Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения компонента парафиновых восков с повышенным содержанием н-алканов фракции C

Изобретение относится к способам получения парафиновых восков и их компонентов, используемых в качестве твердых наполнителей в термосиловых датчиках для автоматического регулирования температур в двигателях внутреннего сгорания, системах кондиционирования воздуха, а также в качестве самостоятельных силовых термоэлементов различных объектов и систем [1-3]. Наибольшее распространение в качестве твердых наполнителей получили смеси компонентов воскообразных веществ, представляющие собой узкие фракции парафинов и церезинов [1, 3, 4], компаундированием которых получают воски с расширенным диапазоном регулирования. Для получения восков по ТУ 38.40102-8 [4] марок «А», «В» и «Ж» одним из основных компонентов является фракция н-алканов С_20-24, предложения которой отсутствуют на российском рынке [5].

Целью изобретения является получение компонента парафиновых восков с повышенным содержанием н-алканов фракции С_20-24 из пищевого парафина методом центрифугирования. Изобретение может найти применение в нефтяной и нефтехимической промышлености.

Известны способы получения компонентов восков с использованием вакуумной дистилляции жидких и твердых парафинов [3]. Недостатком этого метода является сложность установки вакуумной дистилляции и трудности поддержания глубокого вакуума. Известны способы получения компонентов восков с использованием комбинации процессов депарафинизации и обезмасливания масляных фракций и промышленных парафинов в кетон-ароматических избирательных растворителях [6-8]. Для получения компонентов восков можно использовать процесс центрифугирования масляного сырья [9, 10]. Фугование масляного сырья в этом способе («Барисол-процесс» [10]) проводят из его раствора в смеси бензола (20 мас.%) и дихлорэтана (80 мас.%). Использование такого растворителя обеспечивает относительно высокую разность плотностей растворов масла и петролатума и, следовательно, высокую эффективность разделения получаемых продуктов. Недостатком способов фракционирования воскового сырья в избирательных растворителях (бензол, толуол, дихлорэтан [6-10]) является их высокая токсичность (табл. 1).

Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является способ получения компонентов восков фракционированием пищевого парафина П-2 из его растворов в гексане с использованием центрифугирования [5]. Воски для датчиков температуры относятся к малотоннажным продуктам с объемом производства на уровне десятков - сотен кг в год. При наработке восков в лабораторных условиях замена дихлорэтана и бензола (Барисол-процесс) [9, 10] на малотоксичный гексан является оправданным (см. табл. 1). Способ получения компонентов восков заключается в том, что фугование парафина из растворов в гексане проводят на центрифуге при следующих параметрах: скорость вращения ротора центрифуги 4000 об/мин; массовое соотношение гексан:парафин 2,0:1,0; температура фугования: 12, 18 и 24°С и время фугования 30 мин [5]. Материалом пробирок является нержавеющая сталь и фторопласт. По результатам фугования получают с небольшим содержанием гексана твердый осадок, который представляет собой высокоплавкий компонент воска (ВКВ). Фракция парафина, представляющая собой раствор в гексане, находится в верхней части пробирок и является низкоплавким компонентом воска (НКВ) с повышенным относительно исходного сырья содержанием н-алканов фракции С_20-24. При оптимальной температуре фугования 18°С выход относительно сырья низкоплавких фракций составляет от 33,2 ([5], материал пробирок - нержавеющая сталь) до 45,0 (материал пробирок - фторопласт, таблица 2) мас.%. В первом случае (нержавеющая сталь) температура каплепадения НКВ относительно исходного парафина понижается с 53,0 до 50,5°С, а во втором (материал фторопласт) - с 53,0 до 49,0°С (там же, табл. 2). По данным хроматографии во втором случае (материал фторопласт) содержание н-алканов фракции С_20-24 (см. табл. 2, фугование при 18°С) в НКВ относительно сырья возрастает с 29,63 до 38,58 мас.%.

Недостатком способа по прототипу является то, что значительная часть н-алканов фракции С_20-24 остается в высокоплавкой фракции (22,3 мас.%, табл. 2) и, следовательно, имеется возможность повысить выход низкоплавкого компонента воска (НКВ) и повысить содержание в нем н-алканов фракции С_20-24.

Задачей изобретения, на решение которой направлен заявляемый способ, является получение из пищевого парафина П-2 низкоплавкого компонента воска (НКВ) с повышенным выходом и с повышенным содержанием в нем н-алканов фракции С_20-24.

Предлагаемое изобретение позволяет получить технические результаты, преимуществом которых по сравнению с прототипом является повышение выхода низкоплавкого компонента парафинового воска и повышение содержания в нем н-алканов фракции С_20-24.

Для решения данной задачи предложен способ получения компонента парафиновых восков с повышенным содержанием н-алканов фракции С_20-24, позволяющий повысить выход этого компонента воска и содержание в нем н-алканов фракции С_20-24 за счет более высокого относительного центробежного ускорения 2147-12108 g (где g=9,81 м/с²), более высокого разбавления исходного парафина гексаном 1,0:4,0 и за счет более низких температур фугования 5-9°С.

Указанное техническое решение в способе получения компонента парафиновых восков с повышенным содержанием н-алканов фракции С₂₀_₂₄ поясняется таблицей 2 и фиг. 1, 2: «Таблица 2 - Фракционирование парафина П-2 центрифугированием из гексана»; «Фигура 1 - Распределение н-алканов в парафине П-2 (1) и в низкоплавких компонентах воска (2, 3), выделенных из этого парафина»; «Фигура 2 - Распределение н-алканов в парафине П-2 (1) и в высокоплавких компонентах воска (2, 3), выделенных из этого парафина».

Получение компонента воска с повышенным содержанием н-алканов фракции С_20-24 осуществляется в следующей последовательности. Исходный парафин П-2 и гексан в качестве растворителя, взятые в определенном соотношении, загружаются во фторопластовые пробирки объемом 50 мл., нагреваются в течение 10-20 мин при температуре на 15-20°С выше температуры помутнения сырьевой смеси (см. табл. 2) до получения прозрачного раствора. Сырьевая смесь в пробирках при этой температуре подвергается термообработке в течение 10 мин. Пробирки с сырьевой смесью помещаются в ротор рефрижераторной центрифуги, в которой заранее установлена требуемая для фугования температура. Охлаждение сырьевой смеси в центрифуге проводится до достижения температуры фугования. В процессе охлаждения происходит образование твердой фазы в виде кристаллов парафина, представляющих собой преимущественно высокоплавкие н-алканы. Низкоплавкие компоненты из исходного сырья, в том числе н-алканы фракции С_20-24 концентрируются в гексане в виде раствора.

Далее полученная смесь при заданном относительном центробежном ускорении (ОЦУ) центрифуги подвергается фугованию в течение 30 мин. ОЦУ рассчитывается по формуле [13]:

где r - 12,087 см - радиус центрифуги; n - скорость вращения ротора центрифуги, об/мин.

После остановки центрифуги из нее извлекаются пробирки, в которых образуется с небольшим содержанием гексана твердый осадок, представляющий собой высокоплавкий компонент воска (ВКВ). Верхний слой в пробирках, представляющий собой раствор парафина в гексане, является низкоплавким компонентом воска (НКВ) с повышенным относительно исходного сырья содержанием н-алканов фракции С_20-24. Гексан из низкоплавкого и высокоплавкого компонентов после фугования удаляется отгонкой при атмосферном давлении. Удаление остатков растворителя и доведение компонентов воска до постоянного веса проводится в сушильном шкафу, работающем в паре с вакуумным насосом. В результате получается два компонента воска - низкоплавкий, обогащенный н-алканами фракции С_20-24, и высокоплавкий, обедненный н-алканами фракции С_20-24. По результатам фугования парафина П-2 составляется материальный баланс. Определяется выход высокоплавкого (ВКВ), низкоплавкого (НКВ) компонентов воска и потери. Для полученных компонентов восков определяются температура каплепадения по Уббелоде (ГОСТ 6793-74) и углеводородный состав методом хроматографии.

Изобретение поясняется примером. В заявляемом способе в качестве основных параметров, которые определяют эффективность фракционирования твердых углеводородов методом центрифугирования, приняты: относительное ускорение центрифуги (ОЦУ), кратность разбавления парафина гексаном, температура и время фугования. В качестве сырья использовался пищевой парафин марки П-2, имеющий температуру каплепадения 53°С и плотность при 20°С 804 кг/м³. Распределение н-алканов в парафине П-2 приводится на фиг. 1 и 2. Содержание н-алканов в исходном парафине П-2 90,26 мас.%. Фугование парафина из его растворов в гексане проводили при массовом соотношении парафин:гексан от 1,0 к 2,0 до 1,0 к 4,0 при температурах 5, 9, 12, 18 и 24°С. ОЦУ составляло, 4059g, 7547g и 12108g (диаметр ротора центрифуги 12,087 см). Скорость вращения ротора центрифуги при принятых значениях ОЦУ соответственно составляла 4000, 5500, 7500 и 9500 об/мин. Для сравнения в таблице 2 приводятся данные и для ОЦУ 2147g (скорость вращения ротора центрифуги 4000 об/мин) по прототипу. Время фугования было принято по прототипу равным 30 мин. По завершении фугования в пробирках образовывался с небольшим содержанием гексана твердый осадок, который представлял собой высокоплавкий компонент воска (ВКВ). Верхний слой в пробирках, представляющий собой раствор парафина в гексане, являлся низкоплавким компонентом воска (НКВ) с повышенным относительно исходного сырья содержанием н-алканов фракции С_20-24. Гексан из низкоплавкого и высокоплавкого компонентов после фугования удалялся отгонкой при атмосферном давлении. Остатки гексана из НКВ и ВКВ удалялись в сушильном шкафу, работающем в паре с вакуумным насосом. По результатам фракционирования составлялся материальный баланс фугования парафина П-2. Определялся выход высокоплавкого (ВКВ), низкоплавкого (НКВ) компонентов воска и потери. Низкоплавкий компонент представлял собой воск с повышенным относительно сырья содержанием н-алканов фракции С_20-24. Высокоплавкий компонент представлял собой воск с пониженным относительно сырья содержанием н-алканов фракции С_20-24.

Для полученных компонентов восков определялись температура каплепадения по Уббелоде (ГОСТ 6793-74) и углеводородный состав методом хроматографии. Результаты фракционирования парафина П-2 в гексане по заявляемому способу (см. таблица 2) показывают, что при постоянной скорости ОЦУ 4058g (5500 об/мин) и разбавлении парафина гексаном в массовом соотношении 1,0 к 2,0 с понижением температуры процесса выход низкоплавкого компонента воска (НКВ) уменьшается с 89,93% (температура фугования 24°С) до 29,20 (температура фугования 12°С) мас.%, а ее (НКВ) температура каплепадения понижается относительно сырья соответственно с 53 до 51-47°С. Сопоставление данных по фугованию при ОЦУ 4059g (скорость ротора 5500 об/мин, заявляемый способ) и ОЦУ 2147g (скорость ротора 4000 об/мин, прототип) при прочих равных условиях (температура и время фугования) показывает, что повышение ОЦУ дает заметный прирост выходов НКВ. Например, при температуре фугования 12°С и ОЦУ 4058g (скорость ротора центрифуги 5500 об/мин) выход НКВ возрастает на 13,8 мас.% по сравнению с ОЦУ при 2147g (скорость ротора центрифуги 4000 об/мин). Температура плавления НКВ при этом не изменяется (47°С), но содержание н-алканов С_20-24 в НКВ возрастает с 44,06 до 46,02 мас.%. Выход ВКВ при прочих равных условиях (температура и время фугования) с увеличением ОЦУ от 2147g до 4058g, напротив, уменьшается. Температура каплепадения фракций практически не меняется, а содержание н-алканов фракции С_20-24 во фракции ВКВ несколько уменьшается. Высокоплавкий компонент с пониженным относительно сырья содержанием н-алканов фракции С_20-24 может быть рекомендован для получения других восков. Показано, что возрастание ОЦУ центрифуги при прочих равных условиях (см. температура фугования 18°С, ОЦУ 2147g, 4058g и 7547g, табл. 2) дает положительный эффект по выходу НКВ и по повышению в них (НКВ) содержания н-алканов фракции С_20-24. Анализ других данных, приведенных в таблице 2, показывает, что положительный эффект по выходу НКВ и по содержанию в них н-алканов фракции С_20-24 обнаруживается также при повышении разбавления парафина П-2 гексаном. При этом содержание н-алканов фракции С_20-24 в НКВ при одинаковом ОЦУ 12108g (скорость вращения ротора центрифуги 9500 об /мин) несколько возрастает - с 43,12 (разбавление П-2 гексаном 1,0 к 2,0) до 44,60 (разбавление П-2 гексаном 1,0 к 4,0) мас.%. Положительный эффект при фуговании пищевого парафина П-2 обнаруживается также с понижением температуры фугования. Фугование П-2 при температурах 9 и 5°С при прочих равных условиях (ОЦУ 12108g, соотношение парафин:гексан = 1,0:4,0, время фугования 30 мин) показывает, что выход НКВ уменьшается с 66,04 до 45,50 мас.%, но при этом содержание н-алканов фракции С_20-24 в НКВ повышается с 44,60 до 47,63 мас.%, а температура каплепадения НКВ понижается с 49,0 до 47,8°С.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получать из пищевого парафина П-2 компонент парафинового воска с повышенным относительно прототипа выходом низкоплавкого компонента воска (НКВ) и повышенным содержанием в нем (НКВ) н-алканов фракции С_20-24.

Используемая литература:

1. Тимошенков К.Д. Датчики температуры с твердым наполнителем. [Текст] / К.Д. Тимошенков - Москва: Машиностроение, 1975. - 136 с.

2. Подмастерьев К.В., Датчик температуры воздуха в однотрубных системах отопления / К.В. Подмастерьев, О.С. Петрова // Мир измерений. - 2010. - №1. - С. 36-41.

3. Пат. 1696463 СССР, МКИ C10G 73/00. Способ получения восков для термосиловых датчиков / Куцевалов В.В., Куканова К.П., Костин Н.И. и Иванова Н.Н.; заявитель и патентообладатель Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт оборудования нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - №4750279/04; заявл. 17.10.89; опубл. 07.12.1991. Бюл. №45.

4. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение [Текст]: Справочник / И.Г. Анисимов, К.М. Бадыштова, С.А. Бнатов и др. // под ред. В.М. Школьникова. - 2-е изд. перераб. и доп. - Москва: Издательский центр «Техинформ», 1999. - 596 с.

5. Получение компонентов восков с повышенным содержанием н-алканов С_20-24 фракционированием пищевого парафина П-2 / О.О. Майорова, С.В. Гультяев, С.Г. Агаев, А.А. Байда, О.В. Соколова // Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна [Текст]: материалы Национальной научно-технической конференции. - Тюмень: ТИУ, 2019. - С. 197-199.

6. Пат. 1084288 СССР, МКИ C10G 73/36. Способ получения термоактивного воска / Брускин Ю.А., Куцевалов В.В., Немчинов В.Н., Ларионов Л.И., Анисимов И.Г., Костин Н.И.; заявитель и патентообладатель Горьковский государственный институт по проектированию предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. - №3449824/263-04; заявл. 07.04.82; опубл. 07.04.1984. Бюл. №13.

7. Пат. 1084289 СССР, МКИ C10G 73/36. Способ получения термоактивных восков для терморегуляторов / Куцевалов В.В., Куканова К.П., Костин Н.И., Горбунов В.А., Шаля М.А. и Анисимов И.Г.; заявитель и патентообладатель Предприятие ПЯ А-3483. - №3496107/23-04; заявл. 04.06.82; опубл. 07.04.1984. Бюл. №13.

8. Пат. 164380 СССР, МКИ 23b, 2₀₁ 39b, 8; С 10 g, С 08k. Способ получения восковой добавки для защиты резиновых изделий / Черек И.И., Дадаян Г.Т., Воробьева В.В., Герштейн И.А., Кушнир И.Л., Якимовиц Н.Л., Лукашевич И.П., Казакова Л.П., Щегрова К.А., и Алюков И.Т.; заявитель и патентообладатель Черек И.И., Дадаян Г.Т., Воробьева В.В., Герштейн И.А., Кушнир И.Л., Якимовиц Н.Л., Лукашевич И.П., Казакова Л.П., Щегрова К.А., и Алюков И.Т. - №860806/23-4; заявл. 12.10.63; опубл. 13.08.1964. Бюл. №15.

9. Технология переработки нефти и газа. Ч. 3-я. Очистка нефтепродуктов и производство специальных продуктов. [Текст]: учебник / Н.И. Черножуков. Москва: Химия, 1967. - 360 с.

10. Рудин М.Г., Драбкин А.Е. Краткий справочник нефтепереработчика. [Текст]: справочник / М.Г. Рудин, А.Е. Драбкин. Ленинград: Химия, 1980. - 328 с. (см. с. 310).

11. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. [Текст]: справочник / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин. Ленинград: Химия, 1977. - 376 с.

12. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 13 февраля 2018 г. №25 «Об утверждении гигиенических нормативов ГН 2.2.5.3532-18 "Предельно допустимые концетрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны».

13. Центрифугирование: как определить ускорение (число g) в зависимости от скорости вращения и диаметра ротора [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.dia-m.ru/page.php?pageid=33734