Технология переработки нефти и газа. Часть 1. Первичная переработка не

Основным фактором, лимитирующим производительность элек- тродегидраторов, является линейная скорость объема нефти.

Скорость движения нефти вверх не должна превышать скорость оседания диспергированных в ней капель, поскольку в противном случае они будут увлекаться потоком нефти и вместе с ней уходить в верхнюю часть электродегидратора. Обычно линейная скорость движения нефти в токе электродов составляет 7–8 м/ч.

Конструктивно горизонтальные электродегидраторы различают- ся способом ввода эмульсии в аппарат (ввод эмульсии под слой горя- чей воды или в межэлектродное пространство, комбинированный ввод эмульсии под слой воды и в межэлектродное пространство); устройст- вом электродов (один прямоугольный электрод по всей длине аппарата или несколько пар круглых электродов, три пары электродов).

5.4.Особенности подготовки высоковязких нефтей

Проблема подготовки высоковязких нефтей появилась в связи с расширением добычи высоковязких тяжелых нефтей (ВВН) и при- родных нефтебитумов (ПНБ). К ВВН относят нефти с плотностью

920–990 кг/м3 и вязкостью до 1000 Па с при 20°С.

ПНБ – это органическая масса нефтебитуминозных пород (пес- чаников, известняков) с плотностью около 1000 кг/м3 и выше и вязко-

стью до 5000 Па с.

Как ВВН, так и ПНБ характеризуются высоким содержанием смол и асфальтенов (до 40 мас. %), серы (до 5 мас. %), азота (до 1 мас. %) и металлов (до 1500 мг/кг).

Добывают ВВН термическим воздействием на пласт – вну- трипластовым горением или закачкой высокотемпературного водя- ного пара.

Для извлечения ПНБ используют 2 метода – вытеснительный (путем внутрипластового горения) и экстракционный, когда породу добывают, дробят и обрабатывают горячей водой или органическими

181

растворителями для извлечения органического вещества. В нашей стране используют метод внутрипластового горения.

Во всех случаях добычи ВВН или извлечения ПНБ из породы образуются очень стойкие эмульсии воды с органической массой ли- бо за счет влаги, образующейся при горении в пласте, либо за счет экстрагирующей воды.

Повышенная стойкость таких эмульсий определяется тем, что плотность ВВН и ПНБ близка к плотности воды, они богаты природ- ными эмульгаторами, малы размеры глобул воды (до 50 % глобул имеют диаметр менее 10 мкм). Разделение таких эмульсий – задача очень сложная, и даже 20–30-кратное увеличение расхода деэмульга- тора иногда не дает эффекта. Для разрушения данных эмульсий при- меняют специальные методы. В частности, к ВВН или ПНБ добавля- ют 10–15 мас. % легкого растворителя – керосина, который, с одной стороны, снижает плотность и вязкость нефти, а с другой, являясь не- электролитным деэмульгатором, растворяет часть сольватных оболо- чек на глобулах воды. В этом случае такие эмульсии приближаются к обычным и их удается разрушить на установках ЭЛОУ в 2–3 ступе- ни. После ЭЛОУ растворитель отгоняется от нефти и направляется

вначало процесса.

Вкачестве растворителя используют также изопропиловый спирт, обладающий способностью поглощать воду. В этом случае растворитель не только снижает плотность и вязкость нефти, раство- ряет адсорбционные оболочки, но и поглощает воду. Эффективность обезвоживания в данном случае повышается, однако метод имеет не- достатки: исключается подача промывочной пресной воды на ЭЛОУ (ухудшается обессоливание) и требуется специальная ступень отде- ления обводненного спирта от нефти и обезвоживания спирта для его повторного использования.

Впромышленности в качестве растворителей нашли примене- ние только бензиновые и керосиновые фракции.

182

5.5. Смешение нефтей

Существенное влияние как на качество получаемых товарных нефтепродуктов, так и на экономическую эффективность производст- ва оказывают характеристики поставляемых с промысла на НПЗ неф- тей. Нефти различных месторождений и даже нефти одного месторо- ждения, но извлечённые с различной глубины или разных скважин и в разное время, могут отличаться по составу, физико-химическим свойствам и технологическим характеристикам.

Так, бензиновые фракции одних нефтей могут содержать много изопарафиновых углеводородов, другие – н-парафинов, что сущест- венно влияет на детонационную стойкость товарных бензинов.

Масляные и дизельные фракции ряда нефтей не содержат в сво- ем составе твердых парафинов, и из них можно получать низкозасты- вающие базовые масла и дизельные топлива без дополнительного проведения депарафинизации.

Отдельные фракции добываемых нефтей могут не содержать сернистых соединений, в то время как для других характерно наличие

вних этих веществ.

Содной стороны, речь идет о периодических изменениях в ас- сортименте поставляемого сырья, связанных с постоянным обновле- нием структуры добываемых и перерабатываемых нефтей. Высоко- сернистые нефти добываются в Башкирии, сернистые – в Татарии, сернистые и малосернистые – в Западной Сибири, малосернистые –

вОренбургской и Саратовской областях и т.д. В настоящее время увеличивается доля сернистых, парафинистых, высоковязких нефтей

спониженным содержанием светлых фракций. Наиболее экономиче- ски выгодный экспорт малосернистой нефти (siberian light) вынужда- ет транспортировать на нефтеперерабатывающие заводы России бо- лее высокосернистую, высоковязкую тяжелую нефть, переработка ко- торой требует специфических режимов, наличия в схемах НПЗ установок гидроочистки, депарафинизации и специального распреде- ления сырьевых и товарных потоков на предприятии.

183

С другой стороны, проявляется нестабильность качества сырья из-за колебания состава и качества нефтяных смесей, поступающих на НПЗ по трубопроводу. В России система магистральных нефте- проводов не позволяет, как правило, поставлять на нефтеперерабаты- вающие заводы индивидуальные нефти, за исключением производст- ва нефтепродуктов специального назначения. Такая система подачи нефтяного сырья на НПЗ вынуждает предприятия перерабатывать нефти усредненного качества, полученные смешением нефти различ- ных месторождений. В настоящее время компаундирование сырьевых компонентов является широко распространенным приемом в техно- логии транспорта и переработки нефти.

Вместе с тем представление о нефтяной системе как о структу- рированной, обладающей определенным балансом сил межмолеку- лярных взаимодействий, позволяет рассматривать процесс смешения нефти не как чисто механический, а как физико-химический процесс взаимодействия коллоидно-дисперсных структур, как фактор внешне- го воздействия на систему, способный изменить энергетический ба- ланс сил и способствующий формированию новой коллоидно- дисперсной нефтяной системы.

Происходящие при смешении структурные изменения опреде- ленным образом влияют на неаддитивные изменения физико- химических свойств нефтяных систем. Эти изменения носят, как пра- вило, полиэкстремальный характер. Было показано, что аналогичные изменения происходят также при смешении некондиционных высоко- качественных нефтей в условиях их перекачки и хранения. В этом слу- чае происходит неаддитивное изменение таких физико-химических свойств нефтяных смесей, как кинематическая вязкость, поверхност- ное натяжение, плотность, оптические свойства, устойчивость, дис- персность и ряд других характеристик системы. Эти параметры при транспорте нефти по трубопроводу оказывают существенное влияние на ряд технико-экономических показателей, например таких, как объ- ем перекачки и энергетические затраты. Установлено, что при смеше- нии близких по свойствам нефтей показатели кинематической вязко-

184

сти и температура застывания возрастают и превышают расчетные значения. При смешении нефтей, резко различающихся по свойствам, но близких по количественному содержанию углеводородных групп, наблюдаются как положительные, так и отрицательные отклонения или равномерное чередование максимумов и минимумов при полиэкс- тремальных изменениях свойств системы, что обуславливает необхо- димость тщательного подбора состава композиций. Оптимальное смешение и регулировка свойств основного потока при его формиро- вании, а также при подкачке некондиционных нефтей позволяет удер- живать качественные характеристики нефтей в допустимых пределах, что очень важно для нефтеперекачивающих станций и узлов смеше- ния. Кроме того, следует иметь в виду, что основной поток также представляет собой нефтесмесь, качество которой может существенно изменяться с течением времени.

Неаддитивные изменения структуры и физико-химических свойств нефтяных компаундов в зависимости от их состава приводят к изменению количества и качества продуктов, получаемых в процес- се переработки таких смешанных систем, а также режимов работы установок нефтеперерабатывающих заводов.

Таким образом, на основании комплексного подхода к вопросам смешения нефтей в зависимости от конкретных целей и производст- венной необходимости следует организовать оптимальное смешение нефтяных потоков в процессе их транспортировки, хранения и пере- работки на НПЗ, что позволит получить существенный экономиче- ский эффект при минимальных затратах.

185

Глава 6

ПЕРВИЧНАЯ ПЕРЕГОНКА НЕФТИ

Переработка нефти – это отрасль тяжелой промышленности, ох- ватывающая как переработку нефти и газового конденсата, так и про- изводство различных высококачественных нефтепродуктов (моторных

иэнергетических топлив, смазочных и специальных масел, битумов, нефтяного кокса, парафинов, растворителей, сырья для нефтехимии

идругих продуктов).

Промышленная переработка нефти и газовых конденсатов на современных нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) осуществля- ется посредством сложных многоступенчатых физических и химиче- ских процессов на отдельных или комбинированных крупнотоннаж- ных технологических установках, предназначенных для получения широкого ассортимента товарных нефтепродуктов.

6.1. Методы переработки нефти и нефтяных фракций

Нефть, добываемая из недр Земли, представляет собой сложную смесь углеводородов. Кроме того, в состав нефти входит много гете- роатомных соединений (содержащих в своем составе серу, азот, ки- слород и др.). Поэтому для получения из нефти продуктов различного назначения ее перерабатывают на НПЗ с применением различных ме- тодов. Все используемые для переработки методы можно подразде- лить на две большие группы: физические (массообменные), не свя- занные с химическим превращением соединений, входящих в состав нефти (в их основе лежат различия в физико-химических свойствах углеводородных и неуглеводородных компонентов нефти), и химиче- ские, связанные с химическим превращением соединений нефти.

Физические процессы по типу массообмена можно подразделить на следующие типы:

–гравитационные (ЭЛОУ);

–ректификационные (АТ, АВТ, ГФУ и др.);

–экстракционные (деасфальтизация, селективная очистка, депа- рафинизация кристаллизацией);

–абсорбционные (АГФУ, очистка от Н2S и СО2).

186

Химические процессы, применемые на современных НПЗ, по способу активации химических реакций подразделяются на ката- литические и термические.

Термические процессы по типу протекающих химических реак- ций можно подразделить на следующие типы:

–термодеструктивные (термический крекинг, висбрекинг, кок- сование, пиролиз, пекование, производство технического уг- лерода и др.);

–термоокислительные (производство битума, газификация кок-

са, углей и др.).

В термодеструктивных процессах протекают преимущественно реакции распада (крекинга) высокомолекулярных соединений сырья на низкомолекулярные, а также реакции конденсации с образованием высокомолекулярных продуктов, например пека, и др.

Каталитические процессы по типу катализа можно классифи- цировать на следующие типы:

–гетеролитические, протекающие по механизму кислотного ка- тализа (каталитический крекинг, алкилирование, полимериза- ция, производство эфиров и др.);

–гомолитические, протекающие по механизму окислительно- восстановительного (электронного) катализа (производство водорода и синтез газа, метанола, элементной серы);

–гидрокаталитические, протекающие по механизму бифунк- ционального (сложного) катализа (гидроочистка, гидрообес- серивание, гидрокрекинг, каталитический риформинг, изоме- ризация, гидродеароматизация, селективная гидродепарафи- низация и др.).

6.2. Методы перегонки нефти и нефтяных фракций

Подготовленная на ЭЛОУ нефть поступает на установки первич- ной перегонки для разделения на дистиллятные фракции и мазут или гудрон. Полученные фракции и остаток, как правило, не соответству- ют требованиям ГОСТа на товарные нефтепродукты. Поэтому для их облагораживания, а также для углубления переработки нефти продук-

187

ты, полученные на установках атмосферной и атмосферно-вакуумной перегонки, используются в качестве сырья вторичных (деструктивных) процессов в соответствии с вариантом переработки нефти.

Технология первичной перегонки нефти имеет целый ряд прин- ципиальных особенностей, обусловленных природой сырья и требо- ваниями к получаемым продуктам. Нефть как сырье для перегонки обладает следующими свойствами:

–ее выкипание носит непрерывный характер;

–имеет невысокую термическую стабильность тяжелых фракций

иостатков, содержащих значительное количество сложных ма- лолетучих и практически нелетучих смолисто-асфальтеновых

исеро-, азот- и металлорганических соединений, резко ухуд-

шающих эксплуатационные свойства нефтепродуктов и за- трудняющих последующую их переработку.

Поскольку температура термической стабильности тяжелых фракций примерно соответствует температурной границе деления нефти между дизельным топливом и мазутом по кривой ИТК, пер- вичную перегонку нефти до мазута проводят обычно при атмосфер- ном давлении, а перегонку мазута – в вакууме. Выбор температурной границы деления нефти при атмосферном давлении между дизельным топливом и мазутом определяется не только термической стабильно- стью тяжелых фракций нефти, но и технико-экономическими показа- телями процесса разделения в целом. В некоторых случаях темпера- турная граница деления нефти определяется требованиями к качеству остатка. Так, при перегонке нефти с получением котельного топлива температурная граница деления проходит около 300 °С, т.е. примерно половина фракции дизельного топлива отбирается с мазутом для по- лучения котельного топлива низкой вязкости. Однако такой вариант в настоящее время не является основным. В последние годы для рас- ширения ресурсов дизельного топлива, а также сырья каталитическо- го крекинга – наиболее важного и освоенного процесса, углубляюще- го переработку нефти – на установках атмосферной и атмосферно- вакуумной перегонки (AT и АВТ) осуществляется все более глубокий отбор дизельной фракции и вакуумного газойля соответственно. Для

188

получения же котельного топлива заданной вязкости используется процесс висбрекинга (понижения вязкости легким крекингом) тяже- лого остатка вакуумной перегонки.

Таким образом, вопрос обоснования и выбора температурной границы деления нефти зависит от вариантов технологических схем перегонки нефти и мазута и вариантов переработки нефти в целом.

Обычно перегонку нефти и мазута ведут при атмосферном дав- лении и в вакууме соответственно, при максимальной (без крекинга) температуре нагрева сырья с отпариванием легких фракций водяным паром. Сложный состав остатков перегонки требует также организа- ции четкого отделения от них дистиллятных фракций, в том числе и высокоэффективной сепарации фаз при однократном испарении сырья. Для этого устанавливают отбойные элементы, что и позволяет избежать уноса капель паровым потоком.

Таким образом, при перегонке нефти и ее фракций применяются различные виды перегонок.

6.2.1.Перегонка нефти и нефтяных фракций

соднократным и многократным испарением

Перегонка нефти и нефтяных фракций с однократным испаре- нием (ОИ) представляет собой однократный процесс нагрева сырья в змеевиках печи до определенной температуры (180–240 °С; 330– 360 °С; 400–420 °С) и испарение его в адиабатическом испарителе (без теплообмена с окружающей средой). При этом паровая фаза от- деляется от жидкой и выводится с верха колонны, охлаждается

иконденсируется в конденсаторе-холодильнике и поступает в от- дельный приемник (сборник). Жидкая фаза выводится с низа испа- рителя и также поступает в соответствующий приемник.

Перегонка с многократным испарением состоит из двух, трех

иболее однократных испарений, при каждом из которых образовав- шиеся пары в один прием (однократно) отделяются от жидкой фазы.

Процесс перегонки с многократным испарением, по сравнению

соднократным, обеспечивает более высокую четкость погоноразде- ления, однако характеризуется меньшей долей отгона при той же температуре нагрева.

189

Рассмотрим диаграмму состояния двухкомпонентной системы, состоящей из компонентов А и В с температурой t0 (рис. 6.1). Пусть концентрация низкокипящего компонента (В) в сырье равна α . Тогда исходная смесь на диаграмме характеризуется точкой L0. Если смесь нагреть до температуры t1 (температура начала кипения смеси), то смесь будет характеризоваться точкой L1. Если температуру под- нять до t2 (температура конца кипения смеси), то ее состав будет ха- рактеризоваться точкой D2 (вся смесь находится в паровой фазе).

Рис. 6.1. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы: I – область жидкости; II – область паров

В случае многократного испарения смесь первоначально нагре- вают до температуры t. В результате будем иметь смесь паров и жид- кости, которая характеризуется точкой L. Доля паров е в такой паро- жидкостной смеси будет равна отношению длин отрезков R-L и R-D:

e =	R-L	=	α − x	,	(6.1)
	R-D y − x

где x и y – концентрация компонента В при температуре t в жидкой и паровой фазах соответственно.

190