Нефтепереработка – многоступенчатый 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.
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) 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.
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. 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 %.
- каталитический – производится с использованием катализаторов.
Риформинг каталитический – процесс получения высокооктановых компонентов бензинов из бензиновых и лигроиновых фракций нефти.
Алкилирование – введение в молекулы углеводородов соединений алкила. Применяется для получения высокооктановых компонентов бензина.
Классификация и показатели качества нефти.
Существует несколько классификаций нефти. В соответствии с ГОСТ Р нефть классифицируется по физико-химическим свойствам, степени подготовки, содержанию сероводорода и легких меркаптанов на классы, типы, группы, виды. Признаки классификации нефти одновременно являются показателями, по которым осуществляется приемка нефти по качеству.
В зависимости от массовой доли серы нефть подразделяют на классы 1 – 4:
1 класс – малосернистая;
2 класс – сернистая;
3 класс – высокосернистая;
4 класс – особо высокосернистая.
По плотности, а при поставке на экспорт – дополнительно по выходу фракций и массовой доле парафина нефть подразделяют на пять типов:
0 тип – особо легкая;
1 тип – легкая;
2 тип – средняя;
3 тип – тяжелая;
4 тип – битуминозная.
По степени подготовки нефть подразделяют на группы 1 – 3 по таким показателям, как содержание воды, концентрация хлористых солей, давление насыщенных паров, массовая доля механических примесей.
По массовой доле сероводородов и легких меркаптанов нефть подразделяют на 2 вида.
Условное обозначение нефти состоит из четырех цифр, соответствующих обозначениям класса, типа, группы и вида нефти. При поставке нефти на экспорт к обозначению типа добавляется индекс «э».
Технологическая классификация нефти действует в России с 1967 г. и определяет использование ее как сырья для тех или иных нефтепродуктов. По технологической классификации нефти подразделяют на:
Классы (1 – 3) – по содержанию серы;
Типы (Т1 – Т3) – по выходу светлых фракций, перегоняемых до 350 °С;
Группы (М1 – М4) – по потенциальному содержанию базовых масел;
Подгруппы (И1 – И2) – по индексу вязкости базовых масел;
Виды (П1 – П2) по содержанию парафинов в нефти.
Химическая классификация подразделяет нефти различных месторождений по их углеводородному составу на шесть групп:
Парафиновые
Нафтеновые
Ароматические
Парафино-нафтеновые
Парафино-нафтено-ароматические
Нафтено-ароматические
Нефтепродукты. Виды и характеристика моторных бензинов
Ассортимент нефтеперерабатывающей промышленности насчитывает более 500 наименований газообразных, жидких и твердых нефтепродуктов в зависимости от их назначения. Нефтепродукты по назначению классифицируются на следующие группы: топлива, нефтяные масла, парафины и церезины, ароматические углеводороды, нефтяные битумы, нефтяной кокс и прочие нефтепродукты.
Топливом - горючие вещества для получения при их сжигании тепловой энергии. Практическая ценность топлива определяется количеством теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.
Моторные бензины.
Моторные бензины предназначены для поршневых авиационных и автомобильных двигателей внутреннего сгорания с принудительным воспламенением.
Современные автомобильные и авиационные бензины должны удовлетворять следующим требованиям:
Иметь хорошую испаряемость, позволяющую получить однородную топливовоздушную смесь при любых температурах;
Иметь групповой углеводородный состав, обеспечивающий устойчивый, бездетонационный процесс сгорания на всех режимах работы двигателя; не изменять своего состава и свойств при длительном хранении;
Не оказывать вредного влияния на детали топливной системы и окружающую среду.
Автомобильные бензины используются в бензиновых двигателях внутреннего сгорания. Основные показатели качества бензинов – фракционный состав и октановое число. Фракционный состав характеризуется температурой начала кипения, температурами испарения. Октановое число является основным показателем качества бензина, характеризующим его детонационную стойкость. Детонацией - сгорание топливной смеси в цилиндре двигателя. Если марка бензина содержит буквенный индекс «И», то это значит, что октановое число данного бензина определяют исследовательским методом; если только букву «А» – моторным.
Авиационные бензины. Авиационные бензины предназначены для применения в поршневых авиационных двигателях.
Реактивные топлива предназначены для использования в современных самолетах с воздушно-реактивными двигателями.
Дизельное топливо предназначено для быстроходных дизельных и газотурбинных двигателей наземной и судовой техники
С момента поступления на нефтеперерабатывающий завод нефть и получаемые из нее нефтепродукты проходят следующие основные этапы:
1. Подготовка нефти к переработке.
2. Первичная переработка нефти.
3. Вторичная переработка нефти.
4. Очистка нефтепродуктов.
Схема, отражающая взаимосвязь этих этапов, приведена на рис. 4.1.1.
Подготовка нефти к переработке заключается в ее дополнительном обезвоживании и обессоливании. Необходимость дополнительной подготовки обусловлена тем, что для обеспечения высоких показателей работы установок по переработке нефти в них необходимо
Рис. 4.1.1. Технологические потоки современного НПЗ (упрощенная схема): I
- подготовка нефти
к переработке; II
- первичная перегонка нефти; III
- вторичная переработка нефти; IV
- очистка
нефтепродуктов
Глава 4. Переработка нефти, газа и углеводородного сырья 173
Подавать сырье с содержанием солей не более 6 г/л и воды 0,2%. Поэтому нефть, поступающую на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ), подвергают дополнительному обезвоживанию и обессоливанию.
Доведение содержания воды и солей до требуемых показателей осуществляется на электрообессоливающих установках (ЭЛОУ) следующим образом. Нефть несколькими потоками с помощью насосов прокачивается через подогреватели, где нагревается отработавшим паром. После этого в поток добавляется деэмульгатор, и нефть поступает в отстойники, где от нее отделяется вода. Для вымывания солей в нефть добавляют щелочную воду. Основное ее количество затем отделяют в электродегидраторе первой ступени. Окончательное обезвоживание нефти осуществляется в электродегидраторе второй ступени.
Переработка нефти начинается с ее перегонки (первичная переработка нефти). Нефть представляет собой сложную смесь большого количества взаимно растворимых углеводородов, имеющих различные температуры начала кипения. В ходе перегонки, повышая температуру, из нефти выделяют углеводороды, выкипающие в различных интервалах температур.
Для получения данных фракций применяют процесс, называемый ректификацией и осуществляемый в ректификационной колонне. Ректификационная колонна представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат высотой 20...30 м и диаметром 2...4 м. Внутренность колонны разделена на отдельные отсеки большим количеством горизонтальных дисков, в которых имеются отверстия для прохождения через них паров нефти. Жидкость перемещается по сливным патрубкам.
Перед закачкой в ректификационную колонну нефть нагревают в трубчатой печи до температуры 350...360 °С. При этом легкие углеводороды, бензиновая, керосиновая и дизельная фракции переходят в парообразное состояние, а жидкая фаза с температурой кипения выше 350 °С представляет собой мазут.
После ввода данной смеси в ректификационную колонну мазут стекает вниз, а углеводороды, находящиеся в парообразном состоянии, поднимаются вверх. Кроме того, вверх поднимаются пары углеводородов, испаряющиеся из мазута, нагреваемого в нижней части колонны до 350 "С.
Поднимаясь вверх, пары углеводородов за счет контакта с жидкостью (орошением), подаваемой сверху, постепенно охлаждаются. Поэтому их температура в верхней части колонны становится равной
174 Часть I. Основы нефтегазового дела
По мере остывания паров нефти конденсируются соответствующие углеводороды. Технологический процесс рассчитан таким образом, что в самой верхней части колонны конденсируется бензиновая фракция, ниже - керосиновая, еще ниже - фракция дизельного топлива. Несконденсировавшиеся пары направляются на газофракционирование, где из них получают сухой газ (метан, этан), пропан, бутан и бензиновую фракцию.
Перегонка нефти с целью получения указанных фракций (по топливному варианту) производится на атмосферных трубчатых установках (AT). Для более глубокой переработки нефти используются атмосферно-вакуумные трубчатые установки (АВТ), имеющие кроме атмосферного вакуумный блок, где из мазута выделяют масляные фракции (дистилляты), вакуумный газойль, оставляя в остатке гудрон.
Методы вторичной переработки нефти делятся на две группы - термические и каталитические.
К термическим методам относятся термический крекинг, коксование и пиролиз.
Термический крекинг - это процесс разложения высокомолекулярных углеводородов на более легкие при температуре 470...540 °С и давлении 4...6 МПа. Сырьем для термического крекинга является мазут и другие тяжелые нефтяные остатки. При высоких температуре и давлении длинноцепочные молекулы сырья расщепляются. Продукты реакции разделяются с получением топливных компонентов, газа и крекинг-остатка.
Коксование - это форма термического крекинга, осуществляемого при температуре 450...550 °С и давлении 0,1...0,6 МПа. При этом получаются газ, бензин, керосино-газойлевые фракции, а также кокс.
Пиролиз - это термический крекинг, проводимый при температуре 750...900 °С и давлении, близком к атмосферному, с целью получения сырья для нефтехимической промышленности. Сырьем для пиролиза являются легкие углеводороды, содержащиеся в газах, бензины первичной перегонки, керосины термического крекинга, керосино-газойлевая фракция. Продукты реакции разделяются с получением индивидуальных непредельных углеводородов (этилен, пропилен и др.). Из жидкого остатка, называемого смолой пиролиза, могут быть извлечены ароматические углеводороды.
К каталитическим методам относятся каталитический крекинг, риформинг.
Каталитический крекинг - это процесс разложения высокомолекулярных углеводородов при температурах 450...500 °С и давлении
Глава 4. Переработка нефти, газа и углеводородного сырья 175
0,2 МПа в присутствии катализаторов - веществ, ускоряющих реакцию крекинга и позволяющих осуществлять ее при более низких, чем при термическом крекинге, давлениях.
В качестве катализаторов используются, в основном, алюмосиликаты и цеолиты.
Сырьем для каталитического крекинга являются вакуумный газойль, а также продукты термического крекинга и коксования мазутов и гудронов. Получаемые продукты - газ, бензин, кокс, легкий и тяжелый газойли.
Риформинг - это каталитический процесс переработки низкооктановых бензиновых фракций, осуществляемый при температуре около 500 °С и давлении 2...4 МПа. В результате структурных преобразований октановое число углеводородов в составе катализата резко повышается. Данный катализат является основным высокооктановым компонентом товарного автомобильного бензина. Кроме того, из катализата могут быть выделены ароматические углеводороды (бензол, толуол, этилбензол, ксилолы).
Гидрогенизационными называются процессы переработки нефтяных фракций в присутствии водорода, вводимого в систему извне. Гидрогенизационные процессы протекают в присутствии катализаторов при температуре 260...430 °С и давлении 2...32 МПа.
Применение гидрогенизационных процессов позволяет углубить переработку нефти, обеспечив увеличение выхода светлых нефтепродуктов, а также удалить нежелательные примеси серы, кислорода, азота (гидроочистка).
Фракции (дистилляты), получаемые в ходе первичной и вторичной переработки нефти, содержат в своем составе различные примеси. Состав и концентрация примесей, содержащихся в дистиллятах, зависят от вида используемого сырья, применяемого процесса его переработки, технологического режима установки. Для удаления вредных примесей дистилляты подвергаются очистке.
Для очистки светлых нефтепродуктов применяются следующие процессы:
1) щелочная очистка (выщелачивание);
2) кислотно-щелочная очистка;
3) депарафинизация;
4) гидроочистка;
5) ингибирование.
Щелочная очистка заключается в обработке бензиновых, керосино-вых и дизельных фракций водными растворами каустической или кальцинированной соды. При этом из бензинов удаляют сероводород и час-
176 Часть I. Основы нефтегазового дела
Тично меркаптаны, из керосинов и дизельного топлива - нафтеновые кислоты.
Кислотно-щелочная очистка применяется с целью удаления из дистиллятов непредельных и ароматических углеводородов, а также смол. Заключается она в обработке продукта сначала серной кислотой, а затем - в ее нейтрализации водным раствором щелочи.
Депарафинизация используется для понижения температуры застывания дизельных топлив и заключается в обработке дистиллята раствором карбамида. В ходе реакции парафиновые углеводороды образуют с карбамидом соединение, которое сначала отделяется от продукта, а затем при нагревании разлагается на парафин и карбамид.
Гидроочистка применяется для удаления сернистых соединений из бензиновых, керосиновых и дизельных фракций. Для этого в систему при температуре 350...430 °С и давлении 3...7 МПа в присутствии катализатора вводят водород. Он вытесняет серу в виде сероводорода.
Гидроочистку применяют также для очистки продуктов вторичного происхождения от непредельных соединений.
Ингибирование применяется для подавления реакций окисления и полимеризации непредельных углеводородов в бензинах термического крекинга путем введения специальных добавок.
Для очистки смазочных масел применяют следующие процессы:
1) селективную очистку растворителями;
2) депарафинизацию;
3) гидроочистку;
4) деасфальтизацию;
5) щелочную очистку.
Селективными растворителями называют вещества, которые обладают способностью извлекать при определенной температуре из нефтепродукта только какие-то определенные компоненты, не растворяя других компонентов и не растворяясь в них.
Очистка производится в экстракционных колоннах, которые бывают либо полыми внутри, либо с насадкой или тарелками различного типа.
Для очистки масел применяют следующие растворители: фурфурол, фенол, пропан, ацетон, бензол, толуол и др. С их помощью из масел удаляют смолы, асфальтены, ароматические углеводороды и твердые парафиновые углеводороды.
В результате селективной очистки образуются две фазы: полезные компоненты масла (рафинат) и нежелательные примеси (экстракт).
Депарафинизации подвергают рафинаты селективной очистки, полученные из парафинистой нефти и содержащие твердые углеводо-
Глава 4. Переработка нефти, газа и углеводородного сырья 177
Роды. Если этого не сделать, то при понижении температуры масла теряют подвижность и становятся непригодными для эксплуатации.
Депарафинизация осуществляется фильтрацией после предварительного охлаждения продукта, разбавленного растворителем.
Целью гидроочистки является улучшение цвета и стабильности масел, повышение их вязкостно-температурных свойств, снижение коксуемости и содержания серы. Сущность данного процесса заключается в воздействии водорода на масляную фракцию в присутствии катализатора при температуре, вызывающей распад сернистых и других соединений.
Деасфальтизация полугудрона производится с целью их очистки от асфальто-смолистых веществ. Для разделения полугудрона на де-асфальтизат (масляная фракция) и асфальт применяется экстракция легкими углеводородами (например, сжиженным пропаном).
Щелочная очистка применяется для удаления из масел нафтеновых кислот, меркаптанов, а также для нейтрализации серной кислоты и продуктов ее взаимодействия с углеводородами, остающимися после деасфальтизации.
Похожая информация.
Первичная переработка нефти, предполагает непрерывный производственный процесс. Производственные объекты, входящие в структуру нефтеперерабатывающих предприятий, находятся в режиме постоянной нагрузки, выполняя функциональные задачи. Для своевременного проведения капитального ремонта технологического оборудования, нефтеперегонные заводы, вынуждены останавливать производство, не реже, одного раза в 3 года.
Подготовка к этапу первичной переработки нефти
Оборудование, на котором осуществляется первичная переработка нефти, вступая в непосредственный контакт с агрессивными компонентами перерабатываемого продукта, подвергается коррозийному износу. Одним из них являются соли, которыми насыщена сырая нефтяная масса. Солевые компоненты хорошо растворяется в водной массе. На данном принципе, построен способ обессоливания нефтяного сырья.
Из накопительных емкостей, переработанная продукция поступает в специальную ёмкость, где перемешивается сводным наполнителем. Полученную эмульсию, подают на специальную, электрообессоливающую установку (ЭЛОУ), состоящую из агрегатов цилиндрической структуры (электродегидраторов). Во внутренней части каждого из них, закреплены электродные приспособления, находящиеся под действием высокого напряжения (от 25 кВ).
Эмульсия в процессе первичной переработки нефти проходит через электродегидраторы, где под воздействием тока и высокой температуры (100-120С), начинает разрушаться. Солёная вода, обладая большей плотностью, по отношению к нефти, скапливается внизу аппарата и откачивается насосом. В качестве катализатора процесса выделения воды из нефтяной массы, в раствор добавляют специальные деэмульсаторы.
Процесс первичной переработки нефти
Очищенная от солей нефтяная масса, перемещается на дальнейшую обработку в атмосферно-вакуумные устройства, где выполняется первичная переработка нефти - АВТ. Название установки, обусловлено процессом обрабатывания (раздела на индивидуальные частицы), который заключается в нагреве и процеживании нефти через печные змеевики, трубчатой формы. Для нагрева, используется тепло от сгорающего компонента и выделяющихся дымных газовых веществ. Атмосферно-вакуумное устройство предусматривает два вида обработки.
1. Атмосферный метод обработки. Данный этап первичной переработки нефти наделен задачей выделить светлые компоненты, что выкипают при высоком температурном режиме (350 градусов). Получаемые нефтепродукты - бензины, керосины и дизельное топливо. Выход светлого фракционного состава определяется, порядка шестидесяти процентов от общей массы нефтяного сырья. Побочным продуктом атмосферной перегонки является мазут.
Перегонка, раскаленной в печах нефтяной массы, протекает в вертикального типа цилиндрическом приспособлении - ректификационной трубе, внутренняя зона которой, оснащена контактными механизмами. Через отверстия контактных элементов, пар поднимается в верхний сектор, а жидкий состав сливается в нижнюю зону. Для выполнения такой операции, как первичная переработка нефти, необходимое число контактных приспособлений составляет до шестидесяти штук, Что зависит от размера и конфигурационных процессов ректификационных колонных приспособлений.
2. Вакуумная перегонка предназначена для переработки мазута на заводах топливно-масляного профиля. Первичным продуктом перегонки являются масляные дистилляты, побочным - гудрон. Вакуумная среда (40-60 мм.рт.ст.), позволяет снизить температуру процесса до 360-380 С, выше которой, происходит термическое разложение углеводородов. За счёт этого, увеличивается отбор вакуумного газойля, температура конца кипения которого, выше 520 С.
Количество нефти, для осуществления такого процесса, как первичная переработка нефти, определяется по данным стационарных приборов учёта, либо путём замеров уровня в , где она хранится, и откуда поступает по системе трубопроводов, во все технологические установки.
Нефть разделяется на фракции для получения нефтепродуктов в два этапа, то есть перегонка нефти проходит через первичную и вторичную обработку.
Процесс первичной нефтепереработки
На этом этапе перегонки производится предварительное обезвоживание и обессоливание сырой нефти на специальном оборудовании для выделения солей и остальных примесей, которые могут вызывать коррозию аппаратуры и снижать качество продуктов нефтепереработки. После этого в нефти содержится всего 3-4 мг солей на литр и не более 0,1 % воды. Подготовленный продукт готов к перегонке.
По причине того, что жидкие углеводороды кипят при различной температуре, это свойство используется при перегонке нефти, чтобы выделить из нее отдельные фракции при разных фазах кипения. Перегонка нефти на первых нефтеперерабатывающих предприятиях давала возможность выделять следующие фракции в зависимости от температуры: бензин (выкипает при 180°С и ниже), реактивное топливо (выкипает при 180-240°С) и дизтопливо (выкипает при 240-350°С). От перегонки нефти остается мазут.
В процессе перегонки нефть разделяется по на фракции (составные части). В результате получаются товарные нефтепродукты или их компоненты. Перегонка нефти является начальным этапом ее переработки на специализированных заводах.
При нагревании образуется паровая фаза, состав которой отличен от жидкости. Получаемые перегонкой нефти фракции обычно являются не чистым продуктом, а смесью углеводородов. Отдельные углеводороды удается выделить только благодаря многократной перегонке нефтяных фракций.
Прямая перегонка нефти выполняется
Методом однократного испарения (так называемая, равновесная дистилляция) или простой перегонки (фракционная дистилляция);
С использованием ректификации и без нее;
С помощью испаряющего агента;
Под вакуумом и при атмосферном давлении.
Равновесная дистилляция менее четко разделяет нефть на фракции, чем простая перегонка. При этом в парообразное состояние при одинаковой температуре в первом случае переходит больше нефти, чем во втором.
Фракционная перегонка нефти дает возможность получить различное для дизельных и реактивных двигателей), а также сырье (бензол, ксилолы, этилбензол, этилен, бутадиен, пропилен), растворители и другие продукты.
Процесс вторичной нефтепереработки
Вторичная перегонка нефти проводится способом химического или термического каталитического расщепления тех продуктов, что выделены из нее в результате первичной нефтеперегонки. При этом получается большее количество бензиновых фракций, а также сырье для производства ароматических углеводородов (толуола, бензола и других). Самой распространенной технологией вторичной нефтепереработки нефти является крекинг.
Крекингом называют процесс высокотемпературной переработки нефти и выделенных фракций для получения (в основном) продуктов, у которых меньшая К ним можно отнести моторное топливо, масла для смазки и т. п., сырье для нефтехимической и химической промышленности. Протекание крекинга проходит с разрывом С—С связей и образованием карбанионов или свободных радикалов. Разрыв связей С—С выполняется одновременно с дегидрированием, изомеризацией, полимеризацией и конденсацией промежуточных и исходных веществ. Последние два процесса образуют крекинг-остаток, т.е. фракцию с температурой кипения выше 350°C и кокс.
Перегонка нефти методом крекинга была запатентована в 1891 году В. Г. Шуховым и С. Гавриловым, затем эти инженерные решения повторил У. Бартон при сооружении в США первой промышленной установки.
Крекинг проводится посредством нагревания сырья или воздействия катализаторов и высокой температуры.
Крекинг позволяет выделить из мазута больше полезных составляющих.
Слово «нефть» в латинском варианте звучит как «petroleum» и состоит из двух слогов «petra» и «oleum», то есть «камень» и «масло». Даже такой древний вариант названия намекает на сложный состав нефтяного сырья и на то, какие разные, непохожие друг на друга компоненты в нем содержатся.
На раскрытие потенциала нефти ушли века. Так, в древнем Египте использовали асфальт и битум для строительства зданий и бальзамирования умерших фараонов, а в Греции нефть стала компонентом зажигательной смеси.
Но прогресс в этой области сильно замедлился, и лишь на рубеже 19-20 веков произошла настоящая революция: нефть стали перерабатывать в промышленных масштабах. Д. И. Менделеев говорил: «Сжигать нефть – все равно что топить печь ассигнациями» .
Ну а первый НПЗ открылся в Румынии в 1856 году, и через несколько десятилетий именно углеводородное топливо стало основой всей мировой экономики.
Сегодня из нефти производят широчайший спектр товаров, список которых не заканчивается на различных видах топлива: бензине, керосине или дизеле.
Из нефти получают также олефины и ароматические углеводороды, которые помогают создавать клеи и растворители, а также являются основой для полимерных соединений, из которых вырабатывают пластмассу. Получают также нафту, мазут, ацетон и битум. Нефть используется даже в пищевой и парфюмерной промышленности. Стоимость конечного продукта в отдельных случаях в сто раз превышает стоимость исходного сырья.
Как же происходит процесс переработки? И каковы свойства продуктов, получаемых из нефти?
Перегонка нефти
Одна из главных частей процесса переработки нефти — дистилляция, ректификация, или как ее чаще называют, перегонка нефти. Цель любой системы ректификации заключается в разделении жидкости на несколько составляющих.
Процесс происходит в специальной башне. В России ее называют ректификационной колонной. Здесь исходное сырье разделяется на фракции. Сырье из специального резервуара с помощью помпы загоняется в нагревательный отсек (предварительный нагреватель), где температура доводится до уровня, близкого к точке кипения. Повышается и давление, что позволяет моментально «вскипятить» нефть, как только та попадет в башню дистилляции, где давление ниже.
По мере кипения сырья, начинается процесс перехода в газообразное состояние. Более легкие компоненты поднимаются наверх, тяжелые остаются на дне башни. Оттуда они в итоге выкачиваются специальной помпой, но сначала нужно прогнать смесь через еще один нагревательный элемент и убедиться, что все легкие фракции высвобождены.
Итак, тяжелые фракции отделены. Теперь дело за более легкими. В верхней части башни располагается конденсатор. Он охлаждает и сжижает поднявшийся наверх газ. Часть получившегося сырья выкачивается из башни насосом, другая возвращается обратно для продолжения процесса перегонки.
Еще одним неотъемлемым элементом процесса перегонки являются ректификационные тарелки, расположенные внутри колонны и разделяющие на разных уровнях газ и жидкость. В этих тарелках множество отверстий, через которые газ может подниматься наверх. Но жидкость не протекает вниз сквозь отверстия. Она накапливается в своеобразных поддонах. Если жидкости слишком много, она проливается вниз по специальным каналам. Газ проходит сквозь жидкое вещество, охлаждаясь, жидкость стекает вниз, нагреваясь. В результате повторения таких циклов все легкие фракции оказываются выше, тяжелые, внизу.
Мы описали стандартное строение ректификационной колонны, но все они, даже самые современные, работают именно по такому принципу. К сожалению, ректификационная колонна — не идеальное сооружение. Полностью чистых продуктов она не выдает, и в каждой из полученных фракций можно найти вкрапления веществ, которые должны были остаться на совсем других уровнях башни.
Чтобы добиться максимальной чистоты продукта, используются такие технологии как орошение ректификационной колонны. Этот процесс осуществляется благодаря тому самому конденсатору, собирающему газ из верхней части колонны. После охлаждения часть вещества впрыскивается обратно, и более тяжелые частицы, оказавшиеся у купола колонны, под действием более низкой температуры конденсируются и опускаются вниз. Наверху остаются только действительно легкие фракции.
Помпа, расположенная в нижней части башни также играет свою роль. Посредством повторного нагревания в предварительном подогревателе и впрыскивания смеси в башню, обеспечивается подъем наверх легких частиц, которые смешались с тяжелыми и до сих пор не могли взлететь в условиях низкой температуры.
Если говорить о вариантах компоновки ректификационной колонны, то основные различия можно заметить, обратив внимание на то, как устроен процесс взаимного проникновения жидкости и газа. Вместо ректификационных тарелок могут использоваться клапаны или слои так называемого уплотнительного состава.
Одной из самых важных задач нефтяников, занимающихся перегонкой, является определение правильной температуры внутри ректификационной колонны. Она зависит от состава исходного сырья, и в верхней точке должна соответствовать или совсем немного превышать температуру кипения желаемого легкого продукта.
Отметим, что под самым куполом температура обычно составляет всего 25°C. Если разогреть верхнюю часть башни слишком сильно, более тяжелые фракции перейдут в газообразное состояние и поднимутся наверх. Если температура слишком низка, смесь на нижних уровнях колонны будет неправильной.
Такой же принцип работает и на дне колонны, только здесь температура должна быть чуть ниже точки кипения тяжелой части смеси. На самом дне действительно горячо — порядка 350°C. В центре ректификационной колонны, куда впрыскивается исходное сырье, температура должна быть равной или близкой к точке кипения исходной смеси. Если место впрыскивания иное, температура должна изменяться соответствующим образом.
Помимо предварительных подогревателей правильную температуру могут поддерживать рециркуляционные контуры, пропускающие часть смеси через систему охлаждения. Давление в колонне регулируется с помощью клапана управления давлением. На давление влияют также скорость впрыска сырья и температурный режим.
Так перегоняется нефть, но какие нефтепродукты производятся в ректификационной колонне? На разных уровнях внутри колонны расположены те самые ректификационные тарелки, и на них конденсируются нужные фракции. Температуру мы назовем лишь примерно, так как многое зависит от комбинации исходного сырья и давления, но обычно при температуре примерно 260°C конденсируется дизель, 180°C требуется для формирования керосина, 110°C необходимо для отделения бензина. Выше этих фракций располагается газ, который выкачивается из системы специальной помпой.
Как мы уже рассказывали, температура в верхней части колонны может снижаться конденсатором и повторным впрыском более холодного вещества и в результате чем выше уровень, тем ниже температура результирующей фракции. Иными словами, бензин конденсируется при меньшей температуре, но выше, дизель — ниже, но при более высокой температуре. Чуть ниже бензина концентрируется нафта, использующаяся для производства нефтехимии. А ближе к дну — топливо для кораблей и битум, из которого делают асфальт.
Стоит сразу обратить внимание на важный момент: так как в верхней точке ректификационной колонны скопились самые легкие частицы с самой низкой температурой кипения, здесь получаются наиболее энергоэффективные виды сырья, такие как газ и бензин. А вот поджечь битум уже очень и очень сложно.
Крекинг
На ректификации процесс производства нефтепродуктов не заканчивается. Полученные фракции по-прежнему состоят из огромного количества элементов и плохо подходят для эффективного использования. Кроме того, спрос на топливо с низкой молекулярной массой, такое как бензин, выше, чем на другие фракции, а ректификационная колонна не обеспечивает адекватного распределения типов итогового вещества в зависимости от реального спроса.
Важнейшую роль в итоговой обработке углеводородов играет крекинг. Это высокотемпературная переработка нефти и фракций с целью получения, как правило, продуктов меньшей молекулярной массы.
Интересно, что первую установку для крекинга создал в 1891г. В. Г. Шухов (патент Российской империи № 12926 от 27 ноября 1891 года). Именно его чертежи изучал У. Бартон, который сумел воссоздать систему в США лишь в 1918г. В СССР в промышленном масштабе установки термического крекинга начали действовать в 1934г. и были построены на заводе «Советский крекинг» в Баку.
Знаменитый инженер, автор телебашни на Шаболовке В. Г. Шухов внес огромный вклад в развитие нефтяной промышленности.
Он не только построил первый в России нефтепровод и танкер, но и создал первую в мире установку термического крекинга нефти вместе с помощником С. П. Гавриловым. Другими словами, российские инженеры изобрели промышленный процесс получения автомобильного бензина. Технология была запатентована в 1891 году.
Крекинг разбивает длинные молекулярные цепочки. Существует несколько типов крекинга, но все они опираются на нагревание исходного вещества.
Первым был изобретен термический крекинг. Именно его применил инженер Шухов в своей установке. В рамках процесса, смесь нагревается до 750-900°C под давлением 700 кПа, то есть, семь атмосфер. Выделяются газы и насыщенные углеводороды — алканы.
Каталитический крекинг осуществляется при температуре порядка 500°C в бескислородной среде в присутствии катализатора под названием цеолит, состоящего из алюминия, кремния и кислорода. Каталитический крекинг отлично подходит для выделения молекул, подходящих для производства легкого топлива. Это пропан, бутан, пентан, гексан, гептан и хорошо известный нам октан.
Процесс гидрокрекинга подразумевает нагревание смеси в условиях экстремального давления в районе 5000 кПа в присутствии водорода и металла-катализатора, обычно платины, палладия или никеля. В результате получаются элементы для создания компонентов бензина, сжиженного углеводородного газа и керосина.
Паровой крекинг представляет собой нагревание смеси до 850°C при отсутствии кислорода и в присутствии пара. Реакция должна протекать очень быстро. Полученные компоненты — легкие алканы, набор которых лучше всего подходит для создания пластмасс.
Отметим, что более высокая температура крекинга позволяет выделять больше этана и бензола. При этом побочным продуктом крекинга становится кокс. Он применяется для изготовления электродов и коррозионноустойчивой аппаратуры, в качестве восстановителя при получении ферросплавов и так далее.
Риформинг
Следующий и последний этап работы в нефтепереработке — риформинг. Алканы с линейной структурой нужно превратить в алканы с множеством веток, которые эффективнее переходят в газообразное состояние, не формируя капель. Именно эти компоненты позволяют бензину вовремя и энергоэффективно сгорать в двигателе автомобиля.
В ходе каталитического риформинга в присутствии платинового катализатора под действием высокой температуры формируются ароматические углеводороды, использующиеся в нефтехимии.
Отдельно расскажем про октан . Этот алкан удерживает бензин от самопроизвольного возгорания. Без него энергоэффективность топлива снизилась бы, так как оно слишком рано сгорало бы, и цилиндры двигателя не получали бы необходимый толчок в нужный момент. Сочетание октана и гептана определяет октановое число. Стандартное соотношение 90% изооктана, 10% гептана — это октановое число 90. Плохой бензин с низким октановым числом не только плохо влияет на мощность двигателя, но и увеличивает его износ.
На разных НПЗ предусмотрены разные наборы технологических процессов. Обязательны перегонка сырой нефти , гидроочистка и каталитический риформинг . При таком наборе выход светлых нефтепродуктов (бензина и реактивного топлива) составляет около 40% от общего количества продукции. Эта схема нефтепереработки считается простой.
Однако в условиях ужесточения экологических требований особое значение приобрело увеличение выхода именно светлых нефтепродуктов. Поэтому сегодня на современных производствах активно внедряются новые технологии.
Применение установок каталитического крекинга, гидрокрекинга и висбрекинга, а также процессов гидрообессеривания, коксования и термического крекинга позволяют получать свыше 90% светлых нефтепродуктов, соответствующих самым высоким экологическим стандартам.
Компания «Роснефть» лидер российской нефтепереработки. Компания постоянно увеличивает объем выпускаемой продукции с высокой добавленной стоимостью.
Так объем переработки нефти, составивший в 2011 году 57,9 млн тонн, уже в 2014 году достиг 100 млн тонн. Из них 87 млн тонн в России, что составило треть от всей переработки нефти в нашей стране. Объем инвестиций в нефтепереработку и нефтехимию за год составил 165 млрд рублей.
В настоящий момент структуру ОАО НК «Роснефть» входят девять крупных нефтеперерабатывающих предприятий на территории России: Комсомольский, Туапсинский, Куйбышевский, Новокуйбышевский, Сызранский, Ачинский, Саратовский НПЗ, Рязанская нефтеперерабатывающая и Ангарская нефтехимическая компании.
В России Компании также принадлежат четыре мини-НПЗ в Западной и Восточной Сибири, Тимано-Печоре и на юге Европейской части России суммарной мощностью 0,6 млн т нефти в год, а также доля в Стрежевском мини-НПЗ в Западной Сибири. В Германии «Роснефть» владеет долями в четырех НПЗ мощностью 11,5 млн т (в доле Компании).
Компания также производит нефтехимическую продукцию в России на Ангарском заводе полимеров, который специализируется на производстве этилена , пропилена и полиэтилена . Мощность установки пиролиза - основной технологической установки предприятия - составляет 300 тыс. т. этилена в год.
«Роснефть» активно развивает производство масел. Базовыми производственными площадками являются Новокуйбышевский завод масел и присадок и завод по производству масел в составе Ангарской нефтехимической компании, а также Московский завод «Нефтепродукт».
Суммарная мощность производства данных заводов составляет около 600 тыс. т. в год товарной продукции, в том числе 460 тыс. т. в год масел. В структуру Компании также входят Нефтегорский и Отрадненский газоперерабатывающие заводы в Самарской области, суммарная проектная мощность которых составляет 1,8 млрд куб. м газа в год.
Отдельно стоит рассказать про переход компании на экологический стандарт «Евро-5» .
Использование бензина высшего экологического класса «Евро-5» особенно актуально для крупных городов, где наибольшее количество выбросов выхлопных газов в атмосферу. Отличие автомобильного топлива этого класса от бензина «Евро-3» и «Евро-4» заключается в существенно меньшем количестве в нем серы и ароматических углеводородов, продукты сгорания которых наиболее негативно воздействуют на окружающую среду и здоровье человека. К примеру, в топливе класса «Евро-3» содержание ароматики составляет 42%, в «Евро-5» – всего 35%. Заметно меньше и содержание серы: если в «Евро-3» ее 150 ppm, «Евро-4» уже 50 ppm, в «Евро-5» всего 10 ppm. Это значит, что выхлопы автомобиля, работающего на бензине класса «Евро-5», содержат в 15 раз меньше токсичных веществ, чем в «Евро-3».
Стандарт «Евро-3» можно было использовать до конца 14-го года, а «Евро-4» – до конца 2015.
В рамках модернизации НПЗ «Роснефти» ведется реконструкция и строительство новых установок. Большинство нефтеперерабатывающих заводов ОАО «НК «Роснефть» полностью перешли на стандарт Евро-5 и по бензину и по дизельному топливу. Остальные заводы завершили переход на выпуск топлив по стандарту «Евро-5» до конца 2015 года в соответствии с требованиями, предъявляемыми Техническим регламентом Таможенного союза.
По итогам 2014 года объем топлива класса Евро-4/5, произведенного компанией «Роснефть» в России, достиг 20,9 млн тонн. При этом рост составил 18%.
Отдельно отметим проект ВНХК («Восточная нефтехимическая компания») , в который «Роснефть» привлекла стратегического партнера – китайскую компанию ChemChina .
Нефтеперерабатывающий комплекс будет производить автобензин, дизельное топливо, керосин, бункерное топливо и др. Создание нефтехимического комплекса на 2 этапе позволит выпускать более 15 марок полиэтиленов и полипропиленов широкой сферы применения. Данные виды продукции востребованы на перспективных рынках стран АТР.
Строительство комплекса позволит создать в Приморском крае мощный нефтехимический кластер, который придаст импульс развитию отечественного производства и созданию новых рабочих мест. Реализация проекта также решает задачу экспорта российской конечной продукции с высокой добавленной стоимостью.
Общая оценка материала: 4.8
