9.3. Технология переработки нефти

Нефтеперерабатывающая промышленность занимает одно из ведущих мест в народном хозяйстве страны. Сырая нефть, поступающая на нефтеперегонные предприятия, перерабатывается на моторное топливо высокого качества, смазочные и специальные масла широкого ассортимента, битумы и восковые составы, парафины, сажу, кокс для электродов. Плотность нефти находится в пределах 780-1040 кг/м³. Нефть плотностью ниже 900 кг/м³ относят к легким сортам, свыше 900 кг/м³ – к тяжелым. Плотность нефти зависит от содержания в ней легких фракций и в первом приближении характеризует ее состав, определяет направление переработки нефти, а также ассортимент и качество вырабатываемой продукции. Сырая нефть содержит примеси: воду (10-30%), растворенные соли, частицы породы (3-5%), а также газообразные фракции углеводородов – попутных газов (1-4%), которые при атмосферном давлении интенсивно испаряются, увлекая с собой и часть низкокипящих фракций. Поэтому добытая нефть для предотвращения потерь этих фракций направляется в специальные испарители (трапы), где происходит отделение газов, которые подвергаются дальнейшей переработке.

Свободная вода вместе с механическими примесями отделяется от нефти в отстойниках. Для разрушения мелких капелек воды на нефть воздействуют переменным электрическим полем в специальных аппаратах – электродегидраторах, внутри которых имеются сетки, образующие обкладки конденсатора. Капельки соленой воды, являющиеся электропроводником, интенсивно колеблются в электрическом поле, и, смешиваясь, образуют более крупные капли, стекающие вниз. Обезвоженная нефть поднимается через верхние сетки и подается на переработку.

Процесс перегонки основан на явлениях испарения и конденсации смеси веществ с различными температурами кипения. Технологический процесс перегонки нефти состоит из четырех операций: нагрева смеси, испарения, конденсации и охлаждения полученных фракций.

Нагревание нефти и нефтепродуктов осуществляется в трубчатых печах, имеющих по 3-4 камеры. Сначала холодный продукт поступает в конвекционные камеры, где подогревается отходящими газами, а затем в радиационные. Подогрев в печи производится до температуры 300-500°С.

Рис. 9.3. Ректификационная колонна:

1 – шлем;

2 – тарелки;

3 – смотровые люки;

4 – переливная труба;

5 – соединительная труба;

6 – каскадные тарелки

Разделение смесей на фракции при перегонке производится в ректификационных колоннах (рис. 9.3), которые представляют собой цилиндрический аппарат высотой 25-55 м, диаметром 5-7 м, с внутренними горизонтальными перегородками (тарелками), расположенными одна над другой. В перегородках имеются щели, прикрытые колпаками, которые преграждают путь поднимающимся парам, и сливы, предназначенные для стекания избытка жидкости на тарелке.

Нагретую в печи смесь подают в нижнюю часть колонны. Давление в колонне ниже, чем в трубках печи, поэтому смесь 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) – легкая фракция, которая перетекает вниз с тарелки на тарелку по переливным патрубкам. Поднимающиеся снизу пары подходят под колпак и барботируют через слой жидкости на тарелке. Встречаясь с поднимающимися горячими парами, орошающая колонну жидкость нагревается и частично испаряется. Пары, отдавая ей теплоту, конденсируются, а конденсат стекает в нижнюю часть колонны. Этот процесс многократно повторяется по всей высоте колонны на каждой тарелке. По мере подъема с тарелки на тарелку температура паров и флегмы уменьшается. Температура регулируется существующей подачей холодной легкой фракции для орошения.

Фракционный состав флегмы и паров по высоте колонны непрерывно меняется: стекающая вниз флегма все более обогащается тяжелыми фракциями, а поднимающиеся вверх пары – легкими. Внизу колонны собирается жидкость, содержащая тяжелые фракции (мазут). Легкие фракции поднимаются, по колонне вверх, постепенно охлаждаясь. Самая легкая бензиновая фракция при температуре 180-200°С отводится из колонны в виде паров в конденсатор и отделяется от воды в сепараторе.

С промежуточных тарелок колонны отводятся средние фракции: керосиновая, кипящая при 200-300°С, и газойлевая (300-350°С). Иногда отводят также промежуточые фракции, например, лигроины (160-200°С), керосиногазойлевую (270-320°С).

Мазут разделяют на фракции вакуумной установкой: на легкую фракцию (тяжелый газойль), промежуточную (масляные дистилляты: веретенный, машинный, цилиндровый) и тяжелую (гудрон).

Производительность ректификационных колонн составляет 3-9 тыс. т нефти в сутки, вакуумных установок – 1,5-3 тыс. т мазута в сутки.

Таким образом, продукты перегонки нефти можно резделить на три группы: топливные, масляные дистилляты и гудрон.

Наиболее ценная топливная фракция – бензиновая, выход бензинов из нефти составляет 3-15%, для легкой нефти – до 20%.

Лигроины прямой перегонки используются для дальнейшей переработки на бензин и растворители для лакокрасочной промышленности, их выход составляет 7-10%.

Керосины – осветительный, моторный, компоненты реактивных и дизельных видов топлива, выход 8-20%.

Легкие газойли (соляр) являются основой дизельных видов топлива, а тяжелые – как сырье для дальнейшей переработки (крекинга); их выход составляет в среднем 7-15%.

Мазут – фракция, включающая углеводороды, парафин, маслянистые и смолистые вещества. Легкие мазуты применяются как топливо для котельных и газовых турбин; выход мазута – 50-60%.

Масляные дистилляты – тяжелые фракции, из которых получают различные смазочные и специальные масла; их выход – около 20-25%. Гудрон состоит из смолистых веществ, парафинов и тяжелых углеводородов и служит полуфабрикатом, из которого получают битумы и кокс для электродов; его выход – 15-30%.

Сравнительно малый выход бензина при прямой перегонке обусловил необходимость разработки метода получения легких фракций из тяжелых внедрением крекинг-процесса.

Крекинг, пиролиз и риформинг нефтепродуктов. Переработка нефти обычной перегонкой, т.е. физическим методом, не изменяет химического состава нефти и ее продуктов, не разрушает и не создает углеводородов, а лишь разделяет нефть на ее составные части. Перегонкой нельзя получить из нефти больше того, что естественно в ней содержится. Например, в нефти содержится 10-15% бензина, и получить большее количество бензина перегонкой невозможно.

Для значительного увеличения выхода из нефти легких продуктов и прежде всего бензина наряду с физическими методами сейчас применяют и химические методы переработки нефтепродуктов, основанные на изменении их химического состава. Этими новыми методами являются крекинг и пиролиз. Сущность их заключается в том, что переработку нефтепродуктов производят в условиях, при которых отдельные углеводороды расщепляются (распадаются на части) и образуют новые, более легкие углеводороды (с меньшим числом атомов углерода) (рис. 9.4). Таким путем достигается увеличение выхода бензина и других легких продуктов сверх того количества, которое содержится в исходном сырье.

Крекинг (что означает расщепление) ведут при температуре 475-500°С и давлением 2…7 МПа. Для активизации и соответствующего направления процесса крекинга применяют различные катализаторы, чаще всего алюмосиликатные (как правило, синтетические, иногда природные – бентонитовые глины).

Пиролиз (означающий разложение при высокой температуре) осуществляется при атмосферном давлении, но при более высоких температурах (680-750°С).

Рис. 9.4. Расщепление углеводорода при крекинге

Тяжелый углеводород – цетан С₁₆Н₃₄ распадается на два легких углеводорода: С₈Н₁₈ и октилен С₈Н₁₆

Крекингом из тяжелых нефтяных фракций (соляра, мазута) получают преимущественно бензин и другое легкое моторное топливо. Пиролизом обычно перерабатывают нефтяные газы, бензины и керосины для получения сырья (этилена, пропилена, бутадиена и др.) для промышленности органического синтеза и полимеров.

На передовых нефтеперерабатывающих предприятиях, применяющих новейшую технологию производства, выход легкого моторного топлива очень высок; из соляра, например, получают 60-80% высококачественного бензина и керосина и небольшое количество газов и крекингового остатка. Крекинг-бензин отличается более высокими антидетонационными свойствами и в этом отношении превосходит бензин, получаемый при перегонке нефти.

Получаемые при крекинге и пиролизе газы содержат этилен, пропилен, бутилен и другие легкие углеводороды. Из них получают спирты, синтетический каучук, пластмассы и множество других продуктов.

Крекинговый остаток подвергают коксованию - процессу глубокого разложения при температуре 480-650°С. В результате получаются нефтяной кокс, газ и жидкие нефтепродукты, в том числе некоторое количество бензина. Нефтяной кокс может служить заменителем каменноугольного кокса.

Таким образом, новейшие методы переработки нефти открывают широчайшие возможности для использования нефтепродуктов во всех отраслях народного хозяйства и полного обеспечения страны всеми видами жидкого топлива и смазочных материалов, а также разнообразным химическим сырьем без чрезмерного увеличения нефтедобычи.

Риформинг – процесс, применяемый для улучшения качества бензина, повышения его антидетонационных свойств (повышения октанового числа бензина). Использование высокооктанового бензина значительно повышает мощность двигателей и экономическую эффективность эксплуатации автомобилей. Процессы риформинга осуществляют при температуре 450-530°С и давлении 1,4-5,6 МПа с участием водорода и в присутствии различных катализаторов (молибден, платина, окиси хрома и молибдена и др.). В процессе риформинга преобразуется структура молекул углеводородов бензина, уменьшается содержание в нем низкооктановых и увеличивается содержание высокооктановых углеводородов. В результате бензин получается высокооктановым.