСК. Выбор марки силикагеля зависит от размера молекул адсорбируемых компонентов. Например, для разделения и анализа керосиновых и масляных фракций используются крупнопористые силикагели, для осушки углеводородов — мелкопористые.

Адсорбируемость на полярных адсорбентах (силикагеле, γ-Al2O3 и др.) тем выше, чем больше дипольный момент или диэлектриче­ская постоянная вещества. Активные центры поверхности силикагеля специфически взаимодействуют с гетероатомными компо­нентами нефтяных фракций, а также с аренами, которые сорбиру­ются значительно лучше, чем алканы и циклоалканы. Адсорбцией на силикагеле можно также разделять моно-, би- и трициклические арены.

Окись алюминия в γ-форме, получающаяся при нагревании гид­роокиси и солей алюминия до 600–900°С, селективно сорбирует алкены, что позволяет отделять их от алканов.

Активные угли как неполярные адсорбенты используют глав­ным образом для анализа газовых смесей, а также для более тон­ких разделений, например выделения алкано-циклоалканов из мас­ляных фракций. Адсорбируемость на неполярных адсорбентах, неcпецифически взаимодействующих с разделяемыми компонентами, тем выше, чем больше поляризуемость соединений.

Однако рассмотренные выше адсорбенты не обладают упоря­доченной кристаллической структурой и характеризуются неодно­родной пористостью. Распределение пор по диаметрам у этих ад­сорбентов может быть как узким (2–5 мм), так и очень широким, как, например, у активных углей (от 2 до нескольких сот наномет­ров). Поры таких адсорбентов доступны для веществ, молекулы которых значительно различаются по объемам и форме.

В то же время существует группа адсорбентов, называемых цеолитами, которые имеют однородные поры и не способны адсорбировать молекулы, размер которых больше диаметра пор. Исходя из этих свойств, цеолиты часто называют молекулярными ситами. Название же «цеолит», в переводе с греческого означающее «кипящий камень», было дано еще в XVIII в. в связи со спо­собностью природных цеолитов вспучиваться при нагревании в результате выделения воды из кристаллогидрата. Избирательная адсорбция некоторых веществ с критическим размером молекул не более 0,5 нм была установлена в 1925 г. для одного из природ­ных цеолитов — шабазита. В 1948 г. были получены первые синте­тические цеолиты.

Цеолиты являются кристаллогидратами алюмосиликатов, име­ющими следующий состав: M2/nO*Al2O3*xSiO2*yH2O, где n — ва­лентность катиона, х ≥ 2. В качестве катионов в состав цеолитов входят элементы I и II групп (в частности, Na, К, Mg, Ca, Sr, Ba). Промышленностью выпускаются цеолиты различных структурных типов — А (при значении х в общей структурной формуле цеоли­тов, равном 2), X (х = 2,4 – 2,8) и Y (х = 5).

Каркасная структура цеолита образована тетраэдрами SiO4 и AlO4, соединяющимися общими ионами кислорода в трехмерную решетку. Замещение Si на А13+ приводит к появлению избыточного отрицательного заряда, который нейтрализуется катионом щелоч­ного или щелочноземельного металла, расположенным в пустотах структуры. Цеолиты имеют большие и малые полости почти сфери­ческой формы с диаметром соответственно 1,19 и 0,66 нм. Полости соединяются узкими каналами — «окнами», размер которых и определяет молекулярно-ситовые свойства цеолитов. Эффектив­ный диаметр окон зависит от типа цеолита и природы ка­тиона.

В соответствии с классификацией цеолитов, принятой в СНГ, указывается катион, преимущественно входящий в решетку цео­лита, и тип кристаллической решетки. В марках США и ряда дру­гих зарубежных стран указывается диаметр входных окон и тип решетки. Данные различных исследователей об эффективном диа­метре окон цеолитов типа X существенно расходятся.

Ниже приводится эффективный диаметр окон цеолитов различ­ных марок:

СНГ США d, нм
КА ЗА 0,3
NaA 4А 0,4
СаА 5А 0,5
СаХ 10Х 0,8
NaX 13Х 0,9

 

Цеолит может адсорбировать только те молекулы, критический диаметр (диаметр наибольшего круга, описываемого в плоскости, перпендикулярной длине молекулы) которых меньше эффективного диаметра окон. Значения критических диаметров молекул неко­торых углеводородов следующие (в нм): метан — 0,40; алканы нормального строения С3—С14 — 0,49; бензол — 0,57; циклогексан — 0,61; изоалканы с одной метильной группой в боковой цепи — 0,63; алканы с двумя метильными группами — 0,67; алканы с одной этильной группой — 0,72.

Цеолиты являются полярными адсорбентами, имеющими в структуре области с резко неоднородными электростатическими по­лями. Поэтому особенно энергично они адсорбируют полярные мо­лекулы и молекулы углеводородов с двойными и тройными связя­ми. Критический диаметр таких адсорбируемых молекул может даже несколько превышать диаметр окон.

В соответствии с критическими размерами молекул и диамет­ром окон цеолит КА адсорбирует практически только воду, NaA — воду, СО2, H2S, NH3, CH3OH, этилен, пропилен, низшие диены и нормальные алкины, этан; цеолит СаА — нормальные углеводороды и спирты с числом углеродных атомов до 20, метил- и этилмеркаптаны, окись этилена, а также все соединения, поглощаемые цеоли­том NaA. Цеолит СаХ адсорбирует разветвленные алканы и спир­ты, бензол, циклогексан и их низшие гомологи с критическим диаметром ≈0,8 им. На СаХ пс сорбируются соединения аромати­ческого характера с разветвленными радикалами или большой мо­лекулярной массой, например 1,3,5-триэтилбензол, 1,3-дихлорбензол. Последние адсорбируются цеолитом NaX.

Процессы разделения углеводородов на цеолитах широко при­меняются в промышленности. Так, адсорбцией на цеолите СаА из керосино-газойлевых фракций выделяют нормальные алкены С10— C18, которые далее используют для микробиологического получе­ния белков, а также для производства биологически разлагаемых моющих веществ. Адсорбция проводится, как правило, в паровой фазе, так как в случае жидкофазного процесса трудно с достаточ­ной полнотой отделить несорбируемые компоненты от слоя сорбен­та. При десорбции алканов в качестве вытеснителей используют пентан, гексан, аммиак.

В последние годы в СНГ и за рубежом предложены и успеш­но применяются комбинированные методы облагораживания бензи­нов — повышения их октанового числа. В этих процессах адсорб­ционная депарафинизация бензиновых фракций на цеолитах соче­тается с изомеризацией, риформингом и алкилированием.

Адсорбция на цеолитах применяется и для выделения неразветвленных алкенов С10—С18 из смесей с алканами. Процесс на калий-бариевой форме цеолитов X и Y в промышленности исполь­зуется для извлечения n-ксилола из смеси аренов С8, и степень извлечения n-ксилола значительно выше, чем при кристаллизации. Цеолиты являются прекрасными осушителями газов и жид­костей, а также хорошими поглотителями сернистых соеди­нений.

Цеолиты используют и при анализе углеводородных смесей в качестве неподвижной фазы в газо-адсорбционной хроматографии. В частности, использование цеолитов типа NaX и СаХ позволяет решить сложную задачу анализа алкано-циклоалкановой части бензиновых фракций.








Дата добавления: 2015-06-12; просмотров: 1452;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2026 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.007 сек.