Лекция №4. Вакуумная перегонка нефти.

Проведем эксперимент. В целях получения кривой разгонки будем нагревать в колбе образец сырой нефти и записывать температуру, собирать пар и конденсировать его, а также отмечать объем жидкости. Если температура поднимется выше 480 ⁰С, то форма кривой неожиданно изменится. При температуре от 480 до 540 ⁰С общий объем собранной жидкости окажется больше 100%, а в исходной колбе все еще будет кипеть нефть.

Это объясняется следующим. Когда сложные углеводородные молекулы - те, что не испарились до 480 ⁰С – нагревают до более высокой температуры, то энергии оказывается достаточно для того, чтобы расколоть большую молекулу на две (или больше) маленьких. А так как маленькие молекулы занимают больше пространства, чем большие – этим и объясняется дополнительный объем.

Реакции частичного разрушения углеводородных молекул, сопровождающихся образованием соединением более низкого молекулярного веса, получили название – крекинг.

Рассмотрим пример. Молекула цетана С₁₆Н₃₄ может расколоться на три части (молеуклы): октана С₈Н₁₈, гексена С₆Н₁₂ и этилена С₂Н₄. Уравнение распада запишется в следующем виде:

t ⁰С

С₁₆Н₃₄  С₈Н₁₈ + С₆Н₁₂ + С₂Н₄.

Пусть один кубометр цетана полностью распался на три этих компонента. Согласно химической реакции, образуется 50 % С₈Н₁₈, 38 % С₆Н₁₂ и 12 % С₂Н₄. Но это весовые, а не объемные проценты. И если в начале цетана было , то и в конце суммарная масса продуктов реакции тоже будет равна , а вот объем изменится.

Соединение	Плотность, кг/м3	Процентное содержание по массе	Масса, кг	Объем, м3
С16Н34	863	100 %	863	1
С8Н18	707	50 %	431,5	0,61
С6Н12	670	38 %	328	0,49
С2Н4	371	12 %	103,5	0,28
Итого для продуктов реакции:		100 %	863	1,59

Исходя из результатов очевидно, что С₁₆Н₃₄ составляют один кубометр по объему, в то время как продуктов крекинга занимают объем 1,59 м³.

Крекинг – выгодный процесс, но только в том случае, если им управлять. В ректификационной колонне этот процесс не контролируется, поэтому при перегонке избегают температур, при которых возможен крекинг. Но прямогонный остаток также содержит множество углеводородов, которые следует разделить на фракции. С этой целью и разработан метод вакуумной перегонки.

Из курса физики известно, что, чем ниже давление, тем ниже температура кипения. Теперь рассмотрим зависимость температуры кипения от давления в применении к проблеме крекинга нефти. Крекинг прямогонного остатка происходит, когда температура поднимается слишком высоко. Но прямогонный остаток нужно разделит на дополнительные фракции. Решение этой проблемы было найдено при проведении фракционирования при пониженном давлении.

Прямогонный остаток перекачивают из ректификационной колонны непосредственно на установку вакуумной перегонки. В соответствии с режимом работы ректификационной колонны, температура остатка при этом отвечает началу его кипения или на пару градусов выше на случай охлаждения. Остаток поступает в приземистую колонну большого диаметра, давление в которой понижено. Атмосферное давление составляет 10⁵ ­­­­Па (1атм); приблизительно такое же давление и внутри ректификационной колонны. Давление в вакуумной ректификационной колонне составляет около 0,32 – 0,40 атм. При пониженном давлении легкая фракция остатка сразу начинает кипеть и быстро испаряется.

Испарение сопровождается охлаждением. Чтобы противодействовать охлаждению, в колонну подается перегретый пар – пар под давлением, нагретый до температуры не менее 400 ⁰С. Тепло от пара передается остатку, и таким образом поддерживается высокая температура и продолжается процесс испарения. Другая функция пара – это регулирование давления. Низкое давление сохраняется за счет вакуумного насоса, работающего в верхней части колонны.

Рис.13

Как показано на рисунке 7, из вакуумной ректификационной колонны выходит несколько потоков. Легкий вакуумный дистиллят и тяжелый вакуумный дистиллят иногда получают как отдельные продукты. Обе фракции можно использовать как сырье для получения смазочных масел. Во многих случаях их не разделяют, а сливают вместе, такой продукт называется легкая фракция вакуумной перегонки.

Тяжелый продукт, который остается на дне колонны называется остаток вакуумной перегонки и используется для производства битума или термического крекинга, а также как компонент для получения остаточного топлива.

Вакуумная перегонка прямогонного остатка эквивалентна его атмосферной перегонке в интервале кипения около 540 – 590 ⁰С.

Поскольку на практике вакуумная перегонка тоже имеет свои ограничения, точку выкипания прямогонного остатка – т.е. температуру полного выкипания сырой нефти - определить невозможно. При столь высоких температурах вакуумную перегонку не проводят. Но отсутствие этой информации не влечет никаких последствий, так как для готовых продуктов, в которых используется остаток вакуумной перегонки, точка вакипания не имеет значения. Для характеристики остатков используют другие параметры, например , плотность и вязкость.