Продукты ректификации нефти. Описание веществ во фракционном составе нефтепродуктов

На фракции, путем многократного испарения и конденсации паров, проводящийся при нормальном (атмосферном) давлении.

Первый из двух процессов первичной перереработки нефти .

Технологический процесс

Подготовленная в ходе специальной процедуры нефть (см. Подготовка нефти к переработке ) нагревается в специальной печи до температуры около 380 °С. В результате получается смесь жидкости и пара, которая подается в нижнюю часть ректификационной колонны - основного блока атмосферной дистилляции нефти.

Ректификационная колонна представляет собой внушительных размеров (до 80 метров высотой и до 8 метров в диаметре) трубу, вертикально разграниченную внутри так называемыми тарелками со специальными отверстиями. Когда нагретая смесь подается в колонну, легкие пары устремляются вверх, а более тяжелая и плотная часть отделяется и опускается на дно.

Поднимающиеся вверх пары конденсируются, и образуют на каждой тарелке слой жидкости толщиной около 10 см. Отверстия в тарелках снабжены так называемыми барботажными колпачками, благодаря которым поднимающиеся пары барботируют сквозь эту жидкость. Пары при этом теряют тепло, передавая его жидкости, и часть углеводородов переходит в жидкое состояние. Данный процесс «пробулькивания»и есть суть ректификации. Далее пары поднимаются к следующей тарелке, где барботирование повторяется. Кроме этого, каждая тарелка оснащена так называемым сливным стаканом, который позволяет избытку жидкости переливаться на нижнюю тарелку.

Таким образом, посредством атмосферной перегонки нефть разделяется на фракции (или погоны). Однако, для более эффективного разделения используют следующие технологические приемы.

Для исключения попадания тяжелых продуктов в верхнюю часть колонны, пары периодически направляют в холодильник. Сконденсированные в холодильники вещества возвращают на одну из нижних тарелок. Такой процесс называется орошением ректификационной колонны.

С другой стороны, некоторое количество легких углеводородов может вместе с током жидкости оказаться в нижней части колонны. Эта проблема решается пропусканием отбором жидкости из определенного места колонны и повторным ее пропусканием через нагреватель. Таким образом легкие углеводороды снова поступают в колонну в виде пара. Описанный процесс называется повторным испарением .

Орошению и повторному испарению можно подвергать фракции, взятые из любой части колонны. В результате этих процессов некоторые молекулы несколько раз проходят весь путь по колонне, испаряюсь и снова конденсируясь. Такой подход обеспечивает наиболее эффективное разделение нефти, а ректификационная колонна по своей сути является комплексом перегонных аппаратов совмещенных воедино.

Границы кипения фракций

Принципиально важной и основной характеристикой фракций являются ее границы кипения – температуры, при которых продукты перегонки отделяются друг от друга.

Точка Начала Кипения (ТНК ) – температура, при которой фракция начинает кипеть

Точка Выкипания (ТВ ) – температура, при которой данная фракция полностью испарилась.

Номинально температура выкипания одной фракции должна являться температурой начала кипения соседней, более тяжелой фракции. Однако на практике процесс ректификации не идеален и в большинстве случаев (если не всегда) ТВ и ТНК соседних фракций не совпадает. Такое перекрытие принято называть «хвостами», а наиболее наглядно их можно видеть на кривых разгонки.

Для упрощение было введено понятие эффективных границ кипения , т.е. температур, при которых фракции условно считаются разделенными.

	Перекрывающиеся кривые разгонки керосина и нафты

Отбор фракций на различных уровнях ректификационной колонны осуществляется через боковые отводы. Тяжелые фракции отбираются в нижней части колонны, более легкие (верхний погон) – в верхней. При этом границы кипения фракций можно устанавливать и регулировать, в зависимости от потребностей.

	Схема разделения нефти на фракции в процессе атмосферной перегонки

Практически все легкие продукты атмосферной дистилляции сразу отправляются на вторичную переработку , а прямогонный остаток (мазут) - на

Принципы перегонки нефти

Разделение любой смеси (в частности, нефти) на фракции путем перегонки основано на различии в температурах кипения ее компонентов. Так, если смесь состоит из двух компонентов, то при испарении компонент с более низкой темпера­турой кипения (низко-кипящий, НКК) переходит в пары, а компонент с более высокой температурой кипения (высококипящий, ВКК) остается в жид­ком состоянии. Полу­ченные пары конденси­руются, образуя дистиллят, неиспарившаяся жидкость назы­вается остатком. Та­ким образом, НКК пе­реходит в дистиллят, а ВКК - в остаток.

Описанный процесс называется простой перегонкой. Для наиболее полного разделения компонентов приме­няют более сложный вид перегонки - перегонку с ректификацией. Ректификация заключается в противоточном контактировании па­ров, образующихся при перегонке, с жидкостью, получающейся при конденсации этих паров. Для осуществле­ния ректификации в колонне необходимо создать восходящий поток паров и нисходящий поток жидкости. Первый поток образуется за счет тепла, вводимого в нижнюю (отгонную) часть колонны, вто­рой - за счет холодного орошения, подаваемого в верхнюю (кон­центрационную) часть колонны (о других видах орошения см. ни­же).

Рис. 4.1 Схема колпачковой тарелки:1-пластина; 2- сливной стакан; 3- -колпачок; 4- патрубок для прохода паров; 5- прорези в колпачке для прохода паров; 6- подпорная перегородка для создания уровня жидкости на тарелке; 7- стенка колонны; 8- кольцевое пространство

На тарелках колонны встречаются две фазы: паровая; (с более высокой температурой), и жидкая (с более низкой температурой). При этом пары охлаждаются, и часть высококипящего компонента конденсируется и переходит в жидкость. Жидкость же нагревается и часть низкокипящего компонента из нее испаряется, переходя в паровую фазу. Такой процесс происходит многократно на каждой тарелке. В процессе перегонки и ректификации нефти и нефтепро­дуктов давление насыщенных паров и равновесие между парами и жидкостью играют решающую роль.

Такой процесс происходит многократно на каждой тарелке. В процессе перегонки и ректификации нефти и нефтепро­дуктов давление насыщенных паров и равновесие между парами и жидкостью играют решающую роль.

Давление насыщенных паров жидкости .

Давлением насыщенного пара жидкости называют давление, развиваемое ее парами при данной температуре в условиях равно­весия с жидкостью. Это давление возрастает с повышением темпе­ратуры и уменьшением теплоты испарения жидкости. Кривые дав­ления насыщенных паров углеводо­родов, входящих в состав светлых нефтепродуктов, в зависимости от температуры показаны на рис.4.2

Давление насыщенных паров смесей и нефтяных фракций зави­сит не только от температуры, но и от состава жидкой и паровой фаз. Каза­лось бы, что при очень низких температурах или достаточно высо­ком давлении все газы должны переходить в жидкое состояние. Од­нако для каждого газа существует такая температура, выше кото­рой он никаким повышением давления не может быть переведен в жидкость. Это так называемая критическая температура Т кр. Дав ление паров, отвечающее критической температуре, называют кри­тическим давлением Р Кр - Удельный объем газа при критических температуре и давлении называют критическим объемом. В крити­ческой точке исчезает прерывность между газообразным и жидким состояниями.

Перегонка (дистилляция) - это процесс физического разделения нефти и газов на фракции (компоненты), различающиеся друг от дру­га и от исходной смеси по температурным пределам (или температу­ре) кипения. По способу проведения процесса различают простую и сложную перегонку.

Существует два основных способа перегонки нефти: с постепенным, или многократным, испарением (в кубах); с однократным испарением (в трубча­тых печах). При постепенном испарении образующиеся пары не­медленно выводятся из системы (например, фракции при разгонке нефтепродуктов на стандартном аппарате, а также на одном из ку­бов кубовой батареи). При однократном испарении продукт нагревают в трубчатой печи до определенной температуры, обеспечивающей получение нуж­ного отгона, причем в течение всего времени нагрева пары не отде­ляют от жидкости - состав системы не меняется. По достижении нужной температуры образовавшиеся в системе жидкая и паровая фазы разделяются. Это разделение происходит в колонне или ис­парителе (эвапораторе), куда поступает продукт после его нагре­ва в трубчатой печи. Перед разделением обе фазы - пары и жид­кость- находятся в равновесии друг с другом, поэтому однократ­ное испарение называют также равновесным. Таким образом, при перегонке нефти с однократным испарением вся смесь паров, обра­зовавшаяся при заданной температуре, сразу отделяется от жидко­го остатка, а затем разделяется на фракцию

Перегонка нефти с однократным испарением в отличие от по­степенного испарения в кубах, занимающего несколько часов, про­ходит в несколько минут и при более низких температурах. Это объясняется тем, что низкокипящие фракции при однократном ис­парении способствуют испарению высококипящих компонентов при более низких температурах.

Рис.4.3 Изобарные кривые

Для пояснения процесса испарения возьмем изобарные кривые (рис. 3.6). Допустим, что есть жидкость с низкокипящего компонента (НКК) Ао при температуре t 0 . Это состояние системы характеризуется точ­кой Ао . Начнем нагревать жидкость. Графически это изобразится прямой А 0 А 1 параллельной оси ординат. Жидкость при достижении температуры t 1 начинает кипеть (это вытекает из самого спо­соба построения изобар).

С учетом равновесности жидкости и паров со­став образовавшихся паров опреде­ляется горизонталью A 1 B 1 , проводи­мой до пересечения с кривой паровой фазы в точке. Действительно, ес­ли температура насыщенных паров равна t 1 , то состав их определяется точкой B 1 , абсцисса которой равна t 1 (делается допущение, что количе­ство выделяемых паров ничтожно мало и что состав жидкости до и после закипания остается неизмен­ным и равным х о).

Рассмотрим теперь другой слу­чай. Допустим, что та же смесь со­става х о нагрета до более высокой температуры t. При этом пары, кото­рые начали образовываться уже при температуре t 1 не отделяются от жидкости, из-за чего состав всей си­стемы, включающий и пары и жид­кость, остается постоянным и рав­ным х о Допустим далее, что, достигнув температуры t в точке С, мы отделили пары от жидкости. Каков же состав этих паров и жидкости? Для решения этого вопроса достаточно через точку С провести горизонталь АВ, соответствующую температуре t. Точки пересечения А к В этой горизонтали с кривыми изобар покажут соответственно состав жидкости х и паров у. При нагревании системы до более высокой температуры t 2 ее состояние характеризуется точками A 2 и В 2 с концентрациями х 2 и у 2 . При этом у 2 совпадает с х о, т. е. у 2 = х о, что возможно только при полном испарении всей жидкости. Таким образом, t 2 является тем­пературой полного испарения жидкости состава х о при однократном испарении, дальнейшее повышение температуры сопровождается только перегревом паров. Из сказанного выше следует, что любая точка, расположенная в области, ограниченной нижней кривой, характеризует наличие только жидкой фазы, а точка, расположенная в области, ограниченной изобарами (площадь линзы), характеризует одновременное существование и паровой и жидкой фаз, располо­женная же в области - существование только паровой фазы. (См С.В.Вержичинская, Химия и технология нефти и газа, стр.60-65).

Способы снижения температуры кипения нефти и ее фракций

При повышении температуры нагрева нефти и увеличении длительности нагрева, когда начинается разложение вы­сокомолекулярных углеводоро­дов - так называемый крекинг. В зависимости от состава нефти этот момент наступает при темпе­ратурах 320-360°С. Однако в ря­де случаев, особенно при получе­нии высококипящих фракций для производства дистиллятных ма­сел и сырья для каталитического крекинга, необходимо нагревать нефть выше указанных пределов. Чтобы предупредить разложение высокомолекулярных углеводоро­дов, необходимо снизить темпера­туру ее кипения при переработке. Это достигается перегонкой в вакууме или подачей водяного пара (иногда и тем и другим).

Вакуум (разрежение) дости­гается в результате откачки (от­соса) из колонны газов, используя вакуумные насосы, или их кон­денсации. Давление в таком ап­парате называется остаточным.

Оно всегда ниже атмосферного (101,3 мПа, или 760 мм рт.ст.). Ва­куум определяется как разность между 101,3 мПа (760 мм рт.ст.) и остаточным давлением. Например, если остаточное давление 13,3 мПа (100 мм рт.ст.), то вакуум составляет: 101,3 - 13,3 = 88 мПа (760- 100 = 660 мм рт. ст.). На рис. 3.8 показана пример­ная зависимость температуры кипения от давления для высокомо­лекулярных фракций нефти со средней температурой кипения меж­ду 350 и 500° С. Итак, чем ниже давление, тем быстрее понижается температура кипения фракции. Например, для фракции со средней температурой кипения 450° С при остаточном давлении 13,3 мПа (100 мм рт. ст.) снижение температуры кипения равно 110°С (точ­ка Л), т. е. фракция в этих условиях закипает при 450 - 110 = = 340° С, а при остаточном давлении 0,665 мПа (5 мм рт.ст.) -при 236°С (450 -214 = 236°С, точка Б). Для фракции со средней тем­пературой кипения 500°С снижение температуры кипения при ос­таточном давлении 13,3 мПа (100 мм рт. ст.) составляет 117° С (точ­ка В), а для фракции 350°С - 350 - 94 = 256°С (точка Г)

Понижение температуры кипения путем перегонки с водяным паром также широко применяют в прак­тике нефтеперерабатывающей про­мышленности, особенно при пере­гонке мазута. Действие водяного пара при перегонке нефти (пар вво­дят через маточник, расположен­ный над дном аппарата) сводится к следующему: бесчисленные пузырь­ки пара образуют внутри нефти ог­ромную свободную поверхность, с которой нефть испаряется внутрь этих пузырьков. Давление паров нефти, будучи ниже атмосферного, недостаточно для его преодоления, т. е. для возникновения кипения и перегонки, но к давлению паров нефти присоединяется давление во­дяного пара, поэтому в сумме (по закону Дальтона) получается дав­ление, несколько превышающее ат­мосферное и достаточное для кипе­ния и перегонки нефти.

Давление пара надо поддерживать таким, чтобы оно могло преодолеть напор столба жидкости и давление в аппарате, а так­же гидравлическое сопротивление трубопроводов. Обычно исполь­зуют пар давлением выше 0,2 МПа (2 кгс/см2); пар должен быть сухим, поэтому его часто перегревают в одном из змеевиков печи.

Значительное снижение температуры перегонки при помощи только вакуума требует создания низкого остаточного давления, что удорожает вакуумную установку и усложняет ее эксплуатацию, применение же перегонки с паром без вакуума вызывает большой расход пара, что также требует больших затрат, связанных с про­изводством пара (например, для перегонки автолового дистилля­та расход пара достигает 75%). Поэтому наиболее выгодным ва­риантом перегонки высокомолекулярных нефтепродуктов является сочетание вакуума с подачей острого пара в перегоняемый нефте­продукт. Такое сочетание применяют при перегонке мазута с по­лучением масляных дистиллятов, сырья для каталитического кре­кинга или гидрокрекинга.

Перегонка нефти с ректификацией

Общие сведения о процессе. В заводских условиях перегонку нефти с однократным испарением ведут на трубчатых установках. Нефть, нагреваясь в трубах печи до требуемой температуры, по­ступает в ректификационную колонну. Здесь она разделяется на две фазы. Первая - паровая фаза - устремляется вверх, а вто­рая - жидкая - стекает в нижнюю часть колонны. В зависимости от необходимости при перегонке нефти или другого продукта по­лучают фракции с определенными пределами выкипания. Такое разделение нефти, достигаемое путем многократного испарения и конденсации углеводородов, как указывалось выше, называется ректификацией.

При ректификации двойной смеси (смеси, состоящей из двух компонентов) через верх колонны уходит в виде паров низкокипящий компонент, а через низ колонны в виде жидкости - высококипящий. На рис. 4.5 показана схема ректификации смеси бензола и толуола. Эта смесь после нагрева в печи поступает по линии в ректификационную колонну. Вверху колонны пары бензола (низкокипящего компонента) по линии поступают в конденса­тор 2, откуда часть сконденсировавшегося бензола поступает по линии в качестве орошения, а остальная часть отводится через холодильник 3 по линии IV в товарный парк. Внизу колонны раз­мещен подогреватель, куда поступает пар по линии VI. Толуол (высококипящий компонент) выводится из колонны по линии V (через холодильник) в товарный парк. При разделении смеси бен­зола и толуола температура вверху колонны должна быть 80,4°С, т. е. соответствовать температуре кипения чистого бензола; внизу колонны температура должна быть выше 110°С. Для ректифика­ции смеси, состоящей из трех компонентов, например бензола, то­луола и ксилола, необходимы две колонны. Из

Рис 4.5 Схема ректификации двойной смеси

нижней части пер­вой колонны отбирают ксилол, а из верхней части - смесь бензола и толуола, которую разделяют на бензол и толуол во второй колонне так же, как показано на рис.4.5.

Для ректификации сложной смеси (к которой относится и нефть) с получе­нием п компонентов или фракций нужно (п-1) простых колонн. Это очень гро­моздко и требует больших капиталовло­жений и эксплуатационных затрат. По­этому на нефтеперегонных установках строят одну сложную колонну, как бы со­стоящую из нескольких простых колонн с внутренними или выносными (рис. 4.6) отпарными секциями, в которые подают водяной пар. На установках большой производительности выносные отпарные секции ставят одна на другую, и они составляют одну отпарную колон­ну (рис. 4.7). Процесс происходит на каждой тарелке. При этом для нормальной работы ректификационной колонны необходимы теснейший контакт между флегмой (жидкостью на тарелке) и вос­ходящим потоком паров, а также соответствующий температурный режим.

Первое обеспечивается конструкцией колпачков и тарелок, второе - подачей орошения, обеспечивающего конден­сацию высококипящих компонентов (путем снятия тепла) в верх­ней части колонны. Создание восходящего потока паров, как ука­зывалось выше, обеспечивается нагреванием в печи или в кубе, а также частичным испарением жидкой фазы внизу колонны при по­мощи кипятильников или водяного пара.

Подачей ороше­ния регулируется температура вверху колонны, создается нисхо­дящий поток жидкости и обеспечивается необходимое снижение температуры паров по мере прохождения их по колонне снизу вверх.

В зависимости от способа орошение бывает холодное (острое), горячее (глухое) и циркуляционное (рис. 3.12).

Горячее орошение

Парциальный конденсатор пред­ставляет собой кожухотрубный теплообменник (рис.4.8а), установленный горизонтально или вертикально на верху колонны. Охлаждающим агентом служит вода, иногда исходное сырье. Поступающие в меж­трубное пространство пары частично конденсируются и возвраща­ются на верхнюю тарелку в виде орошения, а пары ректификата от­водятся из конденсатора. Из-за трудности монтажа и обслуживания и значительной коррозии конденсатора этот способ получил ограни­ченное применение.

Холодное (острое) орошение (рис 4.8б). Этот способ отвода тепла на верху колонны получил наибольшее распространение в практике нефтепереработки. Паровой поток, уходящий с верха ко­лонны, полностью конденсируется в конденсаторе - холодильнике (водяном или воздушном) и поступает в емкость или сепаратор, от­куда часть ректификата насосом подается обратно в ректификаци­онную колонну в качестве холодного испаряющегося орошения, а балансовое его количество отводится как целевой продукт.

Циркуляционное неиспаряющееся орошение (рис 4.8в) Этот вариант отвода тепла в концентрационной секции колонны в техно­логии нефтепереработки применяется исключительно широко не только для регулирования температуры наверху, но и в средних се­чениях сложных колонн. Для создания циркуляционного орошения с некоторой тарелки колонны выводят часть флегмы (или бокового дистиллята), охлаждают в теплообменнике, в котором она отдает тепло исходному сырью, после чего насосом возвращают на выше­лежащую тарелку.

На современных установках перегонки нефти чаще применяют комбинированные схемы орошения. Так, сложная колонна атмосфер­ной перегонки нефти обычно имеет вверху острое орошение и затем по высоте несколько промежуточных циркуляционных орошений. Из промежуточных орошений чаще применяют циркуляционные орошения, располагаемые обычно под отбором бокового погона или использующие отбор бокового погона для создания циркуляционно­го орошения с подачей последнего в колонну выше точки возврата паров из отпарной секции. В концентрационной секции сложных колонн вакуумной перегонки мазута отвод тепла осуществляется преимущественно посредством циркуляционного орошения.

При подводе тепла в низ колонны кипятильником (рис 4.8 г) осуществляют дополнительный подогрев кубового продукта в вы­носном кипятильнике с паровым пространством (рибойлере), где он частично испаряется. Образовавшиеся пары возвращают под ниж­нюю тарелку колонны. Характерной особенностью этого способа является наличие в кипятильнике постоянного уровня жидкости и парового пространства над этой жидкостью. По своему разделительному действию кипятильник эквивалентен одной теоретической та­релке. Этот способ подвода тепла в низ колонны наиболее широко применяется на установках фракционирования попутных нефтяных и нефтезаводских газов, при стабилизации и отбензинивании нефтей, стабилизации бензинов прямой перегонки и вторичных процес­сов нефтепереработки.

При подводе тепла в низ колонны трубчатой печью (Рис.4.8д) часть кубового продукта прокачивается через трубчатую печь, и подогретая парожидкостная смесь (горячая струя) вновь поступает в низ колонны. Этот способ применяют при необходимости обеспе­чения сравнительно высокой температуры низа колонны, когда при­менение обычных теплоносителей (водяной пар и др.) невозможно или нецелесообразно (например, в колоннах отбензинивания нефти).

Место ввода в ректификационную колонну нагретого перегоняе­мого сырья называют питательной секцией (зоной) , где осуществля­ется однократное испарение. Часть колонны, расположенная выше питательной секции, служит для ректификации парового потока и называется концентрационной (укрепляющей) , а другая – нижняя часть, в которой осуществляется ректификация жидкого потока - отгонной, или исчерпывающей секцией .

Четкость погоноразделения - основной показатель эффективнос­ти работы ректификационных колонн, характеризует их разделитель­ную способность. Она может быть выражена в случае бинарных сме­сей концентрацией целевого компонента в продукте.

Как косвенный показатель четкости (чистоты) разделения на практике часто используют такую характеристику, как налегание температур кипения соседних фрак­ций в продукте. В промышленной практике обычно не предъявляют сверхвысоких требований по отношению к четкости погоноразделения, поскольку для получения сверхчистых компонентов или сверхуз­ких фракций потребуются соответственно сверхбольшие капиталь­ные и эксплуатационные затраты. В нефтепереработке, например, в качестве критерия достаточно высокой разделительной способности колонн перегонки нефти на топливные фракции считается налегание температур кипения соседних фракций в пределах 1О-ЗО°С.

Установлено, что на разделительную способность ректификаци­онных колонн значительное влияние оказывают число контактных ступеней и соотношение потоков жидкой и паровой фаз. Для полу­чения продуктов, отвечающих заданным требованиям, необходимо, наряду с другими параметрами ректификационной колонны (давле­ние, температура, место ввода сырья и т.д.), иметь достаточное чис­ло тарелок (или высоту насадки) и соответствующее флегмовое и паровое числа.

Флегмовое число (R ) характеризует соотношение жидкого и па­рового потоков в концентрационной части колонны и рассчитывает­ся как R=L/D, где L и D - количества соответственно флегмы и рек­тификата.

Паровое число (П) характеризует соотношение контактирующихся потоков пара и жидкости в отгонной секции колонны, рассчи­тываемое как П = G/W, где G и W- количества соответственно паров и кубового продукта.

Число тарелок (N) колонны (или высота насадки) определяется числом теоретических тарелок (N T), обеспечивающим заданную чет­кость разделения при принятом флегмовом (и паровом) числе, а так­же эффективностью контактных устройств (обычно КПД реальных тарелок или удельной высотой насадки, соответствующей 1 теоре­тической тарелке). Фактическое число тарелок N ф определяется из опытных данных с учётом эфектифного КПД тарелки n т

На технико-экономические показатели и четкость погоноразделения ректификационной колонны, кроме ее разделительной способ­ности, в значительной степени влияют физические свойства (моле­кулярная масса, плотность, температура кипения, летучесть и др.), компонентный состав, число (би- или многокомпонентный) и харак­тер распределения (непрерывный, дискретный) компонентов пере­гоняемого сырья. В наиболее обобщенной форме разделительные свойства перегоняемого сырья принято выражать коэффициентом относительной летучести.

Чем больше тарелок в колонне и совершеннее их конструкция и чем больше подается орошения, тем четче ректификация. Однако большое число таре­лок удорожает колонну и усложняет ее эксплуатацию, а чрезмерно большая подача орошения увеличивает расход топлива на после­дующее его испарение. Кроме того, увеличивается расход воды и энергии на конденсацию паров и подачу орошения. Коэффициент полезного действия тарелок в зависимости от их конструкции со­ставляет 0,4-0,8.

Для разделения светлых нефтепродуктов (например, керосина и дизельного топлива) в концентрационной части колонн ставят от 6 до 9, в отпарной - от 3 до 6 тарелок. Для разделения масля­ных дистиллятов допускается меньшая четкость ректификации, од­нако количество тарелок между выводами фракций и между вво­дом сырья и выводом нижнего дистиллята должно быть не менее 6. Под первой тарелкой снизу монтируют ситчатый отбойник.

На четкость ректификации кроме количества тарелок и подачи ороше­ния влияют скорость движения паров в колонне и расстояние между тарел­ками. Нормальная скорость паров в колоннах, работающих при атмосфер­ном давлении, 0,6-0,8 м/с, в вакууме 1-3 м/с, а в колоннах, работающих под давлением, - от 0,2 до 0,7 м/с. Увеличение производительности уста­новки при сырье того же состава и увеличение тем самым скорости дви­жения паров ухудшает ректифика­цию, так как пары увлекают с собой капельки флегмы, которая разбрызги­вается на вышележащие тарелки и ухудшает качество получаемой про­дукции. Расстояние между тарелками выбирают таким, чтобы капли флегмы, подхватываемые парами с тарелок, не попадали на следующие тарелки, и что­бы их можно было ремонтировать и чистить. Обычно расстояние между тарелками равно 0,6-0,7 м, для таре­лок некоторых новых конструкций оно в 2--3 раза меньше

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.

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.