ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

веществ мало. К ним относится большинство нефтей Урало-Поволжья и Западной Сибири.

Для нафтеновых нефтей характерно высокое (до 60% и более) содержание циклоалканов во всех фракциях. Они содержат минимальное количество твердых парафинов, смол и асфальтенов. К нафтеновым относятся нефти, добываемые в Баку (балаханская и сураханская)

ина Эмбе (доссорская и макатская) и др.

Впарафино-нафтено-ароматических нефтях содержатся примерно в равных количествах углеводороды всех трех классов, твердых парафинов не более 1,5%. Количество смол и асфальтенов достигает

10%.

Нафтено-ароматические нефти характеризуются преобладающим содержанием цикланов и аренов, особенно в тяжелых фракциях. Алканы содержатся в небольшом количестве только в легких фракциях. В состав этих нефтей входит около 15… 20% смол и асфальтенов.

Ароматические нефти характеризуются преобладанием аренов во всех фракциях и высокой плотностью. К ним относятся прорвинская в Казахстане и бугурусланская в Татарстане.

Технологическая классификация

В нашей стране с 1991 г. действует технологическая классификация нефтей. Нефти подразделяют по следующим показателям:

—три класса (I–III) по содержанию серы в нефти (малосернистые, сернистые и высокосернистые), а также в бензине (н. к. – 180°С), в реактивном (120…240°С) и дизельном топливе (240…350°С);

—три типа (Т1–Т3) по потенциальному содержанию фракций, перегоняющихся до 350°С ;

—четыре группы (М1–М4) по потенциальному содержанию базовых масел;

—четыре подгруппы (И1–И4) по качеству базовых масел, оцениваемому индексом вязкости;

—три вида (П1–П3) по содержанию парафинов.

Из малопарафинистых нефтей вида П1 можно получать без депарафинизации реактивные и зимние дизельные топлива, а также дистиллятные базовые масла. Из парафинистых нефтей П2 без депарафинизации можно получить реактивное и лишь летнее дизельное топливо. ИзвысокопарафинистыхнефтейП3,содержащихболее6%парафинов, даже летнее дизельное топливо можно получить только после депарафинизации.

В настоящее время в России принята новая классификация нефтей по ГОСТ Р 51858–2002.

34

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1.2.4.Производственно-проектная оценка

иосновные направления переработки нефтей

игазоконденсатов

Нефтеперерабатывающая промышленность – отрасль тяжелой промышленности, охватывающая переработку нефти и газовых конденсатов и производство высококачественных товарных нефтепродуктов: моторных и энергетических топлив, смазочных маcел, битумов, нефтяного кокса, парафинов, растворителей, элементной серы, термогазойля, нефтехимического сырья и товаров народного потребления.

Промышленная переработка нефти и газовых конденсатов на современных нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) осуществляется путем сложной многоступенчатой физической и химической переработки на отдельных или комбинированных крупнотоннажных технологических процессах (установках, цехах), предназначенных для получения различных компонентов или ассортиментов товарных нефтепродуктов.

Существует три основных направления переработки нефти:

—топливное;

—топливно-масляное;

—нефтехимическое или комплексное (топливно-нефтехимическое или топливно-масляно-нефтехимическое).

При топливном направлении нефть и газовый конденсат в основном перерабатываютсянамоторныеикотельныетоплива.Переработканефти на НПЗ топливного профиля может быть глубокой и неглубокой. ТехнологическаясхемаНПЗснеглубокойпереработкойотличаетсянебольшимчисломтехнологическихпроцессовинебольшимассортиментом нефтепродуктов. Выход моторных топлив по этой схеме не превышает 55…60% мас. и зависит в основном от фракционного состава перерабатываемогонефтяногосырья.Выходкотельноготопливасоставляет

30…35% мас.

При глубокой переработке стремятся получить максимально высокий выход высококачественных моторных топлив путем вовлечения в их производство остатков атмосферной и вакуумной перегонок, а также нефтезаводских газов. Выход котельного топлива в этом варианте сводится к минимуму. Глубина переработки нефти при этом достигает до 70…90% мас.

По топливно-масляному варианту переработки нефти наряду с моторными топливами получают различные сорта смазочных масел. Для производства последних подбирают обычно нефти с высоким потенциальным содержанием масляных фракций с учетом их качества.

35

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Нефтехимическая и комплексная переработка нефти предусматривает наряду с топливами и маслами производство сырья для нефтехимии (ароматические углеводороды, парафины, сырье для пиролиза

идр.), а в ряде случаев – выпуск товарной продукции нефтехимического синтеза.

Выбор конкретного направления, соответственно, схем переработки нефтяного сырья и ассортимента выпускаемых нефтепродуктов обусловливается прежде всего качеством нефти, ее отдельных топливных

имасляных фракций, требованиями к качеству товарных нефтепродуктов, а также потребностями в них данного экономического района.

Предварительную оценку потенциальных возможностей нефтяного сырья можно осуществить по комплексу показателей, входящих в технологическую классификацию нефтей. Однако этих показателей недостаточно для определения набора технологических процессов, ассортимента и качества нефтепродуктов, для составления материального баланса установок, цехов и НПЗ в целом и т.д. Для этих целей в лабораториях научно-исследовательских институтов проводят тщательныеисследованияпоустановлениювсехтребуемыхдляпроектных разработокпоказателейкачестваисходногонефтяногосырья,егоузких фракций, топливных и масляных компонентов, промежуточного сырья для технологических процессов и т.д. Результаты этих исследований представляют обычно в виде кривых зависимости ИТК, плотности, молекулярной массы, содержания серы, низкотемпературных и вязкостных свойств от фракционного состава нефти (рис. 1.1), а также в форме

Рис. 1.1. Характеристика нефти и ее остатка

36

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

таблиц с показателями, характеризующими качество данной нефти, ее фракций и компонентов нефтепродуктов. Справочный материал с подробными данными по физико-химическим свойствам отечественных нефтей,имеющихпромышленноезначение,приводитсявмноготомном издании «Нефти СССР» (М.: Химия).

1.2.5.Классификация процессов переработки нефти, газовых конденсатов и газов

Технологические процессы НПЗ принято классифицировать на следующие 2 группы: физические и химические.

1.Физическими (массообменными) процессами достигается разделение нефти на составляющие компоненты (топливные и масляные фракции) без химических превращений и удаление (извлечение) из фракций нефти, нефтяных остатков, масляных фракций, газоконденсатов и газов нежелательных компонентов (полициклических ароматических углеводородов, асфальтенов, тугоплавких парафинов), неуглеводородных соединений.

Физические процессы по типу массообмена можно подразделить на следующие типы:

1.1 – гравитационные (ЭЛОУ); 1.2 – ректификационные (АТ, АВТ, ГФУ и др.);

1.3 – экстракционные (деасфальтизация, селективная очистка, депарафинизация кристаллизацией);

1.4 – адсорбционные (депарафинизация цеолитная, контактная очистка);

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

2.В химических процессах переработка нефтяного сырья осуществляется путем химических превращений с получением новых продуктов, не содержащихся в исходном сырье. Химические процессы, применяемые на современных НПЗ, по способу активации химических реакций подразделяются:

2.1 – на термические;

2.2 – каталитические.

Термические процессы по типу протекающих химических реакций можно подразделить на следующие типы:

2.1.1 – термодеструктивные (термический крекинг, висбрекинг, коксование,пиролиз,пекование,производствотехническогоуглеродаидр.); 2.1.2 – термоокислительные (производство битума, газификация

кокса, углей и др.).

37

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

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

Каталитические процессы по типу катализа можно классифицировать на следующие типы:

2.2.1– гетеролитические, протекающие по механизму кислотного катализа (каталитический крекинг, алкилирование, полимеризация, производство эфиров и др.);

2.2.2– гомолитические, протекающие по механизму окислительновосстановительного (электронного) катализа (производство водорода

исинтез газов, метанола, элементной серы);

2.2.3– гидрокаталитические, протекающие по механизму бифункционального (сложного) катализа (гидроочистка, гидрообессеривание, гидрокрекинг, каталитический риформинг, изомеризация, гидродеароматизация, селективная гидродепарафинизация и др.).

Головным процессом переработки нефти (после ЭЛОУ – электрообессоливающей установки) является атмосферная перегонка (АТ – атмосферная трубчатка), где отбираются топливные фракции (бензиновые, осветительного керосина, реактивного и дизельного топлив) и мазут, используемый либо как компонент котельного топлива, либо как сырье для последующей глубокой переработки. Топливные фракции атмосферной перегонки далее подвергаются облагораживанию: гидроочистке от гетероатомных соединений, а бензины – каталитическому риформингу с целью повышения их качества или получения индивидуальных ароматических углеводородов – сырья нефтехимии (бензола, толуола, ксилолов и др.). Из мазута путем вакуумной перегонки (на установках ВТ – вакуумной трубчатки) получают либо широкую фракцию (350…500°С) вакуумного газойля – сырья для последующей переработки на установках каталитического крекинга или гидрокрекингасполучением,главнымобразом,компонентовмоторных топлив, либо узкие дистиллятные масляные фракции, направляемые далее на последующие процессы очистки (селективная очистка, депарафинизация и др.) Остаток вакуумной перегонки – гудрон – служит при необходимости для получения остаточных масел или как сырье для глубокой переработки с получением дополнительного количества моторных топлив, нефтяного кокса,дорожногои строительногобитума или же в качестве компонента котельного топлива.

38

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1.3.Основные требования к качеству товарных нефтепродуктов

Нефтеперерабатывающаяпромышленностьвырабатываетисключительно большой ассортимент (более 500 наименований) газообразных, жидких и твердых нефтепродуктов. Требования к ним весьма разнообразны и диктуются постоянно изменяющимися условиями применения или эксплуатации того или иного конкретного нефтепродукта.

Воснову классификации товарных нефтепродуктов могут быть положены различные принципы, например, по фазовому составу или способу их производства. Поскольку требования как к объему производства, так и к качеству товаров диктуют их потребители, то принято классифицировать нефтепродукты по их назначению, т.е. по направлению их использования в отраслях народного хозяйства.

Всоответствии с этим различают следующие группы нефтепродуктов:

1.Моторные топлива.

2.Энергетические топлива.

3.Нефтяные масла.

4.Углеродные и вяжущие материалы.

5.Нефтехимическое сырье.

6.Нефтепродукты специального назначения.

Моторныетопливав зависимости от принципа работы двигателей

подразделяют на:

1.1.Бензины авиационные и автомобильные.

1.2.Реактивные.

1.3.Дизельные.

Энергетические топлива подразделяются на:

2.1.Газотурбинные.

2.2.Котельные.

Нефтяные масла подразделяют на:

3.1.Смазочные

3.2.Несмазочные.

Различают следующие подгруппы смазочных масел:

3.1.1.Моторные для поршневых и для реактивных двигателей.

3.1.2.Трансмиссионные и осевые для смазки автомобильных и тракторных гипоидных трансмиссий (зубчатых передач различных типов)

ишеек осей железнодорожных вагонов и тепловозов.

3.1.3.Индустриальные масла для смазки станков, машин и механизмов различного промышленного оборудования, работающих в разнообразных условиях и с различной скоростью и нагрузкой. По значению

39

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

вязкости их подразделяют на легкие (швейное, сепараторное, вазелиновое, приборное, веретенное, велосит и др.), средние (для средних режимов скоростей и нагрузок) и тяжелые (для смазки кранов, буровых установок, оборудования мартеновских печей, прокатных станов и др.).

3.1.4. Энергетические масла (турбинные, компрессорные и цилиндровые) – для смазки энергетических установок и машин, работающих

вусловиях нагрузки, повышенной температуры и воздействия воды, пара и воздуха.

Несмазочные (специальные) масла предназначены не для смазки, а для применения в качестве рабочих жидкостей в тормозных системах,

впароструйных насосах и гидравлических устройствах, в трансформаторах, конденсаторах, маслонаполненных электрокабелях в качестве электроизолирующей среды (трансформаторное, конденсаторное, гидравлическое, вакуумное). К ним также относятся вазелиновое, медицинское, парфюмерное, смазочно-охлаждающие жидкости и др.

Углеродные и вяжущие материалы включают:

4.1.Нефтяные коксы.

4.2.Битумы.

4.3.Нефтяные пеки (связующие, пропитывающие, брикетные, волокнообразующие и специальные).

Нефтехимическое сырье. К этой группе можно отнести:

5.1.Ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы, нафталин и др.).

5.2.Сырьедляпиролиза(нефтезаводскиеипопутныенефтяныегазы, прямогонные бензиновые фракции, олефинсодержащие газы и др.).

5.3.Парафины и церезины. Вырабатываются жидкие (получаемые карбамиднойиадсорбционнойдепарафинизациейнефтяныхдистиллятов),итвердые(получаемыепридепарафинизациимасел).Жидкиепарафиныявляютсясырьемдляполучениябелкововитаминныхконцентратов, синтетических жирных кислот и поверхностно-активных веществ.

Нефтепродукты специального назначения подразделяются на:

6.1.Термогазойль (сырье для производства технического углерода).

6.2.Консистентные смазки (антифрикционные, защитные и уплотнительные).

6.3.Осветительный керосин.

6.4.Присадки к топливам и маслам, деэмульгаторы.

6.5.Элементную серу.

6.6.Водород и др.

В потреблении нефтепродуктов более 50% в настоящее время составляют моторные топлива. Так, ежегодно в мире потребляется более

40

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

1,5 млрд т моторных топлив, сжигаемых в многомиллионных двигателях внутреннего сгорания (ДВС), установленных в автомобильных, железнодорожных и авиационных транспортных машинах, речных

иморских судах, сельскохозяйственной, строительной, горнорудной

ивоенной технике. Естественно, в структуре НПЗ преобладают технологические процессы по производству моторных топлив, а также моторных масел.

Всю совокупность свойств нефтепродуктов, определяющих их качество, можно подразделить на следующие три группы:

— физико-химические;

— эксплуатационные;

— технические.

Кфизико-химическимотносятсясвойства,характеризующиесостоя- ние и состав нефтепродуктов (плотность, элементный, фракционный

игрупповой углеводородный составы, вязкость, теплоемкость и т.д.). Они позволяют косвенно судить о том или ином эксплуатационном свойстве. Например, по фракционному составу судят о пусковых свойствах бензинов, по плотности реактивного топлива – о дальности полета и т.д.

Эксплуатационные свойства нефтепродуктов призваны обеспечить надежность и экономичность эксплуатации ДВС, машин и механизмов, характеризуют полезный эффект от их использования по назначению

иопределяют область их применения (например, испаряемость, горючесть, воспламеняемость, детонационную стойкость, прокачиваемость, смазочную способность и др.).

Технические свойства нефтепродуктов (физическая и химическая стабильность, токсичность, пожаро- и взрывоопасность, коррозионная активность и др.) проявляются в процессах их хранения, транспортирования и длительной эксплуатации.

1.3.1. Автомобильные и авиационные бензины

Детонационнаястойкость(ДС)является основным показателем качества авиа- и автобензинов; она характеризует способность бензина сгорать в ДВС с воспламенением от искры без детонации. Детонацией называется особый ненормальный режим сгорания карбюраторного топлива в двигателе, при этом только часть рабочей смеси после воспламенения от искры сгорает нормально с обычной скоростью. Последняя порция несгоревшей рабочей смеси, находящаяся перед фронтом пламени,мгновенносамовоспламеняется,врезультатескоростьраспространения пламени возрастает до 1500…2000 м/с, а давление нарастает

41

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

не плавно, а резкими скачками. Этот резкий перепад давления создает ударнуюдетонационнуюволну,распространяющуюсясосверхзвуковой скоростью. Удар такой волны о стенки цилиндра и ее многократное отражение от них приводит к вибрации и вызывает характерный звонкий металлический стук высоких тонов. При детонационном сгорании двигатель перегревается, появляются повышенные износы цилиндропоршневой группы, увеличивается дымность отработавших газов. При длительной работе на режиме интенсивной детонации возможны и аварийные последствия. Особенно опасна детонация в авиационных двигателях. На характер сгорания бензина и вероятность возникновения детонации в карбюраторных двигателях оказывают влияние как конструктивные особенности двигателя (степень сжатия, диаметр цилиндра, форма камеры сгорания, расположение свечей, материал, из которого изготовлены поршни, цилиндры и головка блока цилиндра, число оборотов коленчатого вала, угол опережения зажигания, коэффициент избытка и влажность воздуха, нагарообразование, тепловой режим в блоке цилиндров и др.), так и качество применяемого топлива.

Для бездетонационного горения наиболее благоприятны такие значения параметров, которые обеспечивают минимальное время сгорания, низкие температуры и наилучшие условия гомогенизации рабочей смеси в камере сгорания. Из этого принципа следует, что при конструировании бензиновых двигателей следует стремиться к уменьшению диаметра цилиндров, увеличению их числа и числа оборотов коленчатого вала, обеспечению интенсивного теплообмена в системе охлаждения, использовать для изготовления блока цилиндров металлы с высокой теплопроводностью, например алюминий; следует отдать предпочтение таким формам камеры сгорания, которые обеспечивают наилучшие условия для перемешивания и одновременно отвода тепла рабочей смеси и т.д.Сповышением степени сжатияуменьшаетсявремя сгорания рабочей смеси и существенно улучшаются технико-экономи- ческие показатели двигателя, однако при этом в результате повышения температуры в камере сгорания возрастает вероятность возникновения детонации, а также неконтролируемого самовоспламенения топлива.

Вероятность возникновения детонации при работе на данном двигателе существенно зависит и от химического состава применяемого автобензина:наиболеестойкикдетонацииароматическиеиизопарафиновые углеводороды и склонны к детонации нормальные парафиновые углеводороды бензина.

Оценка детонационной стойкости бензинов проводится на стандартном одноцилиндровом двигателе с переменной степенью сжатия

42

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

(УИТ-65). Определение ДС сводится к подбору смеси эталонных углеводородов, которая при данной степени сжатия стандартного двигателя сгорает с такой же интенсивностью детонации, как и испытуемый бензин. В качестве эталонных углеводородов приняты изооктан (2,2,4-триметилпентан) и н-гептан, а за меру ДС – октановое число (ОЧ). ОЧ изооктана принято равным 100, а гептана – нулю.

Октановое число бензинов – показатель ДС, численно равный процентному содержанию изооктана в эталонной смеси с н-гепта- ном, которая по детонационной стойкости эквивалентна испытуемому бензину в условиях стандартного одноцилиндрового двигателя. ОЧ бензинов выше 100 единиц определяют сравнением их ДС с изооктаном, в который добавлена антидетонационная присадка – тетраэтилсвинец (ТЭС). Определение ОЧ на установке УИТ-65 ведут при двух режимах: в жестком режиме с частотой вращения коленчатого вала двигателя 900 об/мин (метод принято называть моторным) и в мягком режиме с частотой вращения коленчатого вала двигателя 600 об/мин (исследовательский метод). Октановое число бензина, найденное по исследовательскому методу (ОЧИМ), как правило, выше ОЧ, определенного моторным методом (ОЧММ). Разницу между ОЧИМ и ОЧММ называют чувствительностью. Последняя зависит от химического состава бензина: наибольшая у алкенов, несколько меньше у аренов, затем идут нафтеновые и самая низкая чувствительность у алканов.

В табл. 1.3 приведены антидетонационные свойства индивидуальных углеводородов и компонентов бензинов, полученных различными процессами переработки нефти и нефтяных фракций.

Из анализа этой таблицы можно заметить следующие основные закономерности влияния химического строения углеводородов и бензиновых компонентов на их детонационные свойства:

1.Наименьшейдетонационнойстойкостьюобладаюталканынормального строения, наивысшей – ароматические углеводороды. ДС цикланов выше, чем у алканов, но ниже, чем у аренов с тем же числом атомов углерода в молекуле.

2.ДС у алканов нормальногостроения резко снижается сувеличением их молекулярной массы.

3.ДС изопарафинов значительно выше, чем у алканов нормального строения.Увеличениестепениразветвленностимолекулы, компактное и симметричное расположение метильных групп и приближение их к центру молекулы способствует повышению ДС изопарафинов.

43