Нефтепереработка – достаточно сложный процесс, для проведения которого требуется привлечение . Из добытого природного сырья получают множество продуктов – разные типы топлива, битумы, керосины, растворители, смазки, нефтяные масла и другие. Переработка нефти и начинается с транспортировки углеводородов на завод. Производственный процесс происходит в несколько этапов, каждый из которых очень важен с технологической точки зрения.

Процесс переработки

Процесс переработки нефти начинается с ее специализированной подготовки. Это вызвано наличием в природном сырье многочисленных примесей. В нефтеносной залежи содержится песок, соли, вода, грунт, газообразные частицы. Для добычи большого количества продуктов и сохранения месторождения энергоресурса используют воду. Это имеет свои преимущества, но значительно снижает качество полученного материала.

Наличие примесей в составе нефтепродуктов делает невозможной их транспортировку к заводу. Они провоцируют образование налета на теплообменных аппаратах и других емкостях, что значительно снижает их срок службы.

Поэтому добытые материалы подвергаются комплексной очистке – механической и тонкой. На данном этапе производственного процесса происходит разделение полученного сырья на нефть и . Это происходит при помощи специальных нефтяных сепараторов.

Для очистки сырья в основном его отстаивают в герметических резервуарах. Для активации процесса разделения материал подвергают действию холода или высокой температуры. Электрообессоливающие установки применяются для удаления, содержащихся в сырье, солей.

Как происходит процесс разделения нефти и воды?

После первичной очистки получают труднорастворимую эмульсию. Она представляет собой смесь, в которой частички одной жидкости равномерно распределяются во второй. На этом основании выделяют 2 типа эмульсий:

• гидрофильная. Представляет собой смесь, где частицы нефти находятся в воде;
• гидрофобная. Эмульсия в основном состоит из нефти, где находятся частички воды.

Процесс разрушения эмульсии может происходить механическим, электрическим или химическим способом. Первый метод подразумевает отстаивание жидкости. Это происходит при определенных условиях – подогрев до температуры 120-160 градусов, повышение давления до 8-15 атмосфер. Расслаивание смеси обычно происходит в течение 2-3 часов.

Чтобы процесс разделение эмульсии прошел удачно, необходимо не допускать испарение воды. Также выделение чистой нефти осуществляется при помощи мощных центрифуг. Эмульсия разделяется на фракции при достижении 3,5-50 тысяч оборотов в минуту.

Применение химического метода подразумевает применение специальных поверхностно-активных веществ, называемых деэмульгаторами. Они помогают растворить адсорбционную пленку, в результате чего нефть очищается от частиц воды. Химический метод зачастую применяется совместно с электрическим. Последний способ очистки подразумевает воздействие на эмульсию электрического тока. Он провоцирует объединение частиц воды. В результате он легче удаляются из смеси, что позволяет получить нефть высочайшего качества.

Первичная переработка

Добыча и переработка нефти происходит в несколько этапов. Особенностью производства различных продуктов из природного сырья считается то, что даже после качественной очистки полученный продукт не подлежит применению по прямому назначению.

Исходный материал характеризуется содержанием различных углеводородов, которые существенно отличаются молекулярным весом и температурой кипения. В его составе присутствуют вещества нафтеновой, ароматической, парафиновой природы. Также в исходном сырье содержатся сернистые, азотистые и кислородные соединения органического типа, которые также должны быть удалены.

Все существующие способы переработки нефти направлены на ее разделение на группы. В процессе производства получают широкий спектр продукции с разными характеристиками.

Первичная переработка природного сырья осуществляется на основании разных температур кипения ее составляющих частей. Для осуществления данного процесса привлекаются специализированные установки, которые позволяют получить различные нефтепродукты – от мазута до гудрона.

Если перерабатывать природное сырье таким способом, не удастся получить материал, готовый к дальнейшему использованию. Первичная перегонка направлена лишь на определение физико-химических свойств нефти. После ее проведения можно определить необходимость осуществления дальнейшей переработки. Также устанавливают тип оборудования, которое необходимо привлечь для выполнения нужных процессов.

Первичная переработка нефти

Способы перегонки нефти

Выделяют следующие методы переработки нефти (перегонки):

• однократное испарение;
• многократное испарение;
• перегонка с постепенным испарением.

Метод однократного испарения подразумевает переработку нефти при воздействии высокой температуры с заданным значением. В результате образуются пары, которые поступают в специальный аппарат. Его называют испарителем. В данном устройстве цилиндрической формы пары отделяются от жидкостной фракции.

При многократном испарении сырье подвергают обработке, при которой несколько раз осуществляют повышение температуры по заданному алгоритму. Последний способ перегонки является более сложным. Переработка нефти с постепенным испарением подразумевает плавное изменение основных рабочих параметров.

Оборудование для перегонки

Промышленная переработка нефти осуществляется при помощи нескольких аппаратов.

Трубчатые печи. В свою очередь их также разделяют на несколько видов. Это атмосферные, вакуумные, атмосферно-вакуумные печи. При помощи оборудования первого типа осуществляется неглубокая переработка нефтепродуктов, что позволяет получить мазут, бензиновые, керосиновые и дизельные фракции. В вакуумных печах в результате более эффективной работы сырье разделяют на:

• гудрон;
• масляные частицы;
• газойлевые частицы.

Полученные продукты полностью подходят для производства кокса, битума, смазочных материалов.

Ректификационные колонны. Процесс переработки нефтяного сырья при помощи данного оборудования подразумевает ее нагревание в змеевике до температуры 320 градусов. После этого смесь поступает в промежуточные уровни ректификационной колонны. В среднем она имеет 30-60 желобов, каждый из которых размещен с определенным интервалом и оснащен ванной с жидкостью. Благодаря этому пары стекают вниз в виде капель, поскольку образуется конденсат.

Существует также переработка с помощью теплообменных аппаратов.

Вторичная переработка

После определения свойств нефти, в зависимости от потребности в определенном конечном продукте, выбирается тип вторичной перегонки. В основном она заключается в термически-каталитическом воздействии на исходное сырье. Глубокая переработка нефти может происходить при помощи нескольких методов.

Топливный. Применение данного способа вторичной перегонки позволяет получить ряд высококачественных продуктов – автомобильных бензинов, дизельных, реактивных, котельных топлив. Для осуществления переработки не нужно привлекать много оборудования. В результате применения данного метода из тяжелых фракций сырья и осадка получают готовый продукт. К топливному методу перегонки относят:

• крекинг;
• риформинг;
• гидроочистку;
• гидрокрекинг.

Топливно-масляный. В результате применения данного метода перегонки получают не только различные топлива, но и асфальт, смазочные масла. Это осуществляется при помощи метода экстракции, деасфальтизации.

Нефтехимический. В результате применения данного метода с привлечением высокотехнологичного оборудования получают большое количество продукции. Это не только топливо, масла, а и пластмассы, каучук, удобрения, ацетон, спирт и многое другое.

Как из нефти и газа получаются окружающие нас предметы - доступно и понятно

Данный метод считается более всего распространенным. С его помощью осуществляется переработка сернистой или высокосернистой нефти. Гидроочистка позволяет существенно повысить качество получаемых видов топлива. Из них удаляют различные добавки – сернистые, азотистые, кислородные соединения. Обработка материала происходит на специальных катализаторах в водородной среде. При этом температура в оборудовании достигает показателей 300-400 градусов, а давление – 2-4 Мпа.

В результате перегонки, содержащиеся в сырье, органические соединения разлагаются при взаимодействии с водородом, циркулирующем внутри аппарата. В итоге образуется аммиак, сероводород, которые удаляются из катализатора. Гидроочистка позволяет переработать 95-99% сырья.

Каталитический крекинг

Перегонка осуществляется при помощи цеолитсодержащих катализаторов при температуре 550 градусов. Крекинг считается очень эффективным методом переработки подготовленного сырья. С его помощью из мазутных фракций можно получить высокооктановый автомобильный бензин. Выход чистого продукта в данном случае составляет 40-60%. Также получают жидкий газ (10-15% от исходного объема).

Каталитический риформинг

Риформинг осуществляется при помощи алюмоплатинового катализатора при температуре 500 градусов и давлении 1-4 Мпа. При этом внутри оборудования присутствует водородная среда. Данный метод применяется для превращения нафтеновых и парафиновых углеводородов в ароматические. Это позволяет существенно повысить октановое число производимой продукции. При использовании каталитического риформинга выход чистого материала составляет 73-90% от залученного сырья.

Гидрокрекинг

Позволяет получить жидкостное топливо при воздействии высокого давления (280 атмосфер) и температуры (450 градусов). Также данный процесс происходит с применением сильных катализаторов – оксидов молибдена.

Если гидрокрекинг сочетать с другими методами переработки природного сырья, выход чистых продуктов в виде бензина и реактивного топлива составляет 75-80%. При применении качественных катализаторов их регенерация может не проводиться 2-3 года.

Экстракция и деасфальтизация

Экстракция подразумевает разделение подготовленного сырья на нужные фракции при помощи растворителей. В дальнейшем производится депарафинизация. Она позволяет существенно снизить температуру застывания масла. Также для получения продукции высокого качества ее подвергают гидроочистке. В результате проведения экстракции можно получить дистдизельное топливо. Также с помощью данной методики производят извлечение ароматических углеводородов из подготовленного сырья.

Деасфальтизация необходима для того, чтобы из конечных продуктов дестиляции нефтяного сырья получить смолисто-асфальтеновые соединения. Образовавшиеся вещества активно применяются для производства битума, в качестве катализаторов для осуществления других методов переработки.

Другие методики переработки

Переработка природного сырья после первичной перегонки может осуществляться и другими способами.

Алкилирование. После переработки подготовленных материалов получают высококачественные компоненты для бензина. Метод основан на химическом взаимодействии олефиновых и парафиновых углеводородов, в результате чего получают высококипящий парафиновый углеводород.

Изомеризация . Применение данного метода позволяет получить из низкооктановых парафиновых углеводородов вещество с более высоким октановым числом.

Полимеризация . Позволяет осуществить превращение бутиленов и пропилена в олигомерные соединения. В результате получают материалы для производства бензинов и для проведения различных нефтехимических процессов.

Коксование . Применяется для производства нефтяного кокса из тяжелых фракций, получаемых после перегонки нефти.

Нефтеперерабатывающая отрасль относится к перспективным и развивающимся. Производственный процесс все время усовершенствуется за счет введения нового оборудования и методик.

Видео: Переработка нефти

Сырая нефть является термином, который употребляют для обозначения необработанной нефти - сырья, которое выходит из-под земли как есть. Таким образом, сырая нефть является ископаемым топливом, а это означает, что она произведена естественным природным путём из разлагающихся растений и животных, обитающих в древних морях миллионы лет назад - большинство мест, где чаще всего находят нефть, когда-то были дном морей. Сырая нефть в зависимости от месторождения бывает разной и изменяется в цвете и консистенции: от ярко-чёрной (мокрый асфальт) и очень вязкой, до немного прозрачной и почти твёрдой.

Главная ценность и польза нефти заключается в том, что она является отправной точкой для очень многих различных веществ, так как она содержит углеводороды. Углеводороды - это молекулы, которые, очевидно, содержат водород и углерод, и отличаются друг от друга лишь тем, что могут быть различной длины и структуры - от прямых цепочек до разветвлённых цепей с кольцами.

Существуют две вещи, которые делают углеводороды интересными для химиков:

1. Углеводороды содержат много потенциальной энергии. Многое из того, что получено из сырой нефти, как то: бензин, дизельное топливо , парафин и т.д. - ценно именно этой потенциальной энергией.
2. Углеводороды могут принимать множество различных форм. Наименьшим углеводородом (по чилу атомов) является метан (СН 4), который представляет собой газ, который легче воздуха. Более длинные цепочки с 5 или более атомами углерода являются в подавляющем большинстве случаев жидкостями. А уж очень длинные цепочки - твердые, например, воск или смола. По химической структуре "сшивания" углеводородных цепей Вы сможете получить все: от синтетического каучука до нейлона и пластика. Углеводородные цепочки на самом деле очень универсальны!

Основные классы углеводородов в сырой нефти включают в себя:

• Парафины с общей формулой C n H 2n+2 (n представляет собой целое число, обычно от 1 до 20) с прямой структурой или разветвленной цепью могут представлять газы или жидкости, которые кипят уже при комнатной температуре в зависимости от примеров молекул: метан, этан, пропан, бутан, изобутан, пентан, гексан.
• Ароматики с общей формулой: C 6 H 5 -Y (Y представляет собой большую прямую молекулу, которая соединяется с бензольным кольцом) - это кольчатые структуры с одним или более кольцами, которые содержат шесть атомов углерода, с чередованием двойных простых связей между атомами углерода. Яркие примеры ароматиков: бензол и нафталин.
• Нафтены или циклоалканы с общей формулой C n H 2n (n является целым числом, как правило, от 1 до 20) - это кольчатые структуры с одним или несколькими кольцами, которые содержат только простые связи между атомами углерода. Это, как правило, жидкости: циклогексан, метилциклопентан и другие.
• Алкены с общей формулой C n H 2n (n представляет собой целое число, обычно от 1 до 20) - это линейные или разветвлённые цепные молекулы, содержащие одну углерод-углеродную двойную связь, которые могут быть жидкостью или газом, например: этилен, бутен, изобутен.
• Алкины с общей формулой: C n H 2n-2 (n представляет собой целое число, обычно от 1 до 20) - это линейные или разветвлённые цепные молекулы, содержащие две углерод-углеродные двойные связи, которые могут быть жидкостью или газом, например: ацетилен, бутадиены.

Теперь, зная структуру нефти, давайте посмотрим, что мы можем с ней сделать.

Как работает нефтепереработка?

Процесс переработки нефти начинается с дробной ректификационной колонны.

Типичный нефтеперерабатывающий завод

Главная проблема с сырой нефтью заключается в том, что она содержит сотни различных типов углеводородов, смешанные все вместе. И наша задача заключается в том, чтобы отделить различные виды углеводородов, чтобы получить что-нибудь полезное. К счастью, есть простой способ отделить эти вещи, и это то, что нефтепереработка и делает.

Различные длины углеводородной цепи имеют прогрессивно более высокие точки кипения, так что они могут быть разделены простой перегонкой с различными температурами. Проще говоря, нагревая нефть до какой-либо температуры, начинают закипать определённые цепочки углеводородов, и, таким образом, мы можем отделять "зёрна от плевел". Это то, что происходит на нефтеперерабатывающем заводе - в одной части процесса нефть нагревают, и различные цепи выкипают при соответствующих температурах кипения. Каждая отличающаяся длина цепи имеет своё уникальное свойство, что делает её полезной по-своему.

Чтобы понять разнообразие, содержащееся в сырой нефти, и понять, почему переработка сырой нефти настолько важна в нашей цивилизации, посмотрите на следующий список продуктов, которые получаются из сырой нефти:

Нефтяные газы - используются для отопления, приготовления пищи, изготовления пластмасс:

• это небольшие алканы (от 1 до 4 атомов углерода)
• широко известны по таким названиям как метан, этан, пропан, бутан
• диапазон кипения - менее 40 градусов по Цельсию
• часто сжижаемые под давлением газы

Нафта или лигроин - промежуточный продукт, который будет дополнительно обработан, чтобы впоследствии стать бензином:

• содержит от 5 до 9 атомов алканов углерода
• диапазон кипения - от 60 до 100 градусов по Цельсию

Бензин - моторное топливо:

• всегда жидкий продукт
• представляет собой смесь алканов и циклоалканов (от 5 до 12 атомов углерода)
• диапазон кипения - от 40 до 205 градусов по Цельсию

Керосин - топливо для реактивных двигателей и тракторов; исходный материал для изготовления других продуктов:

• жидкость
• смесь алканов (от 10 до 18 атомов углерода) и ароматических углеводородов
• диапазон кипения - от 175 до 325 градусов по Цельсию

Дизельный дистиллят - используется для дизельного топлива и мазута; исходный материал для изготовления других продуктов:

• жидкость
• алканы, содержащие 12 или более атомов углерода
• диапазон кипения - от 250 до 350 градусов по Цельсию

Смазочные масла - используются для изготовления моторного масла, жира, других смазочных материалов:

• жидкость
• длинноцепочечные структуры (от 20 до 50 углеродных атомов) алканы, циклоалканы, ароматики
• диапазон кипения - от 300 до 370 градусов по Цельсию

Мазут - используется для промышленного топлива; исходный материал для изготовления других продуктов:

• жидкость
• длинноцепочечные структуры (от 20 до 70 углеродных атомов) алканы, циклоалканы, ароматики
• диапазон кипения - 370 до 600 градусов по Цельсию

Остатки продуктов переработки - кокс, асфальт, гудрон, парафины; исходный материал для изготовления других продуктов:

• твердые частицы
• множественные кольцевые соединения с 70 или более атомами углерода
• диапазон кипения не менее 600 градусов по Цельсию.

Вы, возможно, заметили, что все эти продукты имеют различные размеры и диапазоны кипения. Химики воспользовались этими свойствами для нефтепереработки. Давайте теперь далее узнаем детали этого увлекательного процесса!

Подробный процесс переработки нефти

Как упоминалось ранее, баррель сырой нефти имеет смесь всевозможных углеводородов в себе. Нефтепереработка отделяет от всей этой "компании разнорасовых представителей" полезные вещества. При этом, происходят следующие группы производственные химические процессы, которые, в принципе, есть на каждой нефтеперерабатывающей фабрике:

• Самый старый и самый распространённый способ отделить от нефти различные компоненты (их называют фракции) - это сделать это, используя различия в температуре кипения. Этот процесс называется фракционной перегонкой .
• Новые методы использования химической обработки в некоторых из фракций используют метод преобразования. Химическая обработка, например, может нарушить длинные цепочки на более короткие. Это позволяет нефтеперерабатывающему заводу превратить дизельное топливо в бензин в зависимости, например, от спроса.
• Нефтеперерабатывающие заводы, кроме того, после процесса фракционной перегонки должны очищать фракции в целях удаления из них примесей.
• Нефтеперерабатывающие заводы объединяют различные фракции (обработанные и необработанные) в смеси, чтобы сделать нужные продукты. Например, различные смеси из различных цепочек могут создать бензины с различным октановым числом.

Продукты переработки нефти отправляются на недолгое хранение в специальные резервуары, пока они не будут доставлены на различные рынки: АЗС, аэропорты и ​​на химические предприятия. В дополнение к созданию продуктов на масляной основе, заводы должны также позаботиться об отходах, появление которых неизбежно, чтобы минимизировать загрязнение воздуха и воды.

Фракционная перегонка

Различные компоненты нефти имеют различные размеры, вес и температуры кипения; так, первый шаг заключается в разделении этих компонентов. Поскольку они имеют различные температуры кипения, они могут быть разделены легко с помощью процесса, называемого фракционной перегонкой.

Этапы фракционной перегонки следующие:

• Вы нагреваете смесь двух или более веществ (жидкостей) с различными температурами кипения до высокой температуры. Нагревание обычно делается с помощью пара под высоким давлением до температуры около 600 градусов по Цельсию.
• Смесь кипит, образуя пар (газы); большинство веществ проходят в паровой фазе.
• Пар поступает в нижнюю часть длинной колонны, которая заполнена лотками или тарелками. Лотки имеют много отверстий или пузырчатые колпачки (аналогично продырявленной крышке на пластиковой бутылке) в них, чтобы позволить пару пройти сквозь них. Они увеличивают время контакта между паром и жидкостью в колонне и помогают сбору жидкостей, которые образуются на различных высотах в колонке. Существует разница температур в этой колонне (очень горячая внизу и холоднее к верхней части).
• Таким образом, пар поднимается в колонне.
• При повышении паров через тарелки в колонне, он охлаждается.
• Когда парообразное вещество достигает высоты, где температура в колонке равна температуре кипения этого вещества, оно будет конденсироваться с образованием жидкости. При этом, вещества с самой низкой температурой кипения будет конденсироваться в самой высокой точке в колонне, а вещества с более высокими температурами кипения будут конденсироваться ниже в колонне.
• Лотки собирают различные жидкие фракции.
• Собранные жидкие фракции могут перейти к конденсаторам, которые охлаждают их дальше, а потом идут в резервуары для хранения, либо же они могут отправиться в другие районы для дальнейшей химической переработки

Фракционная перегонка полезна для разделения смеси веществ с узкими различиями в температурах кипения и является наиболее важным шагом в процессе переработки нефти. Процесс переработки нефти начинается с дробной ректификационной колонны. Очень немногие из компонентов выйдут из колонны фракционной перегонки, готовые к продаже на рынке нефтепродуктов. Многие из них должны быть химически обработаны, чтобы быть преобразованными в другие фракции. Например, только 40% дистиллированной сырой нефти станет бензином, однако, бензин является одним из основных продуктов, производимых нефтяными компаниями. Вместо того, чтобы постоянно дистиллировать в больших количествах сырую нефть, нефтяные компании химически обрабатывают другие фракции из ректификационной колонны, чтобы получить тот же бензин; и эта обработка увеличивает выход бензина из каждого барреля сырой нефти.

Химическое преобразование

Вы можете преобразовать одну фракцию в другую с помощью одного из трёх методов:

1. Разбить большие углеводороды на более мелкие (крекинг)
2. Объединить мелкие углеводороды, чтобы сделать из них более крупные (унификация)
3. Переставлять или замещать различные части углеводородов, чтобы получить нужные углеводороды (гидротермальное изменение)

Крекинг

Крекинг принимает большие углеводороды и ломает их на более мелкие. Есть несколько типов крекинга:

• Тепловой - Вы нагреваете большие углеводороды при высоких температурах (иногда ещё и при высоких давлениях), пока они не распадутся.
• Паровой - высокая температура пара (более 800 градусов по Цельсию) используется для разрыва этана, бутана и лигроина в этилен и бензол, которые используются для производства химических веществ.
• Висбрекинг - остаточные вещества из дистилляционной колонны нагревают почти до 500 градусов по Цельсию, охлаждают и быстро сжигают в дистилляционной колонне. Этот процесс снижает вязкость веществ и число тяжёлых масел в них и производит смолы.
• Коксование - остаточные вещества из дистилляционной колонны нагревают до температуры выше 450 градусов по Цельсию, в результате чего тяжёлый почти чистый углерод остаётся (кокс); кокс очищается от коксования и продаётся.
• Катализация - используется катализатор для ускорения реакции крекинга. Катализаторы включают цеолит, гидросиликат алюминия, бокситы и алюмосиликат. Каталитический крекинг - это когда горячая жидкость катализатора (538 градусов по Цельсию) расщепляет тяжёлое вещество в дизельные масла и бензин.
• Гидрокрекинг - подобен каталитическому крекингу, но использует другой катализатор с более низкими температурами, высоким давлением и водородом. Это позволяет расщепить тяжёлую нефть в бензин и керосин (авиатопливо).

Унификация

Иногда Вам нужно объединить мелкие углеводороды, чтобы получить из них более крупные - этот процесс называется унификацией. Основным процессом объединения является при этом каталитический риформинг и в этом случае используется катализатор (смесь из платины и платины-рения), чтобы объединить низкий вес нафты в ароматические соединения, которые используются в создании химических веществ и при смешивании бензина. Значительным побочным продуктом этой реакции является газообразный водород, который затем либо используется для гидрокрекинга, либо попросту продаётся.

Гидротермальное изменение

Иногда структуры молекул в одной фракции переставляются, чтобы произвести другую. Как правило, это делается с помощью процесса, называемого алкилированием . В алкилировании низкомолекулярные соединения, такие как пропилен и бутилен, смешивают в присутствии катализатора , такого как фтористо-водородная кислота или серная кислота (побочный продукт от удаления примесей из многих нефтепродуктов). Продуктами алкилирования являются высокооктановые углеводороды, которые используются в бензиновых смесях для повышения октанового числа.

Конечная обработка (очистка) нефтепродуктов

Дистиллированные и химически обработанные фракции нефти снова обрабатывают, чтобы удалить примеси - с основном, органические соединения, содержащие серу, азот, кислород, воду, растворённые металлы и неорганические соли. Конечную обработку, как правило, делают следующими путями:

• Колонна серной кислоты удаляет ненасыщенные углеводороды (с двойными углерод-углеродными-облигациями), соединения азота, кислорода и остаточные твёрдые вещества (смолы, асфальт).
• Абсорбционная колонна заполнена осушителем, чтобы удалить воду.
• Сероводородные скрубберы удаляют серу и все соединения серы.

После того, как фракции будут обработаны, их охлаждают и затем смешивают вместе, чтобы сделать различные продукты, такие как:

• Бензин различных марок, с добавками или без добавок.
• Смазочные масла различных марок и типов (например, 10W-40, 5W-30).
• Керосин различных марок.
• Реактивное топливо.
• Мазут.
• Другие химические вещества различных марок для изготовления пластмасс и других полимеров.

На выходе из скважины сырая нефть имеет очень ограниченную сферу применения. Фактически вся сырая нефть проходит перегонку, с тем, чтобы получить из нее такие продукты как бензин, авиационное топливо, мазут и промышленные виды топлива.

На заре нефтяной отрасли переработка производилась примитивным перегонным аппаратом, в котором нефть доводилась до кипения, и, затем, конденсировались различные продукты, в зависимости от температуры. Для этого требовалось не намного больше умения, чем для изготовления самогона, поэтому в нефтяную отрасль в девятнадцатом веке пришли производители виски. Сейчас нефтепереработка представляет собой крупный, сложный, высокотехнологичный и дорогостоящий производственный комплекс.

Переработка нефти на НПЗ включает следующие основные этапы:

• Подготовка нефти к переработке;
• Первичная переработка нефти;
• Вторичная переработка нефти;
• Очистка нефтепродуктов.

Подготовка нефти к переработке заключается в дополнительном обезвоживании (до 0,1% содержания воды) и обессоливании (содержание солей до 3-4 мг/л) для уменьшения коррозии технологического оборудования и повышения качества топлив и других нефтепродуктов.

Владимир Хомутко

Время на чтение: 7 минут

А А

Как происходит первичная переработка нефти?

Нефть – это сложная смесь углеводородных соединений. Выглядит она как маслянистая вязкая жидкость с характерным запахом, цвет которой в основном варьируется от темно-коричневого до черного, хотя бывают и светлые, почти прозрачные нефти.

Эта жидкость обладает слабой флюоресценцией, её плотность меньше, чем у воды, в которой она почти не растворяется. Плотность нефти может иметь имеет значение от 0,65-0,70 грамм на кубический сантиметр (легкие сорта), а также 0,98-1,00 грамма на кубический сантиметр (тяжелые сорта).

Самый простой способ обезвоживания нефти на месторождении – термохимический способ удаления воды при нормальном атмосферном давлении.

Суть его заключается в том, что в подогретую до 30-ти – 50-ти градусов в нефть добавляют специальное поверхностно-активное вещество, называемое деэмульгатор, после чего полученная смесь отстаивается в специальных резервуарах. Если не обеспечить необходимую герметичность емкостей отстойников, то возникают серьезные потери сырья вследствие испарительных процессов. Поэтому в основном термохимический отстой происходит в герметичных резервуарах под давлением.

Если в нефти содержание солей невелико, то они практически полностью удаляются в процессе сепарации и отстаивания. Однако, большей части добываемых нефтей все-таки необходимо дополнительное обессоливание.

Для этого процесса также применимы термохимические методики, но в большинстве случаем применяется способ, называемый электрообессоливанием. Он сочетает в себе термохимический отстой с дополнительной обработкой нефтяной эмульсии, которая происходит в электрических полях. Установки, с помощью которых проводится этот процесс, называются электрообессоливающими (сокращенно – ЭЛОУ).

После обессоливания на ЭЛОУ смесь поступает в систему магистральных трубопроводов с целью её дальнейшей транспортировки на предприятия перерабатывающего комплекса (сокращенно – НПЗ).

Физические методы переработки нефти – прямая перегонка

Процессы прямой перегонки сырой нефти происходят на трубчатых установках двух типов – при значении атмосферного давления (установки АТ) и в вакууме различной глубины (ВТ). На отечественных НПЗ, как правило, оба типа объединяют в одну комбинированную установку АВТ – атмосферно-вакуумного трубчатого типа.

Название трубчатая объясняется тем, что сырье перед разделением его на фракции нагревается в змеевиках печей трубчатого типа.

АВТ имеет в своем составе два блока – атмосферный и вакуумный. Атмосферная перегонка нефти (или дистилляция) при естественном значении давления позволяет получать светлые , к которым относятся бензины, керосины и дизельные дистилляты.

Температура их выкипания – не выше 360-ти градусов Цельсия. Выход таких фракций, в зависимости от физико-химического состава перерабатываемого сырья, составляет от 45-ти до 60-ти процентов от общего количества сырой нефти. Остаток атмосферной перегонки называется мазутом.

Сам процесс переработки (разделение на фракции) предварительно нагретой нефти происходит в ректификационной колонне, которая выглядит как цилиндрический вертикальный агрегат, оборудованный изнутри специальными контактными устройствами, называемыми тарелками. Через эти тарелки выделяемые пары нефтепродуктов движутся вверх, а жидкие фазы опускаются вниз.

Ректификационные колонны могут быть разных размеров и различных конфигураций, однако их используют на всех предприятиях нефтепереработки. Количество тарелок в таких устройствах может колебаться от 20-ти до 60-ти штук.

В нижней части этой колонны предусмотрен подвод тепла, а в верхней – его отвод, поэтому температура в колонне постепенно понижается от нижней части к верхней. Это позволяет отводить бензиновые фракции в виде паров с верхней части аппарата. Керосиновые и дизельные дистилляты конденсируются и выводятся в других частях ректификационного колонного аппарата, а жидкий остаток в виде мазута откачивается с нижней части и поступает на вакуумный блок.

Задача вакуумной перегонки – отбор из мазута дистиллятов масляного типа (если НПЗ специализируется на производстве масел и смазок) либо широкой масляной фракции широкого спектра, которая называется вакуумный газойль (если специализация НПЗ – производство моторного топлива). После вакуумной перегонки образуется остаток, называемый гудроном.

Необходимость такой переработки мазута под вакуумом объясняется тем, что при значении температуры более 380-ти градусов начинается процесс крекинга (термического разложения углеводородов), а точка выкипания вакуумного газойля – это более 520-ти градусов. Из-за этого перегонку необходимо проводить при остаточном значении давления на уровне 40-60 миллиметров ртутного столба, что дает возможность уменьшить максимальне температурное значение в установке до 360-ти – 380-ти градусов.

Вакуумная среда в такой колонне создается с помощью специализированного оборудования, основным ключевым элементом которого являются либо жидкостные, либо паровые эжекторы.

Получаемая прямой перегонкой продукция

С помощью первичной перегонки нефтяного сырья получают следующие продукты:

• углеводородный газ, который выводят посредством головки стабилизации; применяется в качестве бытового топлива и сырья для процессов газофракционирования;
• бензиновые фракции (температура выкипания – до 180 градусов); используется в качестве сырья для процессов вторичной перегонки в установках каталитического риформинга и крекинга, пиролиза и других видов переработки нефти (точнее, её фракций), с целью получения товарных автомобильных бензинов;
• керосиновые фракции (температура выкипания – от 120-ти до 315 градусов); после прохождения гидроочистки их применяют как реактивное и тракторное топливо;
• атмосферный газойль (дизельные фракции), который выкипает в диапазоне от 180-ти до 350-ти градусов; после чего, пройдя соответствующую обработку и очистку, он применяется как топливо для дивгателей дизельного типа;
• мазут, который выкипает при температурах свыше 350-ти градусов; используется как топливо для котельных и как сырьё для термических крекинговых установок;
• вакуумный газойль с температурой выкипания от 350 до 500 градусов и более; является сырьём для каталитического и гидрокрекинга, а также для производства масляных нефтепродуктов;
• гудрон – температура выкипания – более 500 градусов; который выступает сырьем для установок коксования и термического крекинга, с целью получения битумов и различных видов нефтяных масел.

Технологическая схема прямой перегонки (из учебника в редакции Глаголевой и Капустина)

Расшифруем обозначения:

• К-1 – колонна отбензинивания;
• К-2 – колонна атмосферной переработки нефти;
• К-3 – колонна отпаривания;
• К-4 – установка стабилизации;
• К-5 – колонна вакуумной переработки;
• Э-1…Э-4 – электрические дегидраторы;
• П-1 и П-2 – подогревательные печи;
• КХ-1…КХ-4 – устройства охлаждения и конденсирования;
• Е-1 и Е-2 – рефлюксные емкости;
• А-1 – вакуумный насос паро-эжекторного типа;
• I – сырая нефть;
• II – стабилизационная головка;
• III – стабилизированный бензин;
• IV – керосиновая фракция;
• V – атмосферный газойль (дизельные фракции);
• VI – вакуумный газойль;
• VII – гудрон (остаток, образовавшийся после того, как была проведена вакуумная обработка);
• VIII – выхлопные эжекторные газы;
• IX – вещество ПАВ (деэмульгатор);
• X – вода, сбрасываемая в канализационные стоки;
• XI – водяной пар.

В колонне К-1 отбирается бензиновая фракция, которая затем конденсируется в ХК-1 и поступает в ёмкость Е-1.

Наполовину отбензиненная переработанная нефть с нижней части К-1 через печь трубчатого типа П-1 попадает в К-2 (атмосферная колонна). Часть потока такой нефти возвращается обратно в К-1, давая тепло, необходимое для ректификационных процессов.

В К-2 происходит дальнейшее фракционирование. Самая верхняя фракция К-2 – тяжелый бензин, который после конденсации поступает в Е-2. Керосин и дизельная фракция отводятся из К-2 с помощью боковых погон и попадают для отпаривания в К-3.

В К-3 происходит удаление легких фракций, после чего дизельный дистиллят и керосин через подогревательные теплообменники и холодильники выводят из установки.

Снизу К-2 отбирается жидкий мазут, затем он подается в печь П-2, а потом – в вакуумную колонну К-5, где его разделяют на гудрон и вакуумный газойль.

Сверху их К-5 с пароэжекторным насосом А-1 отсасывают водяной пар, воздух и образовавшиеся и газы, а также небольшое количество легких дизельных продуктов. Вакуумный газойль и гудрон пропускаются через подогреватели (теплообменники), а затем после конденсации в холодильниках они отводятся из установки.

Бензин из Е-1 и Е-2 подогревают и подают в колонну стабилизации К-4. Через верха К-4 (стабилизационную головку) отводятся сжиженные газы, а с нижней её части – стабилизированный жидкий бензин.

Так в общих чертах выглядит процесс первичной нефтеобработки.

Нет соответствующих видео

Лекция № 17

Тема: Нефть и ее переработка

Нефть – жидкое горючее ископаемое. Название получила от персидского слова «нафта» – вытекающая, просачивающаяся. Это маслянистая жидкость, с характерным запахом, от светло-бурого до черного цвета, сложного по составу (входят предельные УВ(парафины), нафтены, ароматические УВ, смолы и асфальтены). По составу нефть различная в зависимости от месторождений. Плотность нефти 0,82-0,95 г/см 3 . Элементный состав: С 84-87%, Н 12-14%, S 0,1-5%, О и N (в сумме) до 1%.

Мировые разведанные запасы нефти оцениваются ≈ 95 млрд. т.

Наиболее крупные месторождения:

за рубежом : в Саудовской Аравии, Кувейте, Ираке, Иране, Алжире, Ливии и США.

В России : Самотлорское месторождение, Усть-Балыкское, Сургутское, в западной Сибири, Арланское, Башкирское, Усинское.

* История развития переработки нефти см. Соколов Р.С. Химическая технология. Том 2,С. 119 – 121.

Методы добычи нефти:

1. Фонтанный;

2. Компрессорный;

3. Глубинно-насосный.

Зависят от условий залегания и давления в нефтеносном пласте.

Для добычи нефти бурят скважины диаметром 15-25 см до нефтеносного пласта, глубиной порядка 5000 м.При бурении в скважины опускают колонны, состоящие из свинченных друг с другом стальных труб.

Переработка нефти

Нефть как топливо непосредственно почти не применяется, а перерабатывается в товарные нефтепродукты.

1. Первичная переработка нефти:

(физические процессы)

- очистка : обезвоживание, обессоливание, отгонка летучих УВ (газовый конденсат);

- перегонка : термическое разделение нефти на фракции, основанное на разности t кип. УВ, имеющих разную молекулярную массу.

Фракционная перегонка нефти осуществляют в атмосферных трубчатых установках, которые состоят из трубчатой печи и ректификационной колонны. В трубчатой печи нефть нагревается за счет теплоты выделяющегося при сжигании природного газа до высокой температуры (350 – 400 ̊С), при которой еще не идет разложение УВ(крекинга). В ректификационной колонне смесь паров УВ разделяется при атмосферном давлении на отдельные фракции.

Схема установки для перегонки нефти

Ректификационная колонна вертикальный стальной цилиндр диаметром 4-5 м, h=35-45 м, снаружи изолированный асбестом.

Внутри колонны имеется примерно 40 стальных горизонтальных перегородок – тарелок с патрубками, которые сверху прикрыты колпачками имеющие зубчатые нижние края, через эти патрубки и колпачки проходят пары нефти, которые поднимаются по колонне снизу в вверх. По сливному стакану жидкость (флегма) стекает на ниже расположенной тарелки. Пары УВ поднимаются вверх, не испарившаяся часть нефти стекает вниз, перетекая с одной тарелки на другую, разделяясь на фракции.

Обязательными условиями для проведения ректификации является:

1. Непрерывная подача в колонну холодной флегмы – орошение ; часть конденсата летучих УВ (например, бензина) возвращается обратно на верхнюю тарелку колонны.

2. Установление хорошего контакта на каждой тарелке между стекающей вниз более холодной флегмы и поднимающимися вверх горячими парами.

Пары в виде пузырьков, выходящих между зубами колпачков пробулькивают через слой флегмы, благодаря чему пары нагреваемой флегмы испаряя из нее летучие УВ, а не летучие УВ паров в следствие охлаждения конденсируются и стекают на тарелку, т.е. на каждой тарелке идет обмен теплом между парами и конденсатом.

Состав и выход продукта прямой гонки зависит от типа процесса и состава нефти. Часто используют двухступенчатую перегонку нефти, когда первая ректификационная колонна работает при атмосферном давлении, а ее тяжелая фракция разделяется во второй ректификационной колонна в вакууме, так как при пониженном давлении снижается t кип. веществ.

Производительность 4000-9000 т/сут. считая на нефть. Выход бензина при прямой перегонки нефти составляет 10-15 % от веса нефти, следовательно, это количество не может покрыть огромные потребности в нем авиации и автотранспорта.Потому нефтепродукты прямой гонки (мазут, газойль, соляровое масло) подвергаются вторичной переработке: крекингу и риформингу (химические процессы).

Крекинг нефтепродуктов

Крекинг – расщепление УВ с длинной цепью и образование УВ с меньшим числом атомов. Разработан Шуховым 1890 г.

Крекинг бывает: термический и каталитический.

Химизм крекинга

Крекинг – это сложный химический процесс, так как сырьем является смесь различных УВ. Наименее устойчивыми к нагреванию являются парафины, наиболее устойчивыми – нафтены и ароматические УВ.

При температуре 450-550̊С идет распад молекулы парафина с разрывом связи по середине цепи с образованием предельного УВ и непредельного:

С 16 H 34 → C 8 H 18 +C 8 H 16

С 8 H 18 → C 4 H 10 +C 4 H 8

У низших парафинов наблюдается дегидрирование:

С 4 H 10 → C 4 H 8 +H 2

Превращение нафтенов протекает следующим образом:

1. Разрыв боковых цепей (как у парафинов);

2. Дегидрирование шестичленных нафтенов с образованием ароматических УВ:

У ароматических УВ преобладают реакции конденсации, что приводит к образованию УВ с большим числом бензольных колец, а также разрыв боковых цепей у гомологов бензола.

Превращение олефинов:

1. Полимеризация с образованием олефинов >Mm и разветвленной углеродной цепью.

2. Реакции распада с образованием диенового УВ и парафина:

или: С 8 H 1 6 →2С 4 H 8

3. Конденсация с диеновыми УВ:

Таким образом, при крекинге:

1). В результате распада УВ образуются вещества с меньшей молекулярной массой и низкой t кип. , и наряду с бензиновой фракцией получается газ крекинга.

2). В результате реакций конденсации образуются вещества с большей, чем у исходных УВ, молекулярной массы – входящие в состав неперегоняющегося остатка (крекинг – остаток) и кокса.

Каталитический крекинг

Катализатор – алюмосиликат -ускоряет крекинг, что позволяет провести его в более мягких условиях (при 450-500° С и давлении 1,5-2 ат).

Сырьем являются широкая фракция с т. кип. 350-500° С, получаемая перегонкой в вакууме мазута, и газойль-соляровая фракция из установок термического крекинга и коксования. Сырье полностью испаряется, и пары его подвергаются крекингу на поверхности катализатора - искусственно полученного алюмосиликата (в виде мелких шариков или пыли) или цеолита.

Под влиянием катализатора наряду с рассмотренными выше реакциями распада, полимеризации и конденсации углеводородов интенсивно протекают также процессы, не наблюдающиеся при термическом крекинге: изомеризация олефинов, приводящая к разветвлению углеродной цепи; перераспределениеводорода (отщепление его от соединений, вступающих в реакции конденсации с постепенным образованием кокса, отлагающегося на поверхности катализатора, неприсоединение отщепляющегося водорода к непредельным углеводородам). Поэтому бензин каталитического крекинга почти не содержит непредельных углеводородов; содержание в немароматических углеводородов, нафтенов и изопарафинов выше, чем в бензине термического крекинга. Этот бензин вне независимости от состава сырья имеет октановое число 77-80 без добавки этиловой жидкости; выход его составляет 30-35%; кроме того, из паров выделяется 25-30% газойля, который по составу значительно отличается от исходного газойля, вследствие чего не может быть использован для каталитического крекинга и вводится в дизельное топливо. Образуется также тяжелая фракция (13-20%), которую вводят в котельное топливо; количество газа крекинга (12-20%) и кокса (8%) значительно больше, чем при термическом крекинге.

Катализатор вследствие отложения на нем кокса быстро (через 5-10 мин) теряет свою активность. По предложению Н. Д. Зелинского восстановление его активности можно достичь выжиганием кокса - пропусканием через него воздуха при 550-600° С. Это потребовало разработки способа, в основу которого был положен новый принцип - использование движущегося катализатора. Катализатор движется некоторое время вместе с парами нефтепродукта в реакторе, а затем отделяется и направляется для регенерации в другой аппарат – регенератор, откуда снова непрерывно поступает на смещение с нефтепродуктом.

Одной из разновидностей этого способа является крекинг в «кипящем» слое катализатора, при котором катализатор применяется в виде пыли, а в последнее время также и в виде мельчайших (диаметром 0,05 мм) шариков. Сырье, нагретое в теплообменнике и в трубчатой печи до 350° С, смешивается с непрерывно поступающим из стояка регенерированным катализатором, температура которого около 600°С, и испаряется. Таким образом, нагревание совершается также посредством катализатора - он является теплоносителем. Пары сырья выносят катализатор в реактор 5 через решетку с большим числом мелких отверстий. В реакторе создается кипящий слой катализатора и поддерживается температура 470-500° С и давление 1,6 ат. Пары продуктов крекинга отделяются от катализатора в циклоне поступаютв ректификационную колонну, орошаемую бензином и тяжелой флегмой, собирающейся на дне колонны. Частьфлегмы (она содержит пыль катализатора) присоединяют к исходному сырью. Катализатор непрерывно удаляется через кольцеобразное пространство в нижней части реактора, где он продувается перегретым паром для испарения летучих углеводородов и, подхваченный струёй воздуха, поступает в регенератор, в котором также создается кипящий слой. Продукты горения кокса отделяются от катализатора в циклоне 9. Производительность установки составляет около 4000 т в сутки, считая на исходное сырье.

Термический крекинг

Термическому крекингу подвергают тяжелое (состоящее из углеводородов с большей молекулярной массой) сырье - мазут и полугудрон - на двухпечной установке.

Чтобы избежать образования большого количества газа и закоксовывания аппаратов, мазут подвергают сперва крекингу в более мягких условиях так называемому легкому крекингу при 470-490° С, нагревая его в трубчатой печи 1. При этом наряду с небольшим количеством бензина (8-15%) образуется также газойль – соляровая фракция, которую направляют на глубокий крекинг, проводимый в более жестких условиях (530-550° С), в другую печь 2. Образовавшаяся смесь паров и жидкости из обеих печей поступает в реакционную камеру 3, которую она проходит сверху вниз, для продолжения крекинга. Вся эта часть установки находится под повышенным давлением, что препятствует образованию газа крекинга, уменьшает объем паров и тем самым способствует улучшению передачи теплоты и повышению производительности установки. Из реакционной камеры смесь поступает тонкой струей через редукционный вентиль 4, снижающий давление до 8-12ат,в нижнюю часть испарителя 5, где жидкость (при 400° С) частично испаряется и отделяется крекинг-остаток (55-80% от сырья). Пары проходят последовательно через две ректификационные колонны6и 7. В первой колонне конденсируется тяжелая фракция с высокой температурой кипения, с которой смешивается поступающий сюда мазут, во второй – не успевший полностью прокрекироваться газойль – соляровая фракция. Осуществляя циркуляцию обеих фракций, проводя крекинг осторожно и постепенно, достигают выхода бензина 30-35%, считая на мазут; выход бензина из полугудрона составляет всего 15-20%. Производительность установки-до 1500 т мазута в сутки.

Крекинг

Полученный бензин

Риформинг – вторичный процесс переработки нефтепродуктов, приводящий к изменению структуры молекул или к их объединению в более крупные.

Путем риформинга получают:

Ароматические УВ;

УВ разветвленного строения.

Таким образом, низкокачественные бензинные фракции превращают в высококачественные, т.е. увеличивается детонационная устойчивость горючего.

Реформинг используется с целью получения сырья для нефтехимической промышленности.

Например:

1. Циклизация и ароматизация:

2. Изомеризация:

3. Алкилирование:

4. Циклодегидрированиеалкенов:

В зависимости от цели процесса существуют 2 вида каталитического риформинга:

Ароматизация – получение ароматических УВ;

Облагораживание бензина – получение бензина с высоким октановым числом.

Эти процессы различаются исходным сырьем, технологическим режимом и составом полученных продуктов.

Октановое число бензина

Состав бензина сильно влияет на легкость и его воспламенения и сжигания. Преждевременное сгорание бензина (детонация) приводит к износу двигателя и падению его мощности. Причины детонации является образование нестойких перекисных соединений в следствии окисления УВ во время сжатия.

Наиболее склонные к детонации – УВ нормального строения, УВ с разветвленной цепью детонируют слабо.

Условно было принято: октановое число n-гептана =0, так как он легко детонирует, а изооктан (2,2,4-триметилпентан)=100 стойкого к детонации.

Октановое число бензина находят путем сравнения его с различными смесями этих двух УВ и оно равно объемному проценту изооктана в смеси, которая детонирует как данный бензин.

Например, если бензин детонирует как смесь 76% изооктана и 24% n-гептана, то его октановое число равно 76.

Стойкость бензина к детонации сильно повышается при растворении в нем небольших количеств антидетонатора – тетроэтилсвинцаPb(C 2 H 5) 4 – ЯД!ТЭС вводится в виде смеси с бромистым этилом и α-хлорнафталином, называется этиловой жидкостью , которая удаляет из двигателя образующиеся окислы Pb, переводя их летучие галогениды. Этиловую жидкость добавляют в количестве 1,5 – 4 мл на 1 кг бензина.

Синтез МТБЭ в присутствии кислотного катализатора осуществляется путем алкилирования метанола изобутиленом по обратимой реакции. Реакция протекает в жидкой фазе с выделением тепла. Тепловой эффект реакции составляет 41,8 кДж/моль. Равновесие реакции смещается вправо при повышении давления и снижении температуры. Процесс синтеза МТБЭ ведут при температуре от 50 до 100 о С и давлении, необходимом для поддержания реагентов в жидкой фазе. При правильно подобранных режимах побочные реакции можно практически полностью подавить, обеспечив селективность процесса 98 % и выше.