Технология переработки нефти и газа. Часть 1. Первичная переработка не
.pdfФедеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
В.Г. РЯБОВ
ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И ГАЗА Часть 1
Первичная переработка нефти и газа
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского государственного технического университета
2007
УДК 665.63 Р98
РЕЦЕНЗЕНТЫ:
доктор технических наук, профессор кафедры ТНВ Пермского государственного технического университета В.З. Пойлов;
главный технолог ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» В.А. Крылов; кандидат химических наук, доцент, вед. спец. техн. отдела
ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» Н.П. Углев
Рябов, В.Г.
Технология переработки нефти и газа. Часть 1. Первичная переработка нефти и газа: конспект лекций: учеб. пособие. – Пермь: Изд-во Перм. гос.
техн. ун-та, 2007 – 225 с.
ISBN 978-5-88151-841-7
Достаточно подробно изложены материалы, касающиеся общих сведений о про- исхождении нефти и газа, их добыче, промысловой подготовке, транспортировке с про- мыслов на нефте- и газоперерабатывающие заводы. Дан краткий исторический обзор развития нефтяной, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности в мире и в на- шей стране, роль нефти и газа как в мировом топливно-энергетическом балансе, так
ибалансе СССР и РФ. Освещены перспективы развития нефтеперерабатывающей и га- зовой отраслей промышленности.
Большое внимание уделено методам определения и расчета физико-химических свойств жидких и газообразных нефтепродуктов, их эксплуатационным свойствам.
Описаны физические процессы подготовки и переработки нефти и газа, приме- няемые в промышленности, и, в частности, прямой перегонки нефти и ее фракций. Да- на характеристика основных типов аппаратов и получаемых продуктов.
Может быть использован при изучении курса «Химическая технология топлива
иуглеродных материалов», а именно – физических процессов, связанных с подготов- кой и переработкой нефти и газа, их физико-химических и эксплуатационных свойств.
Предназначено для студентов специальности «Химическая технология природ- ных энергоносителей и углеродных материалов» дневного и заочного отделений.
Издано в рамках инновационной образовательной программы ПГТУ «Созда- ние инновационной системы формирования профессиональных компетенций кад- ров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного техни- ческого университета».
УДК 665.63
ISBN 978-5-88151-841-7 |
© ГОУ ВПО «Пермский государственный |
|
технический университет», 2007 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение.............................................................................................................. |
7 |
Условные обозначения и единицы измерения физических величин ............ |
9 |
Перевод внесистемных единиц в единицы си ................................................. |
11 |
Глава 1. Общие сведения о развитии нефтяной, |
|
нефте- и газоперерабатывающей промышленности ....................................... |
12 |
1.1. Краткий обзор мирового и отечественного развития нефтяной, |
|
нефтеперерабатывающей и газовой промышленности ............................... |
12 |
1.2. Значение нефти и газа в топливно-энергетическом балансе |
|
нашей страны и мира...................................................................................... |
18 |
1.3. Мировые запасы нефти. .......................................................................... |
21 |
1.3.1. Основные нефтедобывающие страны ............................................. |
21 |
1.3.2. Крупнейшие мировые нефтепрерабатывающие заводы................ |
23 |
1.3.3. Крупнейшие мировые компании-нефтепереработчики................. |
23 |
1.4. Нефте- и газоперерабатывающая промышленность |
|
на современном этапе и перспективы ее развития ...................................... |
24 |
1.5. Краткие сведения о происхождении нефти, бурении нефтяных |
|
скважин, добыче и транспортировке нефти и газа с промысла |
|
на НПЗ и ГПЗ .................................................................................................. |
30 |
Глава 2. Физико-химические свойства нефти, ее фракций |
|
и углеводородных газов..................................................................................... |
38 |
2.1. Плотность ................................................................................................. |
38 |
2.1.1. Методы определения плотности ...................................................... |
42 |
2.1.2. Характеристический фактор............................................................. |
43 |
2.2. Молекулярная масса ................................................................................ |
43 |
2.3. Давление насыщенных паров (упругость паров) .................................. |
47 |
2.3.1. Критические параметры.................................................................... |
49 |
2.3.2. Фактор сжимаемости......................................................................... |
51 |
2.3.2. Летучесть (фугитивность)................................................................. |
51 |
2.3.3. Методы определения давления насыщенных паров ...................... |
53 |
2.4. Вязкость .................................................................................................... |
54 |
2.4.1. Зависимость вязкости от температуры............................................ |
55 |
2.4.2. Вязкостно-массовая константа......................................................... |
57 |
2.4.3. Вязкость нефтяных дисперсных систем.......................................... |
57 |
2.4.4. Зависимость вязкости нефтепродуктов от давления...................... |
58 |
2.4.5. Вязкость смеси нефтепродуктов ...................................................... |
59 |
2.4.6. Вязкость углеводородных газов и нефтяных паров ....................... |
60 |
2.4.7. Приборы для определения вязкости ................................................ |
61 |
2.5. Электрические свойства нефти и нефтепродуктов............................... |
61 |
2.6. Оптические свойства нефти и нефтепродуктов .................................... |
63 |
2.6.1. Цвет..................................................................................................... |
63 |
3
2.6.2. Показатель, или коэффициент, лучепреломления |
|
(коэффициент рефракции) .......................................................................... |
63 |
2.6.3. Оптическая активность ..................................................................... |
65 |
2.7. Свойства нефтяных вяжущих (коллоидообразных |
|
нефтепродуктов).............................................................................................. |
65 |
2.8. Поверхностное натяжение....................................................................... |
67 |
2.9. Характерные температуры ...................................................................... |
68 |
2.9.1. Температуры вспышки...................................................................... |
68 |
2.9.2. Температура воспламенения и самовоспламенения ...................... |
70 |
2.9.3. Температура застывания................................................................... |
70 |
2.9.4. Температура плавления..................................................................... |
71 |
2.9.5. Температура каплепадения............................................................... |
72 |
2.10. Тепловые свойства нефтепродуктов .................................................... |
72 |
2.10.1. Теплоемкость ................................................................................... |
73 |
2.10.2. Теплота испарения........................................................................... |
74 |
2.10.3. Теплота плавления........................................................................... |
75 |
2.10.4. Теплота сгорания ............................................................................. |
76 |
2.10.5. Энтальпия (теплосодержание)........................................................ |
77 |
2.10.6. Теплопроводность ........................................................................... |
79 |
2.11. Коллоидно-химические свойства нефтей. Нефтяные |
|
дисперсные системы....................................................................................... |
80 |
2.11.1. Коллоидно-химические свойства нефтей...................................... |
80 |
2.11.2. Формирование нефтяных дисперсных систем.............................. |
82 |
2.12. Фракционный состав нефти и нефтепродуктов .................................. |
83 |
2.12.1. Низкотемпературная ректификация .............................................. |
85 |
2.12.2. Среднетемпературная и вакуумная перегонка.............................. |
86 |
2.12.3. Молекулярная дистилляция............................................................ |
87 |
2.12.4. Перегонка методом однократного испарения............................... |
87 |
Глава 3. Классификация нефтей, характеристика товарных |
|
нефтепродуктов и основные направления переработки нефти...................... |
88 |
3.1. Классификация нефтей............................................................................ |
88 |
3.1.1. Технологическая классификация ..................................................... |
89 |
3.1.2. Техническая классификация............................................................. |
91 |
3.2. Ассортимент товарных нефтепродуктов ............................................... |
94 |
3.2.1. Топлива для карбюраторных двигателей ........................................ |
94 |
3.2.1.1. Авиационные бензины................................................................ |
94 |
3.2.1.2. Автомобильные бензины............................................................ |
95 |
3.2.1.3. Основные показатели качества карбюраторных топлив ......... |
95 |
3.2.2. Реактивные топлива .......................................................................... |
102 |
3.2.3. Дизельные топлива............................................................................ |
103 |
3.2.4. Газотурбинные топлива .................................................................... |
106 |
4
3.2.5. Котельные топлива............................................................................ |
107 |
3.2.6. Растворители...................................................................................... |
108 |
3.2.7. Осветительные керосины.................................................................. |
109 |
3.2.8. Нефтяные масла................................................................................. |
110 |
3.2.8.1. Моторные смазочные масла....................................................... |
110 |
3.2.8.2. Индустриальные масла............................................................... |
112 |
3.2.8.3. Смазочные масла специального назначения ............................ |
114 |
3.2.9. Парафины, церезины, вазелины....................................................... |
116 |
3.2.10. Нефтяные битумы............................................................................ |
117 |
3.2.11. Нефтяной кокс ................................................................................. |
118 |
3.2.12. Пластичные смазки ......................................................................... |
119 |
3.3. Основные направления переработки нефти и газа ............................... |
120 |
3.4. Основные принципы выбора варианта переработки |
|
нефти и газа ..................................................................................................... |
121 |
Глава 4. Подготовка и переработка углеводородных газов ........................... |
123 |
4.1. Характеристика и направления использования |
|
углеводородных газов. Характеристика конечных продуктов |
|
их переработки ................................................................................................ |
123 |
4.2. Схемы подготовки и переработки углеводородных газов ................... |
128 |
4.3. Подготовка углеводородных газов к переработке................................ |
131 |
4.3.1. Очистка газов от жидкой и твердой дисперсных фаз .................... |
131 |
4.3.2. Очистка углеводородных газов от вредных примесей .................. |
133 |
4.3.2.1. Характеристики вредных примесей .......................................... |
134 |
4.3.2.2. Методы очистки углеводородных газов |
|
и характеристики поглотителей.............................................................. |
135 |
4.3.2.3. Утилизация сероводорода .......................................................... |
142 |
4.3.3. Осушка углеводородных газов......................................................... |
143 |
4.3.3.1. Осушка охлаждением ................................................................. |
144 |
4.3.3.2. Абсорбционная осушка .............................................................. |
144 |
4.3.3.3. Адсорбционная осушка .............................................................. |
145 |
4.4. Переработка углеводородных газов....................................................... |
148 |
4.4.1. Низкотемпературная сепарация ....................................................... |
148 |
4.4.2. Низкотемпературная конденсация................................................... |
150 |
4.4.3. Маслоабсорбционное извлечение.................................................... |
151 |
4.4.4. Стабилизация газового бензина и получение |
|
индивидуальных углеводородов................................................................ |
152 |
4.5. Стабилизация и переработка газовых конденсатов.............................. |
154 |
4.6. Извлечение гелия из природного газа.................................................... |
158 |
4.7. Транспортирование и хранение углеводородных газов....................... |
160 |
5
Глава 5. Подготовка нефти к переработке ....................................................... |
163 |
5.1. Вредные примеси в нефтях и их влияние на транспортировку |
|
и переработку нефти....................................................................................... |
163 |
5.2. Дегазация и стабилизация нефти. Потери легких фракций |
|
нефти при ее транспортировке и хранении .................................................. |
165 |
5.3. Обезвоживание и обессоливание нефтей. Технологическое |
|
и аппаратурное оформление процессов обезвоживания |
|
и обессоливания .............................................................................................. |
171 |
5.3.1. Факторы, способствующие стабилизации и разрушению |
|
водонефтяных эмульсий ............................................................................. |
172 |
5.3.2. Методы разрушения нефтяных эмульсий ....................................... |
175 |
5.3.2.1. Механические методы ................................................................ |
175 |
5.3.2.2. Термохимические методы .......................................................... |
176 |
5.3.2.3. Электрические методы ............................................................... |
178 |
5.4.Особенности подготовки высоковязких нефтей .................................... |
181 |
5.5. Смешение нефтей..................................................................................... |
183 |
Глава 6. Первичная перегонка нефти ............................................................... |
186 |
6.1. Методы переработки нефти и нефтяных фракций................................ |
186 |
6.2. Методы перегонки нефти и нефтяных фракций ................................... |
187 |
6.2.1. Перегонка нефти и нефтяных фракций с однократным |
|
и многократным испарением...................................................................... |
189 |
6.2.2. Перегонка нефти и нефтяных фракций в присутствии |
|
испаряющего агента .................................................................................... |
192 |
6.2.3. Перегонка нефти и нефтяных фракций под вакуумом................... |
193 |
6.2.4. Экстрактивная и азеотропная ректификация.................................. |
194 |
6.3. Подвод и отвод тепла в колонны ректификации................................... |
195 |
6.4. Четкость ректификации при перегонке нефти и ее фракций............... |
199 |
6.5. Материальный баланс перегонки нефти. Характеристики |
|
получаемых продуктов и направления их использования .......................... |
200 |
6.6. Расчет ректификационных колонн......................................................... |
205 |
6.6.1. Отбензинивающая колонна .............................................................. |
205 |
6.6.2. Расчет основной атмосферной колонны.......................................... |
207 |
6.6.3. Колонна стабилизации ...................................................................... |
208 |
6.6.4. Колонна вторичной перегонки бензина .......................................... |
208 |
6.6.5. Технологический расчет блока вакуумной перегонки................... |
208 |
6.7. Перегонка нефти с ректификацией ........................................................ |
210 |
6.8. Установка прямой перегонки нефти ...................................................... |
213 |
6.9. Интенсификация процесса прямой перегонки нефти........................... |
216 |
6.10. Комбинирование установки АВТ со вторичными процессами ......... |
222 |
Список использованной и рекомендуемой литературы ................................. |
224 |
6
ВВЕДЕНИЕ
Представить себе современную жизнь без энергоносителей не- возможно. Малейшие сбои в энергообеспечении ведут к серьезным последствиям. При этом одним из основных источников энергии на современном этапе являются нефть и углеводородные газы. Мак- симальной их доля в общем энергопотреблении человечества была в шестидесятые годы XX века, однако и в настоящее время их сум- марная доля в мировом топливно-энергетическом балансе существен- но превышает другие источники энергии. Нефть и природный газ ос- танутся важнейшими энергетическими источниками еще не одно де- сятилетие и в XXI веке.
Еще более важная роль отводится нефти и газу как ценнейшему сырью для нефтехимического синтеза и производства продуктов раз- личного назначения, таких как кокс, технический углерод, битумы, парафины, минеральные масла, растворители и др. Поэтому вопросы технологии их рациональной глубокой переработки, получения каче- ственных продуктов с улучшенными эксплуатационными и экологи- ческими свойствами сохраняют актуальность и по сей день, и в бли- жайшем обозримом будущем.
Развитие нефте- и газоперерабатывающей промышленности в XXI веке трудно представить без высококвалифицированных инже- неров-технологов, владеющих современными знаниями о природе уг- леводородного сырья, о новейших мировых и отечественных дости- жениях в области теории и практики технологии переработки нефти
игаза.
Вданном конспекте лекций представлены материалы из общего курса «Химическая технология топлива и углеродных материалов», касающиеся, в первую очередь, физико-химических свойств нефти, ее отдельных фракций и углеводородных газов, технологии подготов- ки к переработке и переработки нефти (атмосферной и вакуумной пе- регонки) и углеводородных газов, ассортимента продуктов, выпус- каемых нефте- и газоперерабатывающими предприятиями, аппара- турного оформления рассматриваемых технологий.
7
Для того чтобы качественно освоить курс «Химической техно- логии топлива и углеродных материалов», студентам необходимо иметь прочные знания по целому ряду естественно-научных и обще- инженерных дисциплин, а именно: неорганической, органической, физической, аналитической и коллоидной химии, химии нефти, мате- матике, физике, теплотехнике, процессам и аппаратам химической технологии, теоретическим основам технологии топлива и углерод- ных материалов и др.
После изучения в полном объеме дисциплины «Химическая технология топлива и углеродных материалов» студенты должны:
–иметь ясное представление о теоретических основах процессов переработки нефти и углеводородных газов;
–знать основные технологические схемы процессов нефте- и га- зопереработки, принципы работы оборудования и аппаратуры;
–уметь производить расчеты основного технологического обо- рудования, используемого на предприятиях нефте- и газопере- работки;
–освоить методики анализа нефтепродуктов и углеводородных газов.
Предлагаемый конспект лекций направлен на более глубокое изучение первичных процессов переработки нефти и газа, которые, находясь во главе общей технологической схемы, определяют работу любого нефтеперерабатывающего завода.
Автор выражает признательность ассистенту кафедры ТТУМ А.С. Ширкунову и ведущим инженерам И.М. Радостевой и О.Ю. Ра- достевой, оказавшим консультативную помощь и способствовашим подготовке рукописи конспекта лекций к изданию.
8
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
АСПО |
– |
асфальто-смолисто-парафиновые отложения; |
||||
ВМК |
– |
вязкостно-массовая константа; |
||||
НДС |
– |
нефтяные дисперсные системы; |
||||
ИТК |
– |
истинная температура кипения; |
||||
ВМС |
– |
высокомолекулярные соединенияния; |
||||
ОИ |
– |
однократное испарение; |
||||
ПАВ |
– |
поверхностно-активные вещества; |
||||
ССЕ |
– |
сложные структурные единицы; |
||||
ОЧ |
– |
октановое число; |
||||
ИВ |
– |
индекс вязкости; |
||||
ЦЧ |
– |
цетановое число; |
||||
н.к. |
– |
начало кипения; |
||||
ДИ |
– |
дизельный индекс; |
||||
к.к. |
– |
конец кипения; |
||||
|
|
|
|
|
– массовые концентрации i-го компонента в паровой |
|
|
yi , xi |
|||||
|
|
|
|
|
|
и жидкой фазах соответственно; |
yi, xi |
– мольные концентрации i-го компонента в паровой |
|||||
ижидкой фазах соответственно;
М– молекулярная масса, кг/кмоль;
mi |
– |
масса i-го компонента, кг; |
VМ |
– мольный объем (VМ = 22,414 м3/кмоль); |
|
k |
– |
константа фазового равновесия; |
V |
– |
объем, м3; |
Ni |
– число молей i-го компонента; |
|
ρ |
– |
плотность, кг/м3; |
Р– давление в системе, Па;
ρ 420 и ρ 1515 |
– |
относительная плотность; |
pi |
– парциальное давление компонента в паровой фазе, Па; |
|
t |
– |
температура, °С; |
Т– абсолютная температура, К;
tкр |
– |
критическая температура, °С; |
K |
– |
характеристический фактор; |
Ткр |
– |
критическая температура, К; |
f |
– |
летучесть (фугитивность), Па; |
9
Ркр
α
η
µ
Ψ
nD20
ν
ВУ
σ
Рнас
τ
–критическое давление, Па;
–относительная летучесть;
–динамическая вязкость, Па с;
–коэффициент сжимаемости;
–подвижность смеси, 1/Па с;
–показатель преломления, коэффициент рефракции;
–кинематическая вязкость, м2/с;
–вязкость условная, условные градусы Энглера, °ВУ;
–поверхностное натяжение, Н/м;
–давление насыщенных паров i-го компонента, находя- щегося в жидкой фазе при температуре равновесия;
–напряжение сдвига, Па (Н/м2);
с– истинная удельная теплоемкость, Дж/(моль К),
Дж/(м3 К), Дж/(кг К);
γ– коэффициент активности;
Q |
– |
количество тепла, Дж; |
λ |
– |
теплопроводность, Вт/(м К); |
q |
– |
энтальпия, Дж/кг; |
l |
– |
теплота испарения, Дж/кг; |
L |
– |
теплота плавления, Дж/кг; |
R– универсальная газовая постоянная (R = 8,3148 Дж/(моль К) = 8314,8 Па м3/(кмоль К));
Ратм |
– нормальное атмосферное давление (Ратм = 760 мм рт. ст. |
=101325 Па ≈ 0,1 МПа).
е– массовая доля отгона паровой фазы;
10