Перегонка нефти. Фракционная перегонка нефти

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.

Сущность нефтеперерабатывающего производства
Процесс переработки нефти можно разделить на 3 основных этапа:
1. Разделение нефтяного сырья на фракции, различающиеся по интервалам температур кипения (первичная переработка) ;
2. Переработка полученных фракций путем химических превращений содержащихся в них углеводородов и выработка компонентов товарных нефтепродуктов (вторичная переработка) ;
3. Смешение компонентов с вовлечением, при необходимости, различных присадок, с получением товарных нефтепродуктов с заданными показателями качества (товарное производство) .
Продукцией НПЗ являются моторные и котельные топлива, сжиженные газы, различные виды сырья для нефтехимических производств, а также, в зависимости от технологической схемы предприятия - смазочные, гидравлические и иные масла, битумы, нефтяные коксы, парафины. Исходя из набора технологических процессов, на НПЗ может быть получено от 5 до более, чем 40 позиций товарных нефтепродуктов.
Нефтепереработка - непрерывное производство, период работы производств между капитальными ремонтами на современных заводах составляет до 3-х лет. Функциональной единицей НПЗ является технологическая установка - производственный объект с набором оборудования, позволяющего осуществить полный цикл того или иного технологического процесса.
В данном материале кратко описаны основные технологические процессы топливного производства - получения моторных и котельных топлив, а также кокса.

Поставка и приём нефти
В России основные объёмы сырой нефти, поставляемой на переработку, поступают на НПЗ от добывающих объединений по магистральным нефтепроводам. Небольшие количества нефти, а также газовый конденсат, поставляются по железной дороге. В государствах-импортёрах нефти, имеющих выход к морю, поставка на припортовые НПЗ осуществляется водным транспортом.
Принятое на завод сырьё поступает в соответствующие емкости товарно-сырьевой базы (рис.1), связанной трубопроводами со всеми технологическими установками НПЗ. Количество поступившей нефти определяется по данным приборного учёта, или путём замеров в сырьевых емкостях.

Подготовка нефти к переработке (электрообессоливание)
Сырая нефть содержит соли, вызывающие сильную коррозию технологического оборудования. Для их удаления нефть, поступающая из сырьевых емкостей, смешивается с водой, в которой соли растворяются, и поступает на ЭЛОУ - электрообессоливащую установку (рис.2). Процесс обессоливания осуществляется в электродегидраторах - цилиндрических аппаратах со смонтированными внутри электродами. Под воздействием тока высокого напряжения (25 кВ и более), смесь воды и нефти (эмульсия) разрушается, вода собирается внизу аппарата и откачивается. Для более эффективного разрушения эмульсии, в сырьё вводятся специальные вещества - деэмульгаторы . Температура процесса - 100-120°С.

Первичная переработка нефти
Обессоленная нефть с ЭЛОУ поступает на установку атмосферно-вакуумной перегонки нефти, которая на российских НПЗ обозначается аббревиатурой АВТ - атмосферно-вакуумная трубчатка . Такое название обусловлено тем, что нагрев сырья перед разделением его на фракции, осуществляется в змеевиках трубчатых печей (рис.6) за счет тепла сжигания топлива и тепла дымовых газов.
АВТ разделена на два блока - атмосферной и вакуумной перегонки .

1. Атмосферная перегонка
Атмосферная перегонка (рис. 3,4) предназначена для отбора светлых нефтяных фракций - бензиновой, керосиновой и дизельных, выкипающих до 360°С, потенциальный выход которых составляет 45-60% на нефть. Остаток атмосферной перегонки - мазут.
Процесс заключается в разделении нагретой в печи нефти на отдельные фракции в ректификационной колонне - цилиндрическом вертикальном аппарате, внутри которого расположены контактные устройства (тарелки) , через которые пары движутся вверх, а жидкость - вниз. Ректификационные колонны различных размеров и конфигураций применяются практически на всех установках нефтеперерабатывающего производства, количество тарелок в них варьируется от 20 до 60. Предусматривается подвод тепла в нижнюю часть колонны и отвод тепла с верхней части колонны, в связи с чем температура в аппарате постепенно снижается от низа к верху. В результате сверху колонны отводится бензиновая фракция в виде паров, а пары керосиновой и дизельных фракций конденсируются в соответствующих частях колонны и выводятся, мазут остаётся жидким и откачивается с низа колонны.

2. Вакуумная перегонка
Вакуумная перегонка (рис.3,5,6) предназначена для отбора от мазута масляных дистиллятов на НПЗ топливно-масляного профиля, или широкой масляной фракции (вакуумного газойля) на НПЗ топливного профиля. Остатком вакуумной перегонки является гудрон.
Необходимость отбора масляных фракций под вакуумом обусловлена тем, что при температуре свыше 380°С начинается термическое разложение углеводородов (крекинг) , а конец кипения вакуумного газойля - 520°С и более. Поэтому перегонку ведут при остаточном давлении 40-60 мм рт. ст., что позволяет снизить максимальную температуру в аппарате до 360-380°С.
Разряжение в колонне создается при помощи соответствующего оборудования, ключевыми аппаратами являются паровые или жидкостные эжекторы (рис.7).

3. Стабилизация и вторичная перегонка бензина
Получаемая на атмосферном блоке бензиновая фракция содержит газы (в основном пропан и бутан) в объёме, превышающем требования по качеству, и не может использоваться ни в качестве компонента автобензина, ни в качестве товарного прямогонного бензина. Кроме того, процессы нефтепереработки, направленные на повышение октанового числа бензина и производства ароматических углеводородов в качестве сырья используют узкие бензиновые фракции. Этим обусловлено включение в технологическую схему переработки нефти данного процесса (рис.4), при котором от бензиновой фракции отгоняются сжиженные газы, и осуществляется её разгонка на 2-5 узких фракций на соответствующем количестве колонн.

Продукты первичной переработки нефти охлаждаются в теплообменниках , в которых отдают тепло поступающему на переработку холодному сырью, за счет чего осуществляется экономия технологического топлива, в водяных и воздушных холодильниках и выводятся с производства. Аналогичная схема теплообмена используется и на других установках НПЗ.

Современные установки первичной переработки зачастую являются комбинированными и могут включать в себя вышеперечисленные процессы в различной конфигурации. Мощность таких установок составляет от 3 до 6 млн. тонн по сырой нефти в год.
На заводах сооружается несколько установок первичной переработки во избежание полной остановки завода при выводе одной из установок в ремонт.

Продукты первичной переработки нефти

Наименование	Интервалы кипения (состав)	Где отбирается	Где используется (в порядке приоритета)
Рефлюкс стабилизации	Пропан, бутан, изобутан	Блок стабилизации	Газофракционирование, товарная продукция, технологическое топливо
Стабильный прямогонный бензин (нафта)		Вторичная перегонка бензина	Смешение бензина, товарная продукция
Стабильная легкая бензиновая		Блок стабилизации	Изомеризация, смешение бензина, товарная продукция
Бензольная		Вторичная перегонка бензина	Производство соответствующих ароматических углеводородов
Толуольная		Вторичная перегонка бензина
Ксилольная		Вторичная перегонка бензина
Сырьё каталитического риформинга		Вторичная перегонка бензина	Каталитический риформинг
Тяжелая бензиновая		Вторичная перегонка бензина	Смешение керосина, зимнего дизтоплива, каталитический риформинг
Компонент керосина		Атмосферная перегонка	Смешение керосина, дизельных топлив
Дизельная		Атмосферная перегонка	Гидроочистка, смешение дизтоплив, мазутов
		Атмосферная перегонка (остаток)	Вакуумная перегонка, гидрокрекинг, смешение мазутов
Вакуумный газойль		Вакуумная перегонка	Каталитический крекинг, гидрокрекинг, товарная продукция, смешение мазутов.
		Вакуумная перегонка (остаток)	Коксование, гидрокрекинг, смешение мазутов.

*) - н.к. - начало кипения
**) - к.к. - конец кипения

Фотографии установок первичной переработки различной конфигурации

Рис.5. Установка вакуумной перегонки мощностью 1,5 млн. тонн в год на Туркменбашинском НПЗ по проекту фирмы Uhde.	Рис. 6. Установка вакуумной перегонки мощностью 1,6 млн. тонн в год на НПЗ "ЛУКОЙЛ-ПНОС". На переднем плане - трубчатая печь (жёлтого цвета).	Рис.7. Вакуумсоздающая аппаратура фирмы Graham. Видны 3 эжектора, в которые поступают пары с верха колонны.

Сергей Пронин

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

"Средняя общеобразовательная школа № 3"

Реферат

на тему: "Нефть"

Выполнила: Рыбалкина Дарья

Ученица 10 Б класса

Проверила: Мухамадиева А.З.

Стерлитамак

Метаморфозы

Привычно называя нефть "чёрным золотом", мы не всегда задумываемся над тем, насколько верно это ставшее уже штампом определение. А между тем нефть и в самом деле важнейшее полезное ископаемое. Это настоящая кладовая природы, главная "стратегическая жидкость" наших дней, на протяжении всего ХХ в. нередко ссорившая и мирившая целые государства. Знакомство человека с ней состоялось несколько тысячелетий назад.

Упоминания о сочащейся из горных пород коричневой либо тёмно-бурой маслянистой жидкости со специфическим запахом встречаются в трудах древних историков и географов - Геродота, Плутарха, Страбона, Плиния Старшего.

Уже в те давние времена люди научились использовать "каменное масло" (лат. petroleum), как назвал нефть Агрикола. Наиболее широкое применение в древности нашли тяжёлые нефти - твёрдые либо вязкие вещества, которые сейчас называют асфальтами и битумами.

Асфальт издавна использовали при мощении дорог, для промазывания стенок водных резервуаров и днищ кораблей. Вавилоняне смешивали его с песком и волокнистыми материалами и приняли при сооружении зданий.

Жидкая нефть в Египте и Вавилоне употреблялась в качестве дезинфицирующей мази, а также как бальзамирующее вещество. Народы Ближнего Востока использовали её в светильниках вместо масла. А византийцы обстреливали вражеские корабли горшками, наполненными смесью нефти и серы, как зажигательными снарядами. Это грозное оружие вошло в историю под названием "греческий огонь".

Однако лишь в ХХ столетии нефть стала основным сырьём для производства топлива и множества органических соединений.

Под действием ряда бактерий происходит разложение органических веществ и выделяется водород, необходимый для превращения органического материала в нефть…

Академиком Н.Д. Зелинским, профессором В.А. Соколовым и рядом других исследователей большое значение в процессе нефтеобразования придавалось радиоактивным элементам. Действительно, доказано, что органические вещества под действием альфа-лучей распадаются быстрее и при этом образуются метан и ряд нефтяных углеводородов.

Академик Н.Д. Зелинский и его ученики установили, что большую роль в процессе нефтеобразования играют катализаторы.

В более поздних работах академик Зелинский доказал, что входящие в состав животных и растительных остатков пальмитовая, стеариновая и другие кислоты при воздействии хлористого алюминия в условиях сравнительно невысоких температур (150-400 0) образуют продукты, по химическому составу, физическим свойствам и внешнему виду похожие на нефть. Профессор А.В. Фрост установил, что вместо хлористого алюминия - катализатора, отсутствующего в природе, - его роль в процессе нефтеобразования играют обыкновенные глины, глинистые известняки и другие породы, содержащие глинистые минералы.

Перегонка нефти

При постепенном нагревании нефти можно последовательно выделять продукты, у которых температура кипения будет все выше и выше. Соединения, кипящие в определенных интервалах температур, объединяются в группы - фракции.

Перегонкой нефти занимались уже в Средние века в Закавказье, на Западной Украине, в Малой Азии. А пионерами тут были, по-видимому, древние арабы, которые использовали получаемые таким образом нефтепродукты в качестве осветительного "масла". Первую в мире заводскую нефтеперегонную установку соорудил в начале ХVIII в., когда появилась необходимость в горючем для бытовых керосиновых ламп. Первое время в них просто заливали нефть, Больше всего ценились так называемые легкие нефти, содержащие в основном углеводороды с низкой температурой кипения. Но их не хватало, и с каждым годом все острее становилась потребность в других нефтепродуктах с аналогичными свойствами.

В 1823 г. на Северном Кавказе, в районе города Моздока, была сооружена промышленная установка для перегонки нефти. В Англии подобный процесс начали осваивать лишь с 1848 г. по технологии, предложенной инженером Джеймсон Янгом. А в 1853 г. канадский химик и геолог Абрахам Геснер получил патент на производство из нефти топлива, которое он назвал керосином.

Первое подробное исследование перегонки нефти было произведено американским химиком Бенджамином Саллиманом, а первую в США промышленную установку построили в 1859 г. в городе Титусвилл (штат Пенсильвания).

Сначала в таких установках использовали перегонный куб, а в середине 80-х гг. ХIХ в. на смену ему пришли кубовые батареи, Если в куб после завершения цикла перегонки нужно было заливать новую порцию нефти, то батареи действовали непрерывно подача нефти в них шла постоянно.

Первый завод для очистки нефти был построен в России на Ухтинском нефтяном промысле. В период царствования Елизаветы Петровны. В Петербурге и в Москве тогда для освещения пользовались свечами, а в малых городах и в деревнях - лучинами. Но уже и тогда во многих церквях горели "неугасимые" лампады. В лампады наливалось гарное масло, которое было не чем иным, как смесью очищенной нефти с растительным маслом.

С появлением ламп увеличился спрос на керосин.

Шаг первый. Термический крекинг.

С появлением в конце 19 века двигателей внутреннего сгорания, топливом для которых служил бензин, начался настоящий нефтяной бум. Стремительно расширяющийся парк автомобилей, самолетов требовал все больше и больше горючего, представляющего собой низкокипящие легкие углеводороды нефти. Между тем бензин тогда получали путем простой перегонки сырой нефти (он так и назывался - прямогонный), и его не хватало, да и качества он был невысокого.

Начался поиск новых процессов превращения фракций прямой перегонки нефти в бензин. В конце концов исследования показали, что при нагревании нефти до 450 - 550 С под давлением в несколько атмосфер часть тяжелых углеводородов расщепляется, превращаясь в более легкие, как правило неопределенного строения, При этом ароматические и насыщенные циклические углеводороды, имеющие длинные боковые цепи, теряют их. В результате продуктом перегонки оказывается широкий спектр углеводородов, из которых основную часть составляет бензиновая фракция.

В 1913 году американец Уильям Бертон разработал технологию термического крекинга. Первая промышленная установка, основанная на этом методе, была создана компанией "Стэндард Ойл" в 1916 г. Так дешевые тяжелые фракции стали источником бензина, и эффективность использования "черного золота" возросла, Если в 1909 г. из 100 литров перерабатываемой нефти получали только 11 л бензина, то 1929 г. - уже 44 л.

Шаг второй. Каталитический крекинг.

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания требовало бензина, который обладал бы надежной детонационной стойкостью - не взрывался при сжатии внутри камеры. Такой показатель характеризуется октановым числом: чем оно выше, тем лучше детонационная стойкость, при термическом же крекинге октановое число: чем оно выше, тем лучше детонационная стойкость, При термическом же крекинге октановое число получающегося бензина было невысоким, да и выход горючего оставлял желать лучшего.

Решение было найдено после открытия франко - американским инженером и автогонщиком Эженом Гудри (1892 - 1962) в 1936 г. процесса крекинга углеводородов на катализаторе, Таким катализатором оказался алюмосиликат - соединение, содержащее смесь оксидов алюминия и кремния, Используя его при переработке тяжелых газойлей и мазута, можно увеличить выход бензина и легких газойлей до 80%.

Несмотря на то что основу как термического, так и каталитического крекинга составляет разрушение сложных органических молекул до более простых, происходящие при этом реакции и получаемые продукты существенно различаются. При каталитическом крекинге большие углеводородные молекулы распадаются на части под действием не только температуры, но и катализатора, благодаря которому процесс идет при более низкой температуре (450 - 500 С). При этом, в отличие от термического крекинга, образуется больше изомерных разветвленных углеводородов, а значит, повышается октановое число бензина; алициклические углеводороды превращаются в ароматические (происходит так называемая ароматизация нефти). Качество, в том числе детонационная стойкость, бензина, полученного методом каталитического крекинга, значительно повышается.

Первые установки каталитического крекинга были созданы компаниями "Сан Ойл" и "Сокони - Вккум"

К концу 30 - х гг. в Соединенных Штатах, а после Второй мировой войны - в нашей стране и в Европе этот процесс стал одним из основных.

Сначала катализаторами крекинга служили обыкновенные природные глины, Затем они были заменены синтетическими аморфными алюмосиликатами, которые использовались вплоть до начала 70 -х гг. А позднее на смену им пришли катализаторы на основе цеолитов - кристаллических, не аморфных силикатов. Ныне известно более 100 модификаций таких промышленных катализаторов.

Шаг третий. Риформинг.

Потребность в высококачественным топливе для транспорта стимулировала разработку еще одного процесса "облагораживания" бензиновых фракций. Было установлено, что октановое число бензина тем выше, чем больше в нем содержится ароматических углеводородов.

В основе нового технологического процесса, ставшего мощным рывком вперед, лежит открытая и исследованная в 20 -х годов Н.Д. Зелинским реакция ароматизации насыщенных углеводородов в присутствии катализаторов на основе благородных металлов. Металлы платиновой группы совершают настоящие чудеса: в их присутствии насыщенные углеводороды при повышенных температурах превышаются в изоалкены и циклические алканы (нафтены), а последние - в соответствующие ароматические соединения.

Зачем нам вставать, еслирассвело?

Джон Донн «Рассвет»

Случайный человек, который пройдет мимо нефтепе­рерабатывающего завода и увидит множество высоких колонн, наверное решит, что это колонны крекинга. Это распространенная ошибка. Большинство этих высоких колонн является в действительности ректификационны­ми колоннами того или иного типа. Колонны крекинга, которые обычно короче и приземистее, будут рассмотре­ны в одной из следующих глав.

Перегонка нефти является замечательным изобрете­нием технологов-нефтяников, основанным на важной ха­рактеристике нефти, описанной в предыдущей главе, а именно, на кривой разгонки. Механизм, который при этом используется, не очень сложен и поэтому не осо­бенно интересен. Однако для полноты изложения мы рас­смотрим здесь и эти элементарные веши.

Для начала полезно провести аналогию. Самогонщик из Кентукки использует простой перегонный куб, чтобы отделить светлый продукт от негодного остатка (см. рис. 3.1). После ферментации кислого сусла, то есть ког­да прошла медленная биохимическая реакция с образо­ванием спирта, смесь нагревают до начала кипения спир­та. Светлый продукт испаряется. В виде пара он оказыва­ется легче жидкости. Поэтому он перемещается вверх, отделяется от жидкости и попадает в холодильник, где охлаждается и снова превращается в жидкость (конден­сируется). То, что остаётся в кубе, выбрасывают, а то,

Что ушло вверх, разливают в бутылки. Описанный про­цесс является простой перегонкой.

Если бы самогонщик захотел продать продукт каче­ством выше среднего, он мог бы пропустить полученную жидкость через второй перегонный куб периодического действия, работающий аналогично первому. Во втором кубе более легкая часть жидкости отделилась бы от неко­торого количества неспиртовых примесей, которые в пер­вом кубе были увлечены вверх вместе с более легким погоном. Это произошло из-за того, что самогонщик не мог точно выдержать температуру кипения кислого сусла. Впрочем, возможно, он специально поднял температуру в первом кубе немного выше, чем нужно, чтобы полу­чить как можно больше продукта.

Такой двухступенчатый процесс можно превратить в непрерывный, как это показано на рисунке 3.2. В самом деле, раньше многие промышленные установки для пе­регонки выглядели именно так.

Ясно, что периодическая перегонка, описанная выше, не годится для переработки 100-200 тыс. баррелей (~16- 32 тыс. м3) сырой нефти в день, тем более что нужно разделить нефть на 5-6 компонентов. Ректификационная колонна позволяет проводить эту операцию постоянно, затрачивая гораздо меньше труда, оборудования и энер­гии в виде топлива и тепла.

Процесс, происходящий в ректификационной колон­не, схематично показан на рисунке 3.3. Внутрь поступает сырая нефть, а наружу выходят углеводородные газы (бу­тан и более лёгкие газы), бензин, нафта (лигроин), керо­син, лёгкий газойль, тяжелый газойль и кубовый остаток.

Чтобы понять, как все происходит внутри колонны, требуется рассмотреть некоторые тонкости. Первый эле­мент, который необходим для работы колонны - это сырьевой насос, перекачивающий сырую нефть из склад­ского резервуара в систему (см. рис. 3.4). Сначала нефть проходит через печь, в которой нагревается до темпера-

Рис. 3.3. Перегонка нефти

Туры порядка 385°С (750°F). Из предыдущей главы Вы знаете, что при этой температуре, как правило, испаря­ется больше половины нефти.

Полученная таким образом смесь жидкости и паров подаётся снизу в ректификационную колонну.

Внутри ректификационной колонны находится набор тарелок, в которых проделаны отверстия. Благодаря этим отверстиям нефть может подниматься вверх. Когда смесь пара и жидкости поднимается по колонне, то более плот­ная и тяжёлая часть отделяется и опускается на дно, а лёгкие пары поднимаются вверх, проходя через тарелки (рис. 3.5).

Отверстия в тарелках снабжены приспособлениями, называемыми барботажными колпачками (рис. 3.6). Они нужны для того, чтобы пары, через та­

Релки, барботировали через слой жидкости толщиной около 10 см, находящийся на тарелке. Это пробулькива - ние газа через слой жидкости и составляет суть ректифи­кации: горячие пары (при температуре не ниже 400°С

Рис. 3.5. Поступление нефти в ректификационную колонну.

Рис. 3.6. Барботажные колпачки на тарелке ректификацион­ной колонны

(750°F) проходят через жидкость. При этом тепло пере­дается от паров к жидкости. Соответственно пузырьки пара несколько охлаждаются и часть углеводородов из них переходит в жидкое состояние. По мере переноса тепла от паров к жидкости, температура паров снижает­ся. Так как температура жидкости ниже, некоторые со­единения в парах конденсируются (сжижаются).

После того как пары прошли через слой жидкости и потеряли часть более тяжелых углеводородов, они под­нимаются к следующей тарелке, где повторяется тот же процесс.

Тем временем количество жидкости на каждой тарел­ке растет за счет углеводородов, конденсирующихся из паров. Поэтому в колонне устанавливают приспособле­ние, которое называется сливной стакан и позволяет из­бытку жидкости перетекать вниз на следующую тарелку. Число тарелок должно быть таким, чтобы общее количе­ство продуктов, выходящих из ректификационной ко­лонны, было равным количеству сырой нефти, поступа­ющей внутрь. В действительности, некоторые молекулы несколько раз путешествуют туда и обратно - в виде пара поднимаются на несколько тарелок вверх, затем конденсируются и стекают уже как жидкость на несколь­ко тарелок вниз через сливные стаканы Именно эта про-

Рис. 3.7. Сливные стаканы и боковые выходы.

Мывка пара жидкостью за счет противотока и обеспечи­вает четкое разделение фракций. За один проход это было бы невозможно.

На различных уровнях колонны имеются боковые от­воды (рис. 3.7) для отбора фракций - более легкие про­дукты отбираются в верхней части колонны, а тяжелая жидкость выходит внизу.

Орошение и повторное испарение

Несколько дополнительных операций, происходящих вне ректификационной колонны, способствуют более ус­пешному проведению процесса перегонки. Чтобы тяже­лые продукты случайно не попали в верхнюю часть ко­лонны вместе с легкими фракциями, пары периодичес­ки направляют в холодильник. Вещества, которые кон­денсируются в холодильнике, снова поступают на одну из расположенных ниже тарелок. Это своего рода ороше­ние ректификационной колонны (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Орошение и повторное испарение.

И наоборот, некоторое количество легких углеводоро­дов может быть увлечено током жидкости в нижнюю часть колонны вместе с тяжелыми продуктами. Чтобы избежать этого, жидкость, выходящую через боковой от­вод, снова пропускают через нагреватель. В результате остатки легких углеводородов отделяются и повторно по­ступают в ректификационную колонну в виде пара. Этот процесс называется повторным испарением. Преимущество такой схемы заключается в том, что только небольшая часть общего потока сырой нефти должна повторно пе­рерабатываться для дополнительного возвращения про­дукта. Не нужно снова нагревать всю нефть, что позволя­ет сэкономить энергию и .

Орошение и повторное испарение могут с тем же ус­пехом использоваться и в средней части колонны, что также способствует эффективному разделению. Повторно испаренная фракция, которая поступает в колонну, вно­сит туда дополнительное тепло, что помогает легким мо­лекулам отправиться в верхнюю часть колонны. Точно так же орошение предоставляет тяжелым молекулам, ко­торые случайно оказались выше, чем им положено, пос­ледний шанс сконденсироваться в жидкость.

Состав некоторых сырых нефтей может быть таким, что на части тарелок в колонне не окажется достаточно­го количества парожидкостной смеси. В этих случаях оро­шение и повторное испарение позволяют регулировать потоки так, чтобы процесс ректификации (разделения) мог продолжаться.

При анализе процесса перегонки нефти принципиаль­но важной характеристикой являются границы кипения фракций. Так называют температуры, при которых продук­ты перегонки отделяются друг от друга. В частности, тем­пература, при которой продукт (фракция, погон) начи­нает кипеть, называется точкой начала кипения (ТНК). Температура, при которой 100% данной фракции испари­лось, называется точкой выкипания (ТВ) этой фракции. Таким образом, каждая фракция имеет две границы - ТНК и ТВ.

Если мы снова обратимся к диаграмме, изображенной на рисунке 3.3, то легко увидим, что температура выкипа­ния нафты (лигроина) является точкой начала кипения для керосиновой фракции. То есть ТНК и ТВ двух соседних фракций совпадают, по крайней мере, номинально.

Однако ТНК и ТВ могут и не совпадать - это зависит от того, насколько хорошее разделение обеспечивает про­цесс ректификации. Возможно, рассматривая всю эту си­стему тарелок и барботажных колпачков, Вы задавали себе вопрос, насколько же хорош результат. Естественно, процесс перегонки неидеален и приводит к появлению, извините за выражение, так называемых хвостов.

Предположим, что мы анализируем нафту (лигроин) и керосин в лаборатории и для каждой из этих фракций получили кривые разгонки - такие, как изображены на рисунке 3.9. Рассмотрите их внимательно, и Вы заметите, что температура выкипания нафты около a

Точка начала кипения керосина около 150°С (305°F).

Рисунок 3.10 более наглядно иллюстрирует, что такое хвосты. На этом рисунке изображена зависимость температу­ры, но на этот раз не от общей объемной доли испарившей­ся нефти, а от объемной доли нефти, испарившейся имен­но при этой температуре (для тех, кто знаком с математи­ческим анализом, можно сказать, что это первая производ­ная функции, обратной изображенной на рисунке 3.9).

Хвосты почти всегда появляются при перегонке. Это настолько обычное явление, что считается само собой разумеющимся. Однако чтобы не усложнять себе жизнь, пришли к компромиссу. В качестве границ фракций при 1 перегонке берут так называемые эффективные границы | кипения, то есть температуры, при которых фракции ус­ловно считаются разделенными. В дальнейшем, при упот­реблении термина границы кипения, мы будем иметь в виду эффективные границы.

Рис. 3.10. Хвосты фракций на кривой разгонки.

Установление границ фракций

Когда мы рассматривали границы фракций в преды­дущей главе, а также обсуждали их выше, могло сло­житься впечатление, что эти величины для каждой фрак­ции точно установлены. На самом же деле в применении к конкретной ректификационной колонне эти границы можно несколько смещать. Например, смещение грани­цы между нафтой (лигроином) и керосином может иметь следующие последствия. Предположим, что температур­ная граница сместилась со 157 (315) до 162°С (325°F). Во - первых, при этом изменятся объемы продуктов ректифи­кации, выходящих из колонны - получится больше на - фты и меньше керосина. Дело в том, что фракция, кипя­щая между 157 и 162°С, теперь будет выходить через отверстие для нафты, а не для керосина.

При этом плотность и нафты (лигроина), и керосина увеличится. Как же так может быть? Погон, который теперь переместился во фракцию нафты (лигроина), тя­желее, чем нафта в среднем. Одновременно он легче, чем в среднем керосин. Вот так обе фракции и стали тяжелее!

Некоторые другие свойства также изменятся, но плот­ность - единственная халактепистика. котопую МЫ до

Сих пор рассмотрели. При обсуждении дальнейшей судь­бы продуктов перегонки в последующих главах мы упо­мянем другие возможные последствия изменения границ кипения фракций.

Если Вы сейчас узнаете, куда отправляются продукты, полученные при перегонке, Вам будет легче понять суть последующих глав. Легкие фракции, выходящие в верхней части колонны (верхний погон), поступают на установку газофракционирования. Прямогонный бензин отправляет­ся на компаундирование для получения автомобильного бензина. Нафта (лигроин) подается на установку рифор - минга, керосин поступает на установку гидроочистки, лег­кий газойль направляется на смешение для получения ди - стиллятного (дизельного) топлива, тяжелый газойль слу­жит сырьем для каталитического крекинга, и, наконец, прямогонный остаток подается на вакуумную перегонку.

УПРАЖНЕНИЯ

1. Заполните пропуски, выбрав слова из следующего списка:

Печь прямогонный бензин

Сырая нефть фракционирование

Периодический непрерывный

Увеличивается уменьшается

Верхний погон холодильник барботажный колпачок

А. Когда самогон выходит из верхней части перегонного

Куба, его нужно пропустить через, прежде

Чем разливать в бутылки.

Б. режим не очень эффективен в совре­

Менной нефтепереработке. В настоящее время рек­тификация сырой нефти осуществляется только в режиме.

В. Приспособление, увеличивающее эффективность пере­мешивания в ректификационной колонне, называется

TOC \o "1-3" \h \z г. Отверстия в тарелках ректификационной колонны снабжены либо.

Д. Хвосты возникают, потому что одной

Фракции перекрывается с другой

Е. По мере продвижения паров вверх по колонне, их тем­пература.

Ж. При понижении температуры выкипания фракции в ректификационной колонне, объем этой фракции а плотность API.

2. Управляющий нефтеперерабатывающего завода по­лучил задание производить зимой 33 тыс. бар./сут котельного топлива. Он знает, что будет получать 200 тыс. бар./сут сырой нефти - 30 тыс. бар. из Луизиа­ны и 170 тыс. бар. из Западного Техаса. Кривые разгон­ки этих нефтей приведены ниже. Еще одно условие " состоит в том, что требуется получить как можно боль­ше реактивного топлива. То есть из нефти нужно вы­жать как можно больше. Интервал кипения реактивно­го топлива - 300-525°F (150-275°С), это и будут гра­ницы соответствующей фракции в ректификационной колонне.

Наконец, чтобы обеспечить выпуск 33 тыс. бар./сут ко­тельного топлива, нужно получать 20 тыс. бар./сут легкого прямогонного газойля при перегонке сырой нефти

И направлять его на получение котельного топлива.

Задача: Какие температурные границы следует устано­вить для фракции ЛПГ, чтобы получить 20 тыс. бар./сут?

Данные по разгонке:

Указание: Рассчитайте кривую разгонки для смешан­ной нефти. ТВ реактивного топлива является ТНП фрак­ции ЛПГ. Остается рассчитать ТВ для фракции ЛПГ так, чтобы получилось 20 тыс. бар./сут.

Нефть разделяется на фракции для получения нефтепродуктов в два этапа, то есть перегонка нефти проходит через первичную и вторичную обработку.

Процесс первичной нефтепереработки

На этом этапе перегонки производится предварительное обезвоживание и обессоливание сырой нефти на специальном оборудовании для выделения солей и остальных примесей, которые могут вызывать коррозию аппаратуры и снижать качество продуктов нефтепереработки. После этого в нефти содержится всего 3-4 мг солей на литр и не более 0,1 % воды. Подготовленный продукт готов к перегонке.

По причине того, что жидкие углеводороды кипят при различной температуре, это свойство используется при перегонке нефти, чтобы выделить из нее отдельные фракции при разных фазах кипения. Перегонка нефти на первых нефтеперерабатывающих предприятиях давала возможность выделять следующие фракции в зависимости от температуры: бензин (выкипает при 180°С и ниже), реактивное топливо (выкипает при 180-240°С) и дизтопливо (выкипает при 240-350°С). От перегонки нефти остается мазут.

В процессе перегонки нефть разделяется по на фракции (составные части). В результате получаются товарные нефтепродукты или их компоненты. Перегонка нефти является начальным этапом ее переработки на специализированных заводах.

При нагревании образуется паровая фаза, состав которой отличен от жидкости. Получаемые перегонкой нефти фракции обычно являются не чистым продуктом, а смесью углеводородов. Отдельные углеводороды удается выделить только благодаря многократной перегонке нефтяных фракций.

Прямая перегонка нефти выполняется

Методом однократного испарения (так называемая, равновесная дистилляция) или простой перегонки (фракционная дистилляция);

С использованием ректификации и без нее;

С помощью испаряющего агента;

Под вакуумом и при атмосферном давлении.

Равновесная дистилляция менее четко разделяет нефть на фракции, чем простая перегонка. При этом в парообразное состояние при одинаковой температуре в первом случае переходит больше нефти, чем во втором.

Фракционная перегонка нефти дает возможность получить различное для дизельных и реактивных двигателей), а также сырье (бензол, ксилолы, этилбензол, этилен, бутадиен, пропилен), растворители и другие продукты.

Процесс вторичной нефтепереработки

Вторичная перегонка нефти проводится способом химического или термического каталитического расщепления тех продуктов, что выделены из нее в результате первичной нефтеперегонки. При этом получается большее количество бензиновых фракций, а также сырье для производства ароматических углеводородов (толуола, бензола и других). Самой распространенной технологией вторичной нефтепереработки нефти является крекинг.

Крекингом называют процесс высокотемпературной переработки нефти и выделенных фракций для получения (в основном) продуктов, у которых меньшая К ним можно отнести моторное топливо, масла для смазки и т. п., сырье для нефтехимической и химической промышленности. Протекание крекинга проходит с разрывом С—С связей и образованием карбанионов или свободных радикалов. Разрыв связей С—С выполняется одновременно с дегидрированием, изомеризацией, полимеризацией и конденсацией промежуточных и исходных веществ. Последние два процесса образуют крекинг-остаток, т.е. фракцию с температурой кипения выше 350°C и кокс.

Перегонка нефти методом крекинга была запатентована в 1891 году В. Г. Шуховым и С. Гавриловым, затем эти инженерные решения повторил У. Бартон при сооружении в США первой промышленной установки.

Крекинг проводится посредством нагревания сырья или воздействия катализаторов и высокой температуры.

Крекинг позволяет выделить из мазута больше полезных составляющих.