4.3.3 Добыча нефти, подготовка ее к переработке, способы переработки нефти и нефтепродуктов

Образовавшаяся в месторождении нефть, просачиваясь через рыхлые породы, задерживается в сдвигах плотных пород и фор­мируется в залежи. Для ее добычи к залежам бурятся скважины. С каждым годом растет глубина нефтяных скважин. Если в 1935 г. средняя глубина скважин составляла 860 м, то в настоящее вре­мя- 3000 м. Современная нефтедобывающая техника позволяет бурить скважины глубиной 5000-7000 м и более. Предпринима­ются попытки к бурению еще более глубоких скважин. Так, нап­ример, в северо-западной части Кольского полуострова впервые в мире производится бурение скважины, проектная глубина кото­рой составляет 15 тыс. м.

Добыча нефти осуществляется двумя способами: фонтанным и глубинно-насосным. При фантанном способе добычи нефть под пластовым давлением до 40 МПа поднимается к устью скважины и через специальную арматуру высокого давления поступает на очистку. Производительность этого способа 2-40 т нефти в сут­ки. Фонтанный способ добычи применим только в начальный пе­риод существования скважины, когда давление в пласте достаточ­но высокое.

По мере истощения залежей давление падает и скважину пере­водят на глубинно-насосный способ добычи, при котором на дно, скважины опускается специальный насос, обеспечивающий пода­чу нефти вверх к устью скважины. Производительность этого способа- 3-5 т нефти в сутки. Поэтому при эксплуатации зале­жи стремятся как можно дольше поддерживать высокое давление в пласте, применяя различные методы воздействия: закачку в нефтяные пласты газа, воды, горячего пара, а также гидравличес­кий разрыв пласта и др.

Сочетая различные способы добычи, удается извлечь из зале­жи 4-50 % находящейся в ней нефти.

Нефть, добываемая из скважин, содержит растворенные газо­образные углеводороды, воду, примеси твердых частиц, которые увлекаются ею при движении из пласта. Поэтому перед перера­боткой нефть подвергают очистке.

Выходящая из скважины нефть, направляется в специальные испарители, где происходит отделение попутных газов. Вода на­ходится в нефти как в свободном состоянии, так и в виде эмуль­сии - капелек размером 0,1-0,01 мм, заключенных в оболочку из смолистых или маслянистых веществ- эмульгаторов. Сво­бодная вода отделяется от нефти в отстойниках вместе с механи­ческими примесями. Если нефть образует с водой устойчивые эмульсии, их разрушают, обрабатывая нефть специальными дезмульгаторами или переменным электрическим полем высокого напряжения (30-45 тыс. вольт).

После очистки нефть направляют на нефтеперерабатывающие заводы. Существуют физический и химический способы перера­ботки нефти.

Физические способы позволяют разделить на фракции вещес­тва, входящие в состав нефти, не вызывая химических превраще­ний этих веществ. При этом способе углеводородный химический состав выделяемых фракций не меняется. Разделение на фракции основано на различии таких физических свойств компонентов, как температура кипения, температура кристаллизации, раство­римость. В основе физических способов лежат законы испарения и конденсации смеси веществ с различными температурами кипе­ния.

Наибольшее распространение из физических способов пере­работки получила прямая перегонка, которая основана на различ­ных температурах кипения веществ, входящих в состав нефти.

Химические способы переработки связаны с химическим пре­вращением компонентов нефти и нефтепродуктов под действием температуры, давления, катализаторов. При этих способах пере­работки происходит изменение структуры молекул, и получае­мые продукты по химическому составу и свойствам резко отлича­ются от исходной нефти и нефтепродуктов.

Наибольшее распространение среди химических способов по­лучили термический крекинг, каталитический крекинг, риформинг.

Состав продуктов крекинга и риформинга определяются не только качеством исходной нефти, но и условиями осуществле­ния процессов: температурой, давлением, видом катализатора.

Термический крекинг проводится при температурах относи­тельно высоких. Он может быть осуществлен в жидкой и паровой фазах. В зависимости от этого различают жидкофазный и паро-фазный крекинги.

Жидкофазный крекинг ведут при температуре 470-540 °С и давлении до 7 ПМа в установках, состоящих из трубчатых печей для нагрева сырья и ректификационных колонн.

Основным сырьем жидкофазного термического крекинга яв­ляется мазут, из которого получают до 30-35 % бензина, 10-15 % крекинг-газов и 50-55 % крекинг-остатка, использую­щегося в основном как котельное топливо. По сравнению с бензи­нами прямой перегонки в крекинг-бензине большее содержание непредельных углеводородов.

Парофазный крекинг (пиролиз) производится при температу­ре 650-1200°С и давлении, близком к атмосферному, с целью получения газообразных непредельных и ароматических углево­дородов, использующихся в качестве сырья для органического синтеза. Пиролизу подвергаются легкие фракции прямой пере­гонки нефти, попутные газы нефтепереработки, попутные газы нефтедобычи, крекинг-газы.

Каталитический крекинг тяжелого нефтяного сырья проводят в паровой фазе на катализаторе при температурах 450-500 °С и давле­нии 0,1-0,2 МПа. Катализатором этого процесса являются синте­тические алюмосиликаты. Достоинствами каталитического кре­кинга являются высокие выходы бензиновых фракций (до 70%) и газообразных углеводородов (12-15 %), являющихся сырьем для органического синтеза. Сырьем каталитического крекинга является широкая вакуумная фракция с температурой кипения 300-500 °С.

Бензины каталитического крекинга состоят в основном из аромати­ческих, нафтеновых и изопарафиновых углеводородов.

Риформипг - разновидность каталитического крекинга. Ка­талитическому риформингу подвергают бензиновые фракции прямой перегонки нефти, выкипающие от 60 до 180 °С. Процесс ведут в присутствии платинового катализатора (платина на окиси алюминия) при температуре 470-510 °С и давлении 1,5- 5 МПа. Если давление риформинга не превышает 3 МПа, основными продуктами процесса являются бензол, толуол и ксилол, служа­щие сырьем для органического синтеза.

Если же давление риформинга близко к 5,0 МПа, получают ароматические изопарфиновые углеводороды, входящие в состав высококачественных бензиновых фракций.

Наряду с жидкими продуктами каталитического риформинга образуются газообразные (метан, этан, пропан и др.), использую­щиеся для органического синтеза. Выход высококачественных бензинов при риформинге составляет 58-60 %.

Наиболее крупномасштабными способами переработки неф­ти, реализованными на практике, являются прямая перегонка, термический и каталитический крекинг и нефти и нефтепродук­тов. В промышленности в зависимости от состава перерабатывае­мой нефти, а также назначения нефтепродуктов реализованы три варианта схем переработки нефти: топливный, топливно-масляный и нефтехимический. В качестве примера рассмотрим топливно-масляный вариант переработки нефти, реализуемый с целью получения автомобильных топлив и масел (рис. 4.3.1.).

Рис. 4.3.1. Блок-схема топливно-масляного варианта переработки нефти.

катализатор

бензиновые фракции

бензин

керосиновые фракции

реактивное топливо

нефть

мазут

газойлевые фракции

дизельное топливо

соляровый дистиллят

масляный дистиллят

гудрон

1- атмосферная перегонка нефти; 2- вакуумная перегонка нефти; 3- термический крекинг мазута; 4- каталитический крекинг; 5- рифарминг.

На первой стадии подготовленная нефть нагревается в труб­чатых печах до 300 — 350 °С и подается в ректификационную колонну первой ступени под давлением, близким к атмосфер­ному, где происходит испарение легкокипящих фракций (1). Пары, поднимаясь вверх по колонне, постепенно охлаждаются жидкостью (флегмой), стекающей сверху. При соприкоснове­нии паров с жидкостью происходит разделение смеси на фрак­ции по температурам кипения в результате многократного чере­дования процессов испарения жидкости и конденсации ее па­ров (ректификация). Пары бензина как наиболее низкокипящие фракции (до 170 °С) выходят сверху колонны, охлаждают­ся и конденсируются. Часть жидкого бензина выводится как го­товый продукт, а часть его подается на орошение колонны (флегмы). По высоте колонны отбираются и другие продук­ты - лигроин (160-200 °С), керосин (200-300 °С), газойль (300-350 °С).

Остаток от перегонки нефти (мазут) подвергается дальней­шей разгонке в вакуумной трубчатке (2). Его нагревают в трубча­той печи второй ступени до 400-420 °С и подают в ректификаци­онную колонну, работающую под вакуумом. Вакуум необходим для снижения температуры кипения масляных дистиллятов, пос­кольку температура кипения углеводородов, входящих в состав мазута, при атмосферном давлении выше температуры его разло­жения. В вакуумной трубчатке происходит разделение мазута на масляные дистилляты - соляровый (350-400 °С), масляный (400-490 °С) и остаток- гудрон.

Первую и вторую стадии описанного технологического про­цесса объединяют под понятием прямой перегонки нефти, а обо­рудование, использующееся для осуществления этих стадий, на­зывают атмосферно-вакуумными трубчатками (АВТ). Фракци­онный состав прямой перегонки: легких фракций- 45 %, мас­ла- 25 %, гудрона- 30%.

Основным недостатком прямой перегонки нефти являются низкие выход и качество бензиновых фракций, поэтому прямая перегонка нефти рассматривается как один из предварительных способов переработки нефти.

Для увеличения количества производимых бензинов в рас­сматриваемой технологической схеме часть мазута прямой пере­гонки нефти используется как сырье для дальнейшей переработ­ки с целью получения светлых фракций. Для этого мазут подвер­гают термическому жидкофазному крекингу О), который ведут при температуре 470-540 °С и давлении до 7 МПа. При терми­ческом крекинге мазут нагревается в трубчатой печи, где часть его (2/3) крекируется. Смесь продуктов крекинга и непрореагировавшего сырья проходит через испаритель, в котором отделяется крекинг-остаток - вещества, не способные крекироваться. Легкие продукты поступают в ректификационную колонну на разде­ление. При термическом крекинге мазута выход крекинг-бензи­нов – 30-35 %, крекин-газа - 10-15 %, крекинг-остаток -50-55 %.

Для дальнейшего увеличения выхода высококачественных бензинов на четвертой стадии технологического процесса соля­ровый дистиллят, получаемый при вакуумной перегонке мазу­та, с температурой кипения 350-400 °С нагревается до 500 °С и подвергается каталитическому крекингу (4). Каталитический крекинг осуществляют в установках, состоящих из реактора и регенератора. В реакторе происходит процесс крекинга, а в регенераторе - восстановление каталитической активности используемого катализатора. По мере эксплуатации установки катализатор теряет свою активность из-за отложения на его по­верхности смолистых веществ. Поэтому продукты крекинга вы­водятся из реактора вместе с отработавшим катализатором, от­деляются от него и направляются в ректификационную колон­ну на разделение. Катализатор поступает в регенератор, где в токе горячего воздуха выжигают кокс, и активность катализа­тора восстанавливается.

Каталитический крекинг на современных цеолитсодержащих катализаторах позволяет получить до 70 % бензина и около 15-20 % легкого газойля, который может служить компонентом дизельного топлива.

Учитывая, что в настоящее время требования некоторых пот­ребителей к качеству бензинов настолько высоки, что их удов­летворение возможно лишь с помощью специальных процессов, не дающих увеличения выхода бензина из нефти, в рассматрива­емой технологической схеме бензины атмосферной перегонки нефти подвергаются риформингу (5). Процесс риформинга осу­ществляется в установках, аналогичных установкам каталити­ческого крекинга.

Сырье (бензиновая фракция прямой перегонки) нагревается в теплообменнике и нагревательной печи до температуры 380-420 °С и поступает в реактор, где под давлением 3,5 МПа и при воздействии платинового катализатора подвергается гидро­очистке. Очищенное сырье после освобождения от сероводоро­да, углеводородных газов и воды нагревается в печи до темпера­туры 500-520 °С и поступает в реакторы, где под давлением бо­лее 4 МПа происходит его реформирование. Полученные при риформинге бензины содержат до 58 % ароматических углеводо­родов, остальное - алканы и нафтены в основном изомерного строения.