3. Фракционный состав и способы переработки нефти

Важным показателем качества нефти является ее фракционный состав. Фракционный состав определяется при лабораторной перегонке, в процессе которой при постепенно повышающейся температуре из нефти отгоняют части – фракции, отличающиеся друг от друга пределами выкипания.

Таким образом, фракция – часть нефти (группа углеводородов), выкипающая (испаряющаяся) в определенном интервале температур. Каждая фракция характеризуется температурой начала кипения (н.к.) и конца кипения (к.к.).

Разделение нефти на фракции основано на том, что различные углеводороды, входящие в ее состав, кипят при разной температуре. Вначале выкипают легкие углеводороды, входящие в состав бензина, затем более тяжелые компоненты реактивного топлива, керосина, далее – еще более высококипящие углеводороды, из которых вырабатывают дизельное топливо.

Нефтепереработка – это много ступенчатый процесс физической и химической обработки сырой нефти, результатом которого является получение комплекса нефтепродуктов. Переработку нефти осуществляют методом перегонки, то есть физическим разделением нефти на фракции.

При промышленной перегонке нефти используют не лабораторный метод постепенного испарения, а схемы с так называемым однократным испарением и дальнейшей ректификацией в специальных ректификационных колоннах с трубопроводами для съема фракций.

Различают первичные и вторичные процессы переработки нефти. К первичным процессам относится прямая (атмосферно-вакуумная) перегонка нефти, в процессе которой углеводороды нефти не подвергаются химическим превращениям. В результате вторичных процессов (крекинг, риформинг и др.) происходит изменение структуры углеводородов в процессе химических реакций.

Первичная переработка нефти

Прямая перегонка, или разделение нефти на фракции, основана на разной температуре кипения углеводородов разной молекулярной массы и осуществляется при нормальном атмосферном давлении и температуре до 350 С.

Перегонка нефти производится на атмосферных или атмосферно-вакуумных установках, состоящих из трубчатой печи, ректификационной колонны, теплообменников и другой аппаратуры. Трубчатая печь – это устройство, внутри которого помещена система стальных труб, обогреваемых теплом сжигаемого горючего газа или мазута. Ректификационная колонна представляет собой вертикальный стальной цилиндр высотой до 40 метров, разделенный внутри горизонтальными перегородками с отверстием посередине, которое закрыто колпаками с зазорами по краю (барботажными тарелками), на отделения. Каждое отделение имеет свой трубопровод для съема отдельных фракций нефти.

Нагретую нефть вместе с водяным паром подают в нижнюю часть ректификационной колонны. Пар поднимает нагретую нефть вверх по колонне. Низкокипящие фракции и газ поднимаются на самые высокие этажи колонны. Температура охлаждения колпаков нижних этажей высока для них, и они, достигнув очередной тарелки, не конденсируются в жидкость, а через боковые отверстия вновь устремляются вверх, пока не окажутся под колпаком, где температура достаточно низка для их конденсации.

Фракции, получаемые при прямой перегонке, называют светлыми фракциями, или светлыми дистиллятами. Обычно при прямой перегонке

получают следующие фракции, название которым присвоено в зависимости от направления их дальнейшего использования:

• бензиновая фракция (газолин) – 50 – 140 С;

• лигроиновая фракция (тяжелая нафта) – 110 – 180 С;

• керосиновая фракция – 140 – 280 С;

• дизельная фракция (легкий или атмосферный газойль, соляровый дистиллят) – 180 – 350 С.

Выход бензина при прямой перегонке составляет от 5 до 20 % от массы нефти. Остаток после отбора светлых фракций называется мазутом. Мазут разгоняют под вакуумом и при более высоких температурах, при этом в зависимости от направления переработки получают следующие фракции:

Для получения топлив:

350–500 С – вакуумный газойль (вакуумный дистиллят);

500 С – вакуумный остаток (гудрон).

Для получения масел:

350– 20 С – легкая масляная фракция (трансформаторный дистиллят);

420–490 С – средняя масляная фракция (машинный дистиллят);

450–490 С – тяжелая масляная фракция (цилиндровый дистиллят);

490 С – гудрон.

Мазут и получаемые из него фракции называются темными. Нефти различных месторождений заметно различаются по фракционному составу, содержанию темных и светлых фракций. Так, в Ярегской нефти (республика Коми) содержится 18,8 % светлых фракций, а в Самотлорской нефти (Западная Сибирь) – 58,8 %.

Вторичная переработка нефти

Прямогонные продукты не удовлетворяют требованиям современной техники и поэтому подвергаются дальнейшей переработке. Прямогонные бензины содержат сернистые соединения, ухудшающие экологические показатели топлив, вызывающие коррозию двигателя, отравляющие катализаторы, поэтому их подвергают гидроочистке.

Гидроочистка – это термокаталитический процесс, обеспечивающий гидрирование сероорганических соединений нефти до сероводорода, который затем улавливается и отделяется. Сероводород является источником получения серы. Гидроочищенные прямогонные продукты поступают на установки вторичных процессов глубокой переработки нефти. В основе вторичных процессов переработки нефти лежат химические реакции расщепления, изомеризации, гидрирования углеводородов под действием высоких температур и давления, в присутствии катализаторов (термокаталитические процессы) или без них (термические процессы).

Крекинг – расщепление тяжелых углеводородов для получения дополнительного количества бензинов и дизельных топлив. Различают следующие виды крекинга:

• термический – производится при 500 - 750 °С и давлении 4 – 6 МПа, выход бензина при этом достигает 60 – 70 %. Тяжелые нефтепродукты (мазут, гудрон), подверженные термическому крекингу при низком давлении (коксование), используют для производства газойля, моторных топлив и кокса. Высокотемпературный крекинг (пиролиз), осуществляемый при температуре 650-750 °С и атмосферном давлении, дает возможность перерабатывать тяжелое остаточное сырье в газ, используемый в химической промышленности, а также получать ароматические углеводороды (бензол, толуол, нафталин и др.);

• каталитический – производится с использованием катализаторов. Использование катализаторов повышает селективность процесса, позволяет расширить возможности в использовании сырья при получении высококачественных товарных продуктов. Для переработки средних и тяжелых фракций с большим содержанием сернистых и смолистых соединений большое распространение получил каталитический крекинг с использованием водорода – гидрокрекинг. При этом процессе выход светлых фракций возрастает до 70 %, содержание серы в них снижается.

Газообразные продукты, неизбежно получающиеся в результате термических и каталитических процессов, собираются и перерабатываются различными химическими способами (алкилирование, полимеризация, изомеризация и др.). В результате получается довольно широкая гамма высокооктановых компонентов бензинов, присадок и сырья для нефтехимических процессов.

Риформинг каталитический – процесс получения высокооктановых компонентов бензинов из бензиновых и лигроиновых фракций нефти. Он состоит из сложных каталитических превращений (дегидрирование, изомеризация, дегидроциклизация и др.). Риформинг на платиновом катализаторе называется платформингом, на молибденовом – гидроформингом.

Алкилирование – введение в молекулы углеводородов соединений алкила, например, метила СН₃ (метилирование), этила С₂Н₅ (этилирование). Применяется для получения высокооктановых компонентов бензина.

Получаемые различными способами нефтепродукты очищаются от нежелательных примесей и смешиваются (подвергаются компаундированию) для получения товарных продуктов. При необходимости в них вводятся специальные добавки – присадки, улучшающие те или иные свойства продуктов.