Первичная перегонка нефти – первый технологический процесс переработки нефти. Установки первичной переработки имеются на каждом нефтеперерабатывающем заводе.

Прямая перегонка основана на разнице в температурах кипения групп углеводородов, близких между собой по физическим свойствам.

Перегонка или дистилляция – это процесс разделения смеси взаимнорастворимых жидкостей на фракции, которые отличаются по температурам кипения как между собой, так и с исходной смесью. При перегонке смесь нагревается до кипения и частично испаряется; получают дистиллят и остаток, которые по составу отличаются от исходной смеси. На современных установках перегонка нефти проводится с применением однократного испарения. При однократном испарении низкокипящие фракции, перейдя в пары, остаются в аппарате и снижают парциальное давление испаряющихся высококипящих фракций, что даёт возможность вести перегонку при более низких температурах.

При однократном испарении и последующей кондесации паров получают две фракции: лёгкую, в которой содержится больше низкокипящих компонентов, и тяжёлую, в которой содержится меньше низкокипящих компонентов, чем в исходном сырье, т.е. при перегонке происходит обогащение одной фазы низкокипящими, а другой высококипящими компонентами. При этом достичь требуемого разделения компонентов нефти и получить конечные продекты, кипящие в заданных температурных интервалах, с помощью перегонки нельзя. В связи с этим после однократного испарения нефтяные пары подвергаются ректификации.

Ректификация – диффузионный процесс разделения жидкостей, различающихся по температурам кипения, за счёт противоточного многократного контактирования паров и жидкости.

На установках первичной перегонки нефтти однократное испарение и ректификация, как правило, совмещаются.

В настоящее время прямая перегонка нефти осуществляется в виде непрерывного процесса в так называемых атмосферно-вакуумных трубчатых установках (рис. 4), основными аппаратами которых являются трубчатая печь и ректификационная колонна.

Рис. 4. Схема атмосферно-вакуумной установки для перегонки

1,5 - трубчатые печи; 2,6 – ректификационные колонны; 3 – теплообменники;

4 - конденсаторы

Основы процесса сводятся к тому, что нефть, нагретая до 350 0 С в трубчатой печи, поступает в среднюю часть нижней секции ректификационной колонны, работающей под атмосферным давлением. При этом её бензиновая, керосиновая и другие фракции, кипящие в интервале температур от 40 до 300 0 С, оказываются перегретыми по отношению к нефти, имеющей температуру 350 0 С, и поэтому сразу превращаются в пар. В ректификационной колонне пары этих низкокипящих фракций устремляются вверх, а высококипящий мазут стекает вниз. Это приводит к неодинаковой температуре по высоте колонны. В её нижней части температура самая высокая, а в верхней - самая низкая.

Поднимающиеся вверх пары углеводородов при соприкосновении с более холодной жидкостью, стекающей вниз, охлаждаются и частично конденсируются. Жидкость при этом нагревается и из неё испаряются более летучие фракции. В результате состав жидкости и пара изменяется, так как жидкость обогащается труднолетучими углеводородами, а пары - легколетучими. Такой процесс конденсации и испарения вследствие неодинаковости температуры по высоте колонны приводит к своеобразному расслаиванию углеводородах фракций по температурам кипения, а следовательно, и по составу. Для интенсификации этого расслаивания внутри колонны устанавливаются специальные разделительные полки, называемые тарелками. Тарелки представляют собой перфорированные стальные листы сотверстиями для жидкости и пара. В некоторых конструкциях отверстия с выступами для выхода пара прикрыты колпачками, а для жидкости предусмотрены сливные трубки (рис. 5).

Рис. 5. Схема устройства и работы ректификационной тарельчатой колонны:

1 – тарелки; 2 – патрубки; 3 – колпачки; 4 – сливные стаканы; 5 – стенки колонны

На такой тарелке поднимающиеся сверху пары пробулькивают в жидкость из под колпачков, интенсивно перемешивая и превращая её в пенный слой. Высококипящие углеводороды при этом охлаждаются, конденсируются и остатки в жидкости, в то время как растворённые в жидкости низкокипящие углеводороды, нагреваясь, переходят в пар. Пары поднимаются на верхнюю тарелку, а жидкость перетекает на нижнюю. Там процесс конденсации и испарения снова повторяется. Обычно в ректификационной колонне, имеющей высоту 35-45 м, устанавливается до 40 тарелок. Достигаемая при этом степень разделения позволяет конденсировать и отбирать фракции по высоте колонны в строго определённом интервале температур. Так, при 300-350 0 С конденсируется и отбирается соляровое масло, при температуре 200-300 0 С - керосиновая фракция, при температуре 160-200 0 С - лигроиновая фракция. Не сконденсировавшиеся пары бензиновой фракции с температурой 180 0 С выводятся через верхнюю часть колонны, где охлаждаются и конденсируются в специальном теплообменнике. Часть охлаждённой бензиновой фракции возвращается на орошение верхней тарелки колонны. Это делается для того, чтобы соприкосновением горячих паров с охлаждённой бензиновой фракцией тщательнее отделить легколетучие углеводороды и сконденсировать примеси менее летучих, стекающих вниз. Такая мера позволяет получить более чистый и более качественный бензин с октановым числом от 50 до 78.

При более тщательной разгонке бензиновая фракция может быть разделена на газолин (петролейный эфир) - 40-70 0 С, собственно бензин - 70-120 0 С и лигроин 120-180 0 С.

В самой нижней части ректификационной колонны собирается мазут. В зависимости от содержания в нём сернистых соединений он может служить котельным топливом либо сырьём для получения смазочных масел или дополнительных количеств моторного топлива и нефтяных газов. Обычно при содержании в мазуте серы более 1% его используют как высококалорийное котельное топливо, и на этой стадии перегонку прекращают, сводя процесс к одностадийному. При необходимости получения из мазута смазочных масел его подвергают дальнейшей перегонке во второй ректификационной колонне, работающей под вакуумом. Такая схема называется двухстадийной. Двухстадийный процесс отличается от одностадийного меньшим расходом топлива и более высокой интенсивностью работы аппаратуры, что достигается использованием вакуума и более высокой степенью утилизации тепла. Использование вакуума на второй стадии перегонки предотвращает расщепление тяжёлых углеводородов, снижает температуру кипения мазута и тем самым уменьшает расход топлива на его нагревание.

Сущность второй стадии сводится к нагреванию мазута раскалёнными газами до 420 0 С в трубчатой печи и к последующей его разгонке в ректификационной колонне. В результате образуется до 30 % гудрона и до 70 % масляных компонентов, являющихся сырьём для получения смазочных масел. Примерный выход и температура отбора масляных фракций мазута приведены в табл. 15.

Для большей экономии тепла и улучшения технико-экономических показателей работы атмосферно-вакуумных установок нагревание нефти до 350 0 С ведут в два этапа.

Таблица 15

Фракции перегонки мазута

В начале её предварительно нагревают до 170-175 0 С теплом продуктов перегонки (последние при этом охлаждаются), а затем в трубчатой печи теплом раскалённых газов. Такая утилизация тепла позволяет сократить расход топлива на проведение процесса и снизить себестоимость первичной переработки.

Переработка нефти осуществляется физическими и химическими способами: физический – прямая перегонка; химический – термический крекинг; каталитический крекинг; гидрокрекинг; каталитический риформинг; пиролиз. Разберем эти способы переработки нефти в отдельности.

Переработка нефти прямой перегонкой

В нефтях содержатся углеводороды с различным числом атомов в молекуле (от 2 до 17). Такое разнообразие углеводородов приводит к тому, что нефть не имеет какой-либо постоянной температуры кипения и при нагревании выкипает в широких температурных пределах. Из большинства нефтей при слабом нагревании до 30…40°С начинают испаряться и выкипать наиболее легкие углеводороды. При дальнейшем нагревании до более высоких температур из нефти выкипают все более тяжелые углеводороды. Эти пары можно отвести и охладить (сконденсировать) и выделить часть нефти (фракцию нефти), выкипающую в определенных температурных пределах. И в этом поможет !

Знаете ли Вы, что нефть используется человечеством уже более 6000 лет?

Процесс разделения углеводородов нефти по температурам их кипения называется прямой перегонкой . На современных заводах процесс прямой перегонки нефти осуществляют на установках непрерывного действия. Нефть под давлением подают насосами в трубчатую печь, где ее нагревают до 330…350°С. Горячая нефть вместе с парами попадает в среднюю часть ректификационной колонны, где она вследствие снижения давления дополнительно испаряется и испарившиеся углеводороды отделяются от жидкой части нефти – мазута. Пары углеводородов устремляются вверх по колонне, а жидкий остаток стекает вниз. В ректификационной колонне по пути движения паров устанавливают тарелки, на которых конденсируется часть паров углеводородов. Более тяжелые углеводороды конденсируются на первых тарелках, легкие успевают подняться вверх по колонне, а самые в смеси с газами проходят всю колонну, не конденсируясь, и отводятся сверху колонны в виде паров. Так углеводороды разделяются на фракции в зависимости от температуры их кипения.

С верха колонны и с верхних тарелок отводят легкие бензиновые фракции (дистилляты) нефти. Такие фракции с пределами кипения от 30 до 180…205°С после очистки являются составной частью многих товарных автомобильных бензинов. Ниже отбирают керосиновый дистиллят, который после очистки используют в качестве топлива для реактивных авиационных двигателей. Еще ниже отводят газойлевый дистиллят, который после очистки идет в качестве топлива для дизельных двигателей.

Так добывают нефть

Мазут, оставшийся после прямой перегонки нефти, в зависимости от его состава используют или непосредственно в виде топлива (топочный мазут) или в качестве сырья на установки крекинга, или подвергают дальнейшему разделению на масляные фракции в вакуумной ректификационной колонне. В последнем случае, мазут снова нагревают в трубчатой печи до 420…430°С и подают в ректификационную колонну, работающую под разрежением (остаточное давление 50…100 мм рт. ст.). Температура кипения углеводородов при понижении давления снижается, что позволяет испарить без разложения тяжелые углеводороды, содержащиеся в мазуте. При вакуумной перегонке мазута в верхней части колонны отбирают соляровый дистиллят, который служат сырьем для каталитического крекинга. Ниже отбирают масляные фракции:

• веретенная;
• машинная;
• автоловая;
• цилиндровая.

Все эти фракции после соответствующей очистки идут на приготовление товарных масел. Из нижней части колонны отбирают неиспарившуюся часть мазута – полугудрон или гудрон. Из этих остатков путем глубокой очистки делают высоковязкие, т.н. остаточные масла.

Долгое время прямая перегонка нефти была единственным способом переработки нефти, но с ростом потребности в бензине ее эффективности (20…25% выхода бензина) стало не хватать. В 1875г. был предложен процесс разложения тяжелых углеводородов нефти при высоких температурах. В промышленности этот процесс был назван крекингом , что означает расщепление, раскалывание.

Термический крекинг

В состав автомобильных бензинов входят углеводороды с 4…12 атомами углерода, 12…25 – диз. топливо, 25…70 – масло. В соответствии с увеличением числа атомов увеличивается молекулярная масса. Переработка нефти методом крекинга расщепляет тяжелые молекулы на более легкие и превращает их в легко кипящие углеводороды с образованием бензиновых, керосиновых и дизельных фракций.

В 1900 году в России добывалось больше половины от общемировых объемов добычи нефти.

Термический крекинг разделяют на парофазный и жидкофазный:

• парофазный крекинг – нефть нагревают до 520…550°С при давлении 2…6 атм. Сейчас он не применяется по причине низкой производительности и большого содержания (40%) непредельных углеводородов в конечном продукте, которые легко окисляются и образуют смолы;
• жидкофазный крекинг – температура нагрева нефти 480…500°С при давлении 20…50 атм. Увеличивается производительность, снижается количество (25…30%) непредельных углеводородов. Бензиновые фракции термического крекинга используются в качестве компонента товарных автомобильных бензинов. Для топлив термического крекинга характерна низкая химическая стабильность, которую улучшают путем введения в топлива специальных антиокислительных добавок. Выход бензина 70% – из нефти, 30% – из мазута.

Каталитический крекинг

Переработка нефти каталитическим крекингом – более совершенный технологический процесс. При каталитическом крекинге имеет место расщепление тяжелых молекул углеводородов нефти при температуре 430…530°С при давлении близком к атмосферному в присутствии катализаторов. Катализатор направляет процесс и способствует изомерации предельных углеводородов и превращению из непредельных в предельные. Бензин каталитического крекинга имеет высокую детонационную стойкость и химическую стабильность. Выход бензина до 78% из нефти и качество значительно выше, чем при термическом крекинге. В качестве катализаторов применяют алюмосиликаты, содержащие окиси Si и Al, катализаторы, содержащие окиси меди, марганца, Со, Ni, и платиновый катализатор.

Гидрокрекинг

Переработка нефти – это разновидность каталитического крекинга. Процесс разложения тяжелого сырья происходит в присутствии водорода при температуре 420…500°С и давлении 200 атм. Процесс происходит в специальном реакторе с добавлением катализаторов (окиси W, Mo, Pt). В результате гидрокрекинга получают топливо для турбореактивных двигателей.

Каталитический риформинг

Переработка нефти каталитическим риформингом заключается в ароматизации бензиновых фракций в результате каталитического преобразования нафтеновых и парафиновых углеводородов в ароматические. Кроме ароматизации молекулы парафиновых углеводородов могут подвергаться изомерации, наиболее тяжелые углеводороды могут расщепляться на более мелкие.

Нефть оказывает наибольшее влияние на цену топлива

В качестве сырья для переработки используются бензиновые фракции прямой перегонки нефти пары которых при температуре 540°С и давлении 30 атм. в присутствии водорода пропускают через реакционную камеру, заполненную катализатором (двуокись молибдена и окись алюминия). В результате получают бензин с содержанием ароматических углеводородов 40…50%. При изменении технологического процесса кол-во ароматических углеводородов можно увеличить до 80%. Присутствие водорода увеличивает срок службы катализатора.

Пиролиз

Переработка нефти пиролизом – это термическое разложение углеводородов нефти в специальных аппаратах или газогенераторах при температуре 650 °С. Применяется для получения ароматических углеводородов и газа. В качестве сырья можно применять как нефть так и мазут, но наибольший выход ароматических углеводородов наблюдается при пиролизе легких фракций нефти. Выход: 50% газа, 45% смолы, 5% сажи. Из смолы получают ароматические углеводороды путем ректификации.

Вот мы и разобрали, как осуществляется . Ниже можно посмотреть небольшое видео о том, как поднять октановое число бензина и получать смесевые топлива,

Нефть состоит из множества компонентов - фракций, - свойства, область применения и технологии переработки которых различны. Первичные процессы нефтеперерабатывающего производства позволяют выделить отдельные фракции, подготовив тем самым сырье для дальнейшего получения всем нам хорошо знакомых товарных продуктов - бензина, дизеля, керосина и многих других

Стабильность прежде всего

Прежде чем попасть на производство, нефть еще на промысле проходит перво-начальную подготовку. При помощи газонефтяных сепараторов из нее уда-ляют наиболее легкие, газообразные составляющие. Это попутный нефтяной газ (ПНГ), состоящий преимуществен-но из метана, этана, пропана, бутана и изобутана, то есть из углеводоро-дов, в молекулах которых содержится от одного до четырех атомов углерода (от CH4 до C4H10). Этот процесс называется стабилизацией нефти - подразумевается, что после него нефть будет сохранять свой углеводородный состав и основные физико-химические свойства при транспортировке и хранении.

Объективно говоря, разгазирование пластовой нефти начинается еще в скважине по мере продвижения ее наверх: из-за падения давления в жидкости газ из нее постепенно выделяется. Таким образом, наверху приходится иметь дело уже с двухфазным потоком - нефть / попутный газ. Их совместное хранение и транспортировка оказываются экономически невыгодными и затруднительными с технологической точки зре-ния. Чтобы переместить двухфазный поток по трубопроводу, необходимо соз-дать в нем условия постоянного перемешивания, чтобы газ не отделялся от нефти и не создавал в трубе газовые пробки. Все это требует дополнительных затрат. Намного проще оказывается пропустить газонефтяной поток через сепаратор и максимально отделить от нефти ПНГ. Получить абсолютно стабильную нефть, составляющие которой совсем не будут испаряться в атмосферу, практически невозможно. Некоторое количество газа все равно останется и будет извлечено в процессе нефтепереработки.

Кстати, сам попутный нефтяной газ - это ценное сырье, которое может использоваться для получения электро энергии и тепла, а также в качестве сырья для нефтехимических производств. На газоперерабатывающих заводах из ПНГ получают технически чистые отдельные углеводороды и их смеси, сжиженные газы, серу.

Из истории дистилляции

Дистилляция, или перегонка, - процесс разделения жидкостей путем их испарения и последующей конденсации. Считается, что впервые этот процесс освоили в Древнем Египте, где он применялся при получении из кедровой смолы масла для бальзамирования тел умерших. Позднее смолокурением для получения кедрового масла занимались и римляне. Для этого горшок со смолой ставили на огонь и накрывали шерстяной материей, на которой собиралось масло.

Аристотель описал процесс дистилляции в своей работе «Метеорология», а также упоминал вино, пары которого могу вспыхнуть - косвенно подтверждение того, что его предварительно могли подвергнуть перегонке, чтобы повысить крепость. Из других источников известно, что вино перегоняли в III веке до н. э. в Древнем Риме, правда, не для получения бренди, а для изготовления краски.

Следующие упоминания дистилляции относятся к I веку н. э. и связаны с работами александрийских алхимиков. Позднее этот метод у греков переняли арабы, которые активно использовали его в своих опытах. Также достоверно известно, что дистилляцией алкоголя в XII веке занимались в Салернской врачебной школе. В те времена, впрочем, дистилляты спирта употреблялись не как напиток, а в качестве лекарства. В XIII веке флорентийский медик Тадео Альдеротти впервые осуществил фракционирование (разделение) смеси жидкостей. Первая книга, целиком и полностью посвященная вопросам дистилляции, была опубликована в 1500 году немецким врачом Иеронимом Бруншвигом.

Долгое время для перегонки применялись достаточно простые устройства - аламбик (медный сосуд с трубкой для отвода пара) и реторта (стеклянная кол-ба с узким и длинным наклонным носиком). Техника стала совершенствоваться в XV веке. Однако предшественники современных ректификационных колонн для перегонки нефти, в которых происходит теплообмен между противонаправленными потоками жидкости и пара, появились лишь в середине XIX века. Они позволили получать спирт крепостью 96% с высокой степенью очистки.

Также на месторождении от нефти отделяют воду и механические примеси. После этого она поступает в магистральный нефтепровод и отправляется на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ). Прежде чем приступить к пере-работке, нефть необходимо очистить от содержащихся в ней солей (хлоридов и сульфатов натрия, кальция и магния), которые вызывают коррозию оборудования, оседают на стенках труб, загрязняют насосы и клапаны. Для этого используются электрообессоливающие установки (ЭЛОУ). Нефть смешивают с водой, в результате чего возникает эмульсия - микроскопические капельки воды в нефти, в которых растворяется соль. Получившуюся смесь подвергают воздействию электрического поля, из-за чего капли соленой воды сливаются друг с другом и затем отделяются от нефти.

Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и неуглеводородных соединений. с помощью первичной перегонки ее можно разделить только на части - дистилляты, содержащие менее сложную смесь. из-за сложного состава нефтяные фракции выкипают в определенных температурных интервалах.

Фракционный состав

Многие процессы на НПЗ требуют подогрева нефти или нефтепродуктов. Для этого используются трубчатые печи. Нагрев сырья до требуемой температуры происходит в змеевиках из труб диаметром 100–200 мм.

Нефть состоит из большого количества разных углеводородов. Их молекулы различаются массой, которая, в свою очередь, определяется количеством составляющих их атомов углерода и водорода. Чтобы получить тот или иной нефтепродукт, нужны вещества с совершенно определенными характеристиками, поэтому переработка нефти на НПЗ начинается с ее разделения на фракции.

Согласно исследованию нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, проведенному Американским нефтяным институтом, номенклатура нефтепродуктов, выпускаемых на современных НПЗ и имеющих индивидуальные спецификации, насчитывает более 2000 пунктов.

В одной фракции могут содержаться молекулы разных углеводородов, но свойства большей части из них близки, а молекулярная масса варьируется в определенных пределах. Разделение фракций происходит путем перегонки и основано на том, что у разных углеводородов температура кипения различается: у более легких она ниже, у более тяжелых - выше. Этот процесс называется перегонкой (дистилляцией).

Основные фракции нефти определяют по интервалам температур, при которой кипят входящие в них углеводороды: бензиновая фракция - 28–150°C, керосиновая фракция - 150–250°C, дизельная фракция, или газойль, - 250–360°C, мазут - выше 360°C. Например, при температуре 120°C большая часть бензина уже испарилась, но керосин и дизельное топливо находятся в жидком состоянии. Когда температура поднимается до 150°C, начинает кипеть и испаряться керосин, после 250°C - дизель.

Существует ряд специфических названий фракций, используемых в нефтепереработке. Так, например, головной пар - это наиболее легкие фракции, полученные при первичной переработке. Их разделяют на газообразную составляющую и широкую бензиновую фракцию. Боковые погоны - это керосиновая фракция, легкий и тяжелый газойль.

От колонны к колонне

Ректификационная колонна

Ректификационная колонна - вертикальный цилиндр, внутри которого расположены специальные перегородки (тарелки или насадки). Пары нагретой нефти подаются в колонну и поднимаются вверх. Чем более легкие фракции испаряются, тем выше они поднимутся в колонне. Каждую тарелку, расположенную на определенной высоте, можно рассматривать как своего рода фильтр - в прошедших ее парах остается все меньшее количе-ство тяжелых углеводородов. Часть паров, конденсировавшихся на определен-ной тарелке или не достигнув ее, стекает вниз. Эта жидкость, носящая название флегмы, встречается с поднимающимся паром, происходит теплообмен, в ре-зультате которого низкокипящие составляющие флегмы снова превращаются в пар и поднимаются вверх, а высококипящие составляющие пара конденсируются и стекают вниз с оставшейся флегмой. Таким образом удается достичь более точного разделения фракций. Чем выше ректификационная колонна и чем больше в ней тарелок, тем более узкие фракции можно получить. На современных НПЗ высота колонн превышает 50 м.

Простейшую атмосферную перегонку нефти можно провести путем обычного нагревания жидкости и дальнейшей конденсации паров. Весь отбор здесь заключается в том, что собирается конденсат паров, образовавшихся в разных интервалах температуры кипения: сначала выкипают и затем конденсируются легкие низкокипящие фракции, а затем средние и тяжелые высококипящие фракции углеводородов. Конечно, при таком способе говорить о разделении на узкие фракции не приходится, так как часть высококипящих фракций переходит в дистиллят, а часть низкокипящих не успевает испариться в своем температурном диапазоне. Чтобы получить более узкие фракции, применяют перегонку с ректификацией, для чего строят ректификационные колонны

50
метров и больше может достигать высота ректификационных колонн на современных нпз

Отдельные фракции могут подвергаться и повторной атмосферной перегонке для разделения на более однородные компоненты. Так, из бензинов широкого фракционного состава получают бензольную, толуольную и ксилольную фракции - сырье для получения индивидуальных ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилола). Повторной перегонке и дополнительному разделению могут подвергать и дизельную фракцию.

Перегонка нефти на современных атмосферных установках может осуществляться как однократное испарение в одной ректификационной колонне, двукратное испарение в двух последовательно расположенных колоннах или перегонка с предварительным испарением легких фракций в колонне предварительного испарения.

Перегонка нефти на современных атмосферных установках и на атмосферных секциях комбинированных установок может осуществляться разными способами: как однократное испарение в одной ректификационной колонне, двукратное испарение в двух последовательно расположенных колоннах или перегонка с предварительным испарением легких фракций в колонне предварительного испарения. Так-же ректификационные колонны могут быть вакуумными, где конденсация паров происходит при минимальном давлении.

Фракции, кипящие при температуре свыше 360°C, при атмосферной перегонке (перегонке при атмосферном давлении) не отделяются, так как при более высокой температуре начинается их термическое разложение (крекинг): крупные молекулы распадаются на более мелкие и состав сырья меняется. Чтобы этого избежать, остаток атмосферной дистилляции (мазут) подвергают перегонке в вакуумной колонне. Так как в вакууме любая жидкость кипит при более низкой температуре, это позволяет разделить и более тяжелые составляющие. На этом этапе выделяются фракции смазочных масел, сырье для термического или каталитического крекинга, гудрон.

В ходе первичной переработки получают разные виды сырья, которые затем будут подвергаться химическим преобразованиям в рамках вторичных процессов. У них уже привычные названия - бензин, керосин, дизель, - но они еще не соответствуют требованиям к товарным нефтепродуктам. Их дальнейшая трансформация необходима, чтобы улучшить потребительские качества, очистить, создать продукты с заданными характеристиками и повысить глубину переработки нефти.

При перегонке нефти, основанной на разнице температур кипения отдельных компонентов, получают фракции или дистил- латы.
Каждая из фракций может быть разогнана в более узких интервалах температур. Перегонка нефти производится при атмосферном давлении. Остаток после перегонки нефти - мазут - может быть подвергнут фракционированию под вакуумом.
В табл. 9.1 приведены основные фракции перегонки нефти при атмосферном давлении.
Бензиновая фракция используется как топливо, может служить сырьем для производства индивидуальных углеводородов.
Таблица 9.1. Фракции (дистилляты) нефти

Керосиновую фракцию применяют в качестве топлива для реактивных двигателей в виде осветленного керосина и как сырье для производства лаков и красок.
Соляровое масло и дизельные фракции служат дизельным топливом и сырьем для получения жидких парафинов путем депарафинизации.
Мазут находит применение как котельное топливо и в качестве сырья во вторичных процессах переработки. После вакуумной перегонки мазута получают газойлевые, масляные фракции и гудрон. Масляные фракции используют в качестве сырья для вторичной переработки нефти в целях получения смазочных масел, кокса и битума. Гудрон применяют при подготовке асфальтовых смесей и в производстве битума.
Физические и химические процессы перегонки включают два основных этапа: нагревание до высоких температур; разделение продуктов.
Основное оборудование для нагревания - печи для нагрева сырья и промежуточных продуктов, а также различные теплообменники.
Разделение продуктов нефтеперегонки проводят в ректификационных колоннах.
Трубчатые печи являются аппаратами, предназначенными для передачи теплоты, выделяемой при сжигании топлива, нагреваемому продукту. Имеется много разновидностей трубчатых печей, используемых на установках первичной переработки, каталитического крекинга, каталитического риформинга, гидроочистки и других процессов.
На рис. 9.2 и 9.3 приведены некоторые характерные типы печей, применяемых на установках нефтеперерабатывающих заводов.
На рис. 9.2 представлена типовая трубчатая печь шатрового типа, имеющая две топочные камеры, разделенные перевальными стенками. В топочных камерах сжигается топливо. По стенкам камеры размещены трубы в виде потолочных и подовых экранов. Здесь теплота сжигаемого топлива передается трубам за счет радиации от факела, образующегося при сжигании топлива. Между перевальными стенками расположена камера конвекции, в которой теплота передается продукту, находящемуся в трубах, непосредственным соприкосновением дымовых газов. Передача теплоты в камерах конвекции тем эффективнее, чем выше скорость дымовых газов в печи и чем больше поверхность труб конвекционного пучка. Сырье в печи сначала направляется в конвекционную камеру, а затем - в камеру радиации. Основная доля теплоты нагреваемому сырью или продукту передается в камере радиации (70 - 80 %), на долю конвекционной камеры приходится 20-25 %. В топочные камеры с помощью форсунок подают распыленное топ-

Рис. 9.2. Типовая двухкамерная трубчатая печь шатрового типа:
1- потолочный экран; 2- конвективный пучок труб; 3- трубная решетка конвективного пучка; 4- взрывное окно; 5- трубная подвеска; 6- каркас печи; 7- смотровой люк; 8- подвесная кладка; 9- туннель для форсунки;
10- подовый экран

ливо, а также необходимый для горения воздух. Топливо интенсивно перемешивается с воздухом, что обеспечивает его эффективное горение.
Температура на входе сырья в печь зависит от степени использования теплоты отходящих горячих продуктов из ректификационных колонн и составляет обычно 180 - 230 °С. Температура выхода сырья из печи зависит от фракционного состава сырья. При атмосферной перегонке нефти температура поддерживается на уровне 330-360 °С, а при вакуумной перегонке - 410 - 450 °С. Температура дымовых газов, покидающих печь и направляемых в дымовую трубу, зависит от температуры поступающего в печь сырья и превышает ее на 100-150 °С. В отдельных случаях отходящие газы направляют в теплообменник для использования их тепловой энергии.
Теплообменники выполняют различные функции и используют разные теплоносители. На долю теплообменников приходится до 40 % металла всего оборудования технологических установок.
На рис. 9.4 представлен теплообменник-испаритель. Теплообменники такого типа применяют для внесения тепла в нижнюю

а - двухкамерная коробчатого типа с излучающими стенками; б- двухкамерная коробчатого типа с верхним отводом газов сгора-
ния и с экранами двухстороннего облучения; в - с объемно-настильным сжиганием топлива

Рис. 9.4. Теплообменник с паровым пространством (испаритель):
1- штуцер для удаления трубного пучка; 2 - днише; 3 - люк-лаз; 4- корпус; 5- сливная пластина; б- «плавающая головка»; 7- трубный пучок; 8- распределительная камера

часть ректификационной колонны тех технологических установок, где не требуется подогрев до высоких температур.
Теплообменник-испаритель состоит из корпуса 4, в котором находится трубный пучок 7 с «плавающей головкой» 6. Внутри корпуса установлена сливная пластина 5. Трубный пучок одной стороной соединен с распределительной камерой, имеющей внутри сплошную горизонтальную перегородку. Камера имеет два штуцера для входа и выхода теплоносителя (пара или горячего нефтепродукта). На корпусе расположено три штуцера: один - для входа нагреваемого углеводородного продукта, второй - для выхода отпаренного нефтепродукта после сливной пластины и третий - для выхода паров и направления их в ректификационную колонну.
Уровень продукта в испарителе поддерживается сливной перегородкой 5 так, что при нормальной работе пучок 7 полностью покрыт отпариваемым нефтепродуктом. По трубному пучку направляют теплоноситель (насыщенный пар или горячий нефтепродукт). Отдав свое тепло нагреваемой среде, теплоноситель выходит через другой штуцер.
С начала 80-х годов XX в. на НПЗ началась массовая замена водяных холодильников конденсаторами воздушного охлаждения. Их применение позволило снизить затраты на эксплуатацию теплообменников и решить ряд экологических проблем. Аппараты воздушного охлаждения (АВО) (рис. 9.5) оборудованы плоскими трубными пучками, по которым проходит охлаждаемый поток
нефтепродуктов. Через этот пучок направляют поток воздуха, нагнетаемый вентилятором.
Ректификационные колонны представляют собой аппараты для разделения продуктов, имеющих различную температуру кипения. Чаще всего они оборудованы барботажными колпаками. Ректификационная колонна представляет собой как бы несколько самостоятельных установок, поставленных друг на друга, с отбором проб по высоте колонны. Процесс перегонки ведут в ректификационных колоннах под давлением (рис. 9.6).
Сырую нефть нагревают первоначально в теплообменнике до температуры 170- 180 °С и направляют в трубчатую печь, где нефть находится под некоторым избыточным давлением и нагревается до 300 - 350 °С. Нагретая парожидкостная смесь подается в нижнюю часть ректификационной колонны. Давление снижается, происходит испарение легких фракций и отделение их от жидкого остатка - мазута. Пары поднимаются в верхнюю часть колонны, контактируя с нисходящим потоком (флегмой). В результате этого наиболее легкие вещества концентрируются в верхней части колонны, наиболее тяжелые - в нижней части, а промежуточные продукты - между ними. По ходу движения продуктов идет их отбор.
Так как более легкие продукты (пар) должны проходить через более тяжелые продукты (жидкость) и находиться с ними в равновесии в любом месте колонны, то в каждом потоке присутству-

Рис. 9.5. Аппарат воздушного охлаждения с горизонтальным расположением секций

Рис. 9.6. Ректификационная колонна с боковой отпарной секцией:
I - печь для подогрева; 2- ректификационная колонна

ют очень летучие компоненты, так называемые головные погоны нефти.
Для удаления легких фракций из бокового погона иногда предусматривается отпарная колонна (секция). Боковой погон поступает в верхнюю часть отпарной секции, легкие фракции отгоняются паром в противотоке и вновь направляются в основную колонну.
Имеются три вида отходов фракционирования сырой нефти: вода, отводимая из верхнего сборника перед рециркуляцией, содержит сульфиды, хлориды, меркаптаны и фенол; слив из линий для отбора проб нефти. Эта вода содержит повышенную концентрацию нефти, иногда - в виде эмульсий; устойчивая нефтяная эмульсия, образующаяся в барометрических конденсаторах, используемых для создания вакуума.
На современных нефтеперерабатывающих заводах вместо барометрических конденсаторов применяют поверхностные конденсаторы, состоящие из ряда последовательно установленных кожухотрубных теплообменников, в которых охлаждаются конденсирующиеся вещества, а вода для охлаждения не имеет прямого контакта с конденсатором.

Тема 9 «ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ»

1. Происхождение и состав нефти. Добыча и подготовка нефти к переработке.

3. Основы технологии производства и переработки полимерных материалов.

4. Основы технологии производства резинотехнических изделий.

Происхождение и состав нефти. Добыча и подготовка нефти к переработке

Из всех известных видов топлива наибольшее значение имеет органическое топливо, сжиганием которого получают тепловую энергию, а переработкой ‑ сырье для химической промышленности.

В настоящее время наиболее широко применяются продукты переработки нефти (нефтепродукты). Их производство осуществляется и в нашей стране, поэтому подробно рассмотрим технологии переработки нефти.

Нефть является жидким горючим ископаемым. Она залегает обычно на глубине 1,2 ‑2 км и более в пористых или трещиноватых горных породах (песках, песчаниках, известняках). Нефть представляет собой маслянистую жидкость от светло-коричневого до темно-бурого цвета со специфическим запахом, плотностью 0,65‑1,05 г/см 3 . По составу нефть представляет собой сложную смесь углеводородов, главным образом парафиновых и нафтеновых, в меньшей степени ‑ ароматических. Ее элементный состав (массовая доля, %): углерод (С) ‑ 82‑87, водород (Н) ‑ 11‑14, сера (S) ‑ ОД‑5,5.

В зависимости от получаемых из нефти продуктов существует три варианта ее переработки:

топливный , применяемый для получения моторного и котельного топлива;

топливно-масляный , которым вырабатывают топливо и смазочные масла;

нефтехимический (комплексный), продуктами которого являются не только топливо и масла, но и сырье для химической промышленности (олефины, ароматические и предельные углеводороды и др.).

Жидкое топливо, полученное из нефти, в зависимости от использования делят на:

карбюраторное (авиационные и автомобильные бензины) ‑ для двигателей внутреннего сгорания;

реактивное (керосин) ‑ для реактивных и газотурбинных двигателей;

Дизельное (газойль, соляровый дистиллят) ‑ для дизельных двигателей.

котельное (мазут) ‑ для топок паровых котлов, генераторных установок, металлургических печей. В общем случае переработка нефти на нефтепродукты включает ее добычу, подготовку и процессы первичной и вторичной переработки.

Добыча нефти осуществляется посредством бурения скважин.

Подготовка извлеченной из недр нефти заключается в удалении из нее примесей (попутного газа, пластовой воды с минеральными солями, механических включений) и стабилизации по составу. Эти операции проводят как непосредственно на нефтяных промыслах, так и на нефтеперерабатывающих заводах.

Первичная переработка нефти , осуществляемая физическими методами (главным образом прямой перегонкой), состоит в разделении ее на отдельные фракции (дистилляты), каждая из которых является смесью углеводородов.

Вторичная нефтепереработка представляет собой разнообразные процессы переработки нефтепродуктов, полученных в результате первичной переработки. Эти процессы сопровождаются деструктивными превращениями содержащихся в нефтепродуктах углеводородов и являются по своей сути химическими процессами.

Прямая перегонка нефти. Крекинг нефтепродуктов

Процесс прямой перегонки основан на явлениях испарения и конденсации смеси веществ с различными температурами кипения.

Кипение смеси начинается при температуре, равной средней температуры кипения составных частей. При этом в парообразную фазу переходят преимущественно легкие низкокипящие компоненты (имеющие меньшую плотность и кипящие при более низких температурах), а в жидкой фазе остаются высококипящие (имеющие большую плотность и кипящие при более высоких температурах). Если образовавшуюся парообразную фазу отвести и охладить, из нее конденсируется жидкая. В нее перейдут главным образом высококипящие (тяжелые) компоненты, а в парообразной фазе останутся легкие.

Таким образом, из исходной смеси получают три фракции. Одна из них, оставшаяся жидкой при кипении, содержит преимущественно высококипящие компоненты; вторая, сконденсировавшаяся, имеет состав, близкий к составу исходной смеси; третья, парообразная, содержит в основном низкокипящие компоненты.

За счет однократных (перегонка) либо многократных (ректификация) процессов кипения и конденсации полученных фракций можно добиться достаточно полного разделения низко- и высококипящих компонентов.

Технологический процесс прямой перегонки нефти состоит из четырех основных операций: нагрева смеси, испарения, конденсации и охлаждения полученных фракций.

В зависимости от глубины переработки нефти установки перегонки подразделяются на два вида:

Одноступенчатые, работающие при атмосферном давлении (AT);

Двухступенчатые (атмосферно-вакуумные) (АВТ), в которых первая ступень, как правило, работает при атмосферном давлении, а другая ‑ при давлении ниже атмосферного (5‑8 кПа)-

При двухступенчатой перегонке нефть предварительно обессоливают и обезвоживают, затем нагревают в трубчатой печи первой ступени до температуры 300 ‑ 350 ° С (на 25 ‑ 30 ° С выше температуры кипения). Разделение нефти на фракции производят в ректификационной колонне, которая представляет собой цилиндрический аппарат высотой 25 ‑ 55 м и диаметром 5 ‑ 7 м. Предварительно нагретую нефть подают в нижнюю часть колонны- Здесь нефть закипает и разделяется на две фазы: парообразную и жидкую. Жидкие продукты стекают вниз, а пары поднимаются вверх по колонне. В верхнюю часть колонны подается орошающая жидкость (флегма). Поднимающиеся снизу пары многократно контактируют по высоте колонны со стекающей жидкой фазой. Встречаясь с поднимающимися горячими парами, орошающая колонну жидкость нагревается и частично испаряется. Пары, отдавая ей теплоту, конденсируются, и конденсат стекает в нижнюю часть колонны. По мере подъема паров их температура уменьшается, при этом стекающая вниз флегма все более обогащается тяжелыми фракциями, поднимающиеся пары ‑ легкими. Внизу колонны собирается жидкость, содержащая наиболее тяжелые фракции (мазут). Мазут сливается из нижней части колонны и охлаждается в теплообменниках, нагревая при этом подаваемую в колонну нефть.

Для поддержания процесса кипения в ректификационную колонну подается перегретый пар, который уносит с собой остатки легких фракций, не испарившихся ранее. Самая легкая бензиновая фракция при температуре 180 ‑ 200 ° С отводится из колонны в виде паров в конденсатор и отделяется от воды в сепараторе. Часть бензиновой фракции возвращается в колонну для орошения.

С промежуточных зон колонны отводятся так называемые средние фракции: керосиновая, кипящая при температуре 200 ‑ 300 °С, и газойлевая (температура кипения 300 ‑ 350 °С). Иногда отводят также другие фракции, например лигроин (160‑200 °С), керосиногазойлевую фракцию (270-320 °С).

Полученный после первоначальной перегонки мазут (его выход ‑ около 55 % исходной нефти) из первой ректификационной колонны перекачивается в трубчатую печь второй ступени, где нагревается до 400 ‑ 420 °С. Из печи мазут поступает во вторую ректификационную колонну, работающую при давлении ниже атмосферного (остаточное давление ‑ 5 ‑ 8 кПа). Из Нижней части этой колонны выводится гудрон, а по высоте отбираются масляные дистилляты.

Производительность двухступенчатых установок составляет 8 ‑ 9 тыс. т нефти в сутки. Выход бензина при прямой перегонке зависит от фракционного состава нефти и колеблется от 3 до 1 5 % .

Основы технологии крекинга нефтепродуктов. Сравнительно малый выход бензина (до 15 %)при прямой перегонке вызывает необходимость переработки других, менее ценных фракций, получаемых при прямой перегонке нефти и содержащих тяжелые молекулы углеводородов. Такая переработка называется крекингом.

Крекинг (англ, to creak ‑ раскалывать, расщеплять) – расщепление длинных молекул тяжелых углеводородов входящих в состав, например мазута, на более короткие легких молекулы легких низкокипящих продуктов.

Главными факторами, влияющими на протекание процесса крекинга, являются температура и продолжительность выдержки: чем выше температура и больше продолжительность выдержки, тем полнее идет процесс и больше выход продуктов крекинга. Большое влияние на ход и направление процесса крекинга оказывают катализаторы. При соответствующем подборе катализатора можно проводить реакцию при меньших температурах, обеспечивая получение необходимых продуктов и увеличение их выхода.

Исходя из вышеизложенного, различают две разновидности крекинга: термический и каталитический.

Термический крекинг ведут при повышенных температурах под высоким давлением (температура 450‑500 °С и давление 2‑7 МПа). Основной целью термического крекинга является получение светлого топлива из мазута или гудрона.

Термический крекинг осуществляется в трубчатых печах, в которых происходит расщепление тяжелых углеводородов.

Далее смесь продуктов крекинга и непрореагировавшего сырья проходит через испаритель, в котором отделяется креаток, т.е. вещества, не поддающиеся крекингу. Легкие продукты поступают в ректификационную колонну для разделения и получения легких товарных фракций. При термическом крекинге, например мазута, примерный состав продуктов следующий: крекинг-бензина ‑ 30‑35 %, крекинг-газов ‑ 10‑15, крекинг-остатка ‑ 50‑55 %. Крекинг-бензины применяются как компоненты автомобильных бензинов, крекинг-газы используются как топливо или сырье для синтеза органических соединений; крекинг-остаток, представляющий собой смесь смолистых, асфальтеноновых веществ, применяется как котельное топливо или сырье дяля производства битумов.

Термический крекинг может быть двух видов: низкотемпературный (висбрекинг) и высокотемпературный (пиролиз).

Низкотемпературный к р е к и н г осуществляется при температуре 440‑500 °С и давлении 1,9‑3 МПа, при этом длительность процесса составляет 90‑200 с. Он используется в основном для получения котельного топлива из мазута и гудрона.

Высокотемпературный крекинг протекает при температуре 530‑600 °С и давлении 0,12‑0,6 МПа и длится 0,5‑3 с. Его основное назначение ‑ получение бензина и этилена. В качестве побочных продуктов образуются пропилен, ароматические углеводороды и их производные.

Каталитический крекинг ‑ переработка нефтепродуктов в присутствии катализатора. В последнее время этот метод находит все большее применение для получения светлых нефтепродуктов, в том числе бензинов. К его достоинствам относят:

Высокую скорость процесса, в 500‑4000 раз превышающую скорость термического крекинга, и как следствие, ‑ более мягкие условия процесса и меньшие энергозатраты;

Увеличение выхода товарных продуктов, в том числе бензинов, характеризующихся высоким октановым числом и большей стабильностью при храпении;

Возможность ведения процесса в нужном направлении и получение продуктов определенного состава;

большой выход газообразных углеводородов, являющихся сырьем для органического синтеза;

использование сырья с высоким содержанием серы вследствие гидрирования сернистых соединений и выделения их в газовую фазу с последующей утилизацией.

В качестве катализаторов на установках каталитического крекинга используются синтетические алюмосиликаты.

Продукты каталитического крекинга из реактора поступают в ректификационную колонну, где разделяются на газы, бензин, легкий и тяжелый каталитические газойли. Непрореагировавшее сырье из нижней части колонны возвращается в реактор.

Примерный выход продуктов при каталитическом крекинге следующий: крекинг-бензин ‑ 35 ‑ 40 % ; крекинг-газ ‑ 15 % легкий крекинг-газойль ‑ 35 ‑ 40 % , тяжелый крекинг-газойль ‑ 5‑8 % .

Бензин каталитического крекинга характеризуется хорошими эксплуатационными свойствами. Газы каталитического крекинга выгодно отличаются высоким содержанием изобутана и бутилена, используемых в производстве синтетических каучуков.

Разновидностью каталитического крекинга является риформинг, ход реакций в котором направлен главным образом на образование ароматических углеводородов и изомеров. В зависимости от катализатора различают следующие разновидности риформинга:

Платформинг (катализатор на основе платины);

Рениформинг (катализатор на основе рения).

На практике наибольшее распространение получил платформинг, представляющий собой каталитический процесс переработки бензино-лигроиновых фракций прямой перегонки, осуществляемый в присутствии водорода. Если платформинг проводится при 480 ‑ 510 °С и давлении от 15- 10 5 до 3 10 6 Па, то в результате образуются бензол, толуол и ксилол. При давлении 5 10 6 Па получаются бензины, отличающиеся наивысшей стабильностью и малым содержанием серы.

Наряду с жидкими продуктами при всех способах каталитическогориформинга образуются газы, содержащие водород, метан, пропан и бутан. Газы риформинга используют как сырье для органического и неорганического синтеза: метанола (этилового спирта), аммиака и других соединений. Выход газов каталитического риформинга составляет 5‑15 % массы сырья. Завершающей стадией нефтепереработки является очистка нефтепродуктов , которая осуществляется химическими и физико-химическими способами. К химическим методам очистки нефтепродуктов относятся очистка серной кислотой и с помощью водорода (гидроочистка,) к физико-химическим ‑ адсорбционные и абсорбционные способы очистки.

Сернокислотная очистка заключается в том, что продукт смешивают с небольшим количеством 90‑93 % Н 2 SО 4 при обычной температуре. В результате химических реакций получаются очищенный продукт и отходы, которые можно использовать для производства серной кислоты.

Гидроочистка заключается во взаимодействии водорода с очищаемым продуктом в присутствии алюмокобальтмолибденовых катализаторов при температуре 380‑420 °С и давлении от 35 10 5 до 4 10 6 Па и удалении сероводорода, аммиака и воды.

При адсорбционном методе очистки нефтепродукты обрабатывают отбеливающими глинами или силикагелем. В этом случае адсорбируются сернистые, кислородосодержащие соединения, смолы и легкоминерализующиеся углеводороды.

Абсорбционные методы очистки заключаются в избирательном (селективном) растворении вредных компонентов нефтепродуктов. В качестве селективных растворителей как правило используются жидкая двуокись серы, фурфурол, нитробензол, дихлорэтиловый эфир и др.

После очистки нефтепродукты не всегда остаются стабильными. В этих случаях к ним добавляются в очень небольших количествах антиокислители (ингибиторы), резко замедляющие реакции окисления смолистых веществ, входящих в состав нефтепродуктов. В качестве ингибиторов применяют фенолы, ароматические амины и другие соединения. Переработка нефти характеризуется высоким уровнем затрат на сырье (50-75 % себестоимости продуктов нефтепереработки)электрическую и тепловую энергию, а также на основные фонды. Уровень затрат в нефтепереработке существенно зависят от состава нефти, предопределяющего глубину ее переработки, технологической схемы переработки, степени подготовки сырья к переработке и т.д. Так, при переработке высокосернистой нефти дополнительные капитальные и эксплуатационные затраты на ее перекачку и подготовку примерно в 1,5 выше, чем при переработке малосернистой нефти. В свою очередь высокопарафинистая вязкая нефть требует дополнительных затрат по ее депарафинизации, перекачке и хранению.