2. Краткая характеристика различных методов переработки нефти и нефтепродуктов

Нефтепереработка - непрерывное производство, период работы производств между капитальными ремонтами на современных заводах составляет до 3-х лет. Функциональной единицей нефтеперерабатывающего завода (НПЗ) является технологическая установка - производственный объект с набором оборудования, позволяющего осуществить полный цикл того или иного технологического процесса.

Рис. 2. Принципиальная схема переработки нефти

Поставка и приём нефти

Основные объёмы сырой нефти, поставляемой на переработку, поступают на НПЗ от добывающих объединений по магистральным нефтепроводам. Небольшие количества нефти, а также газовый конденсат, поставляются по железной дороге. В государствах-импортёрах нефти, имеющих выход к морю, поставка на припортовые НПЗ осуществляется водным транспортом.

Принятое на завод сырьё поступает в соответствующие емкости товарно-сырьевой базы, связанной трубопроводами со всеми технологическими установками НПЗ. Количество поступившей нефти определяется по данным приборного учёта, или путём замеров в сырьевых емкостях.

Подготовка нефти к переработке (электрообессоливание)

Сырая нефть содержит соли, вызывающие сильную коррозию технологического оборудования. Для их удаления нефть, поступающая из сырьевых емкостей, смешивается с водой, в которой соли растворяются, и поступает на ЭЛОУ - электрообессоливащую установку. Процесс обессоливания осуществляется в электродегидраторах - цилиндрических аппаратах со смонтированными внутри электродами. Под воздействием тока высокого напряжения (25 кВ и более), смесь воды и нефти (эмульсия) разрушается, вода собирается внизу аппарата и откачивается. Для более эффективного разрушения эмульсии, в сырьё вводятся специальные вещества - деэмульгаторы. Температура процесса - 100-120°С.

Процесс переработки нефти можно разделить на 3 основных этапа:

1. Разделение нефтяного сырья на фракции, различающиеся по интервалам температур кипения (первичная переработка) ;

2. Переработка полученных фракций путем химических превращений содержащихся в них углеводородов и выработка компонентов товарных нефтепродуктов (вторичная переработка);

3. Смешение компонентов с вовлечением, при необходимости, различных присадок, с получением товарных нефтепродуктов с заданными показателями качества (товарное производство).

Нефть перерабатывают физическим и химическим способами. К ним относятся: дистилляция (физический способ) и крекинг (химический способ). Ее осуществляют постепенным или однократным нагреванием. В ее задачу входит наи­более полное выделение углеводородов из нефти без изменения их химической природы.

Дистилляция нефти заключается в разделении нефти на горючие и смазочные фракции (дистилляты) с различными температурными интервалами выкипания путем испарения с последующей дробной конденсацией образующихся паров. Дистилляция нефти - тепло- и массообменный процесс, обычно многоступенчатого испарения сырья с ректификацией полученной парожидкостной смеси на каждой ступени - ректификационной колонне Это разделение основано на различной температуре кипения отдельных фракций. При таком способе переработки нефти количество полученного бензина составляет всего 5-20% количества перерабатываемого нефти.

Продуктами прямой перегонки нефти являются ди­стилляты: бензиновый 35—200°С, лигроиновый 11О— 230"С, керосиновый 140—300°С, газойлевый 230—330°С и соляровый 280—380°С. Мазут, остающийся после от­гона топливных фракций (60—80% от массы исходной нефти), используют для получения масел и крекинг -бензинов. Средний выход бензиновых фракций при раз­гонке может колебаться в зависимости от свойств до­бываемой в стране нефти от 15 до 25%, на долю осталь­ных топлив приходится, как правило, 20—30%.

Для более точного разделения многокомпонентной смеси, которой есть нефть на отдельные фракции используют ректификацию.

Ректификация (от позднелат. rectificatio - выпрямление, исправление), разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. В этом основное отличие ректификации от дистилляции, при которой в результате однократного цикла частичное испарение -конденсация достигается лишь предварительное (грубое) разделение жидких смесей.

Для ректификации обычно используют колонные аппараты ( например, Насадочные аппараты, Тарельчатые аппараты), называемые ректификационными колоннами, в которых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз. Движущая сила ректификации - разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается легколетучими (низко-кипящими) компонентами (ЛЛК), а жидкость - труднолетучими (высококипящими) компонентами (ТЛК). Поскольку жидкость и пар движутся, как правило, противотоком (пар-вверх, жидкость - вниз), при достаточно большой, высоте колонны в ее верхней части можно получить практически чистый целевой компонент.

В зависимости от температур кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под различным давлением: атмосферным (т. кип. 30-150 °С), выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими температурами кипения, например сжиженных газов), в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их температур кипения). Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Для непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух ступеней: верхней - укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается ЛЛК) и нижней - исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси, т. е. извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК). При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.

Горючие фракции получают в колонне по атмосферного давления, а смазочные - в случае вакуума.

Различают три принципиальных типа установок дистилляция нефти:

АТ-атмосферные трубчатые, в которых процесс проводят под давлением несколько выше атмосферного (150-400 кПа), отбирая только светлые дистилляты, кипящие до 350°С;

АВТ-атмосферно-вакуумные трубчатые, в которых процесс осуществляют сначала на ступени AT, затем остаток, кипящий выше 350°С, снова нагревают и при низком давлении (5-15 кПа) отбирают дистилляцией фракции, выкипающие до 500-540°С;

комбинированные, в которых блок АВТ совмещают с блоком электрообессоливания (ЭЛОУ) сырья и вторичной дистилляцией на более узкие фракции дистиллятов первичной перегонки.

Принципиальная схема комбинированной установки электрообессоливания и дистилляции нефти (регенерация горячих потоков теплоты не показана): 1-6 - ректификационные колонны соотв. отбензинивающая, атмосферная, отпарные, вакуумная, стабилизационная и вторичной перегонки бензина; 7-8 - соотв. атмосферная и вакуумная трубчатые печи; 9 - электродегидратор; 10 - кипятильники; 11 - сепараторы; 12 - конденсаторы; 13 - холодильники; 14 - теплообменники; 15 - насосы; 16 - эжектор; AT, АВТ - соотв. атмосферная и атмосферно-вакуумная трубчатые установки; ВтБ - блок вторичной перегонки бензина; ЭЛОУ - блок электрообессоливания; I, II - соотв. сырая и отбензиненная нефть; III - мазут; IV - гудрон; V-VIII - бензиновые фракции соотв. легкая (начало кипения 85 °С), головка (кипит при 85 °С), 60-150 °С и 85-150°С; IX - сжиженный газ (пропан-бутановая фракция, С3-С4); Х - керосин (150-230°С); XI - зимнее дизельное топливо (180-320°С); XII - компонент летнего дизельного топлива (240-360°С); XIII-XV - соотв. легкий (270-360°С), средний (325-460°С) и тяжелый (380-510 °С) вакуумный газойли: XVI - компонент легкого газойля; XVII, XVIII - соотв. газ низкого (С1-C4) и высокого (C1-C3) давлений; XIX - деэмульгатор; XX - водяной пар; XXI - конденсат; XXII - вода и минеральные соли.

Кре́кинг (англ. cracking, расщепление) — высокотемпературная переработка нефти и её фракций с целью получения, как правило, продуктов меньшей молекулярной массы — моторных топлив, смазочных масел и т. п., а также сырья для химической и нефтехимической промышленности. Сущность этого явления сводится к тому, что из одной большой молекулы тяжелого углеводорода образуется несколько более мелких молекул с разной температурой кипения и разным удельным весом. Это разложение стали называть крекингом (от английского to crack — разламываться, раскалываться). Таким образом, под крекингом надо понимать разложение под влиянием высокой температуры (и не только температуры, разложение может наступать, к примеру, от высокого давления и по некоторым другим причинам) сложных и крупных частиц углеводородов на более простые и мелкие. Существенным отличием крекинг-процесса от первичной перегонки является то, что при крекинге происходит химическое изменение ряда углеводородов, тогда как при первичной перегонке идет простое разделение отдельных частей, или. как говорят, фракций, нефти в зависимости от точек их кипения. Крекинг проводят нагреванием нефтяного сырья или одновременным воздействием на него высокой температуры и катализаторов.

Термический крекинг — вид деструктивной переработки нефтяного сырья, при котором расщепле­ние и изменение структуры углеводородов происходят под действием температуры и давления.

Сырьем для получения автомобильного бензина при термическом крекинге (температура 470 — 540°С, дав­ление от 2 до 7 МПа) являются углеводороды большой молекулярной массы (мазут, керосиногазойлевые фрак­ции и т. д.). Углеводороды расщепляются с образова­нием более легких фракций (бензиновой, лигроиновой и керосиновой), выход которых зависит от вида сырья и режима процесса: при крекинге мазута получают 25 — 30% бензина (в остатке — 5—8% газа и крекинг-мазут], а при крекинге газойля — 60%.

Крекинг-бензин характеризуется низкой химической стабильностью и невысоким октановым числом (66 — 68 по моторному методу), так как при термическом кре­кинге, как правило, образуются парафиновые и ненасы­щенные углеводороды олефинового и диолефинового рядов. Его используют в качестве компонента при получении товарных автомобильных бензинов, правда, с каждым годом во все более меньших количествах (на новых нефтеперерабатывающих заводах установки тер­мического крекинга не применяют).

Коксование — это процесс получения дистиллята широкого фракционного состава и нефтя­ного кокса из мазута, полугудрона, гудрона крекинг -ос­татков и др. методом их нагревания без доступа воздуха. Коксование нефтяных остатков протекает при 505-—515°С под давлением 0,2—0,3 МПа.

Бензин, полученный коксованием, отличается низким октановым числом (60—67 по моторному методу) и зна­чительным содержанием серы (1—2%).

Каталитический крекинг. Под каталитическим кре­кингом понимают такой вид деструктивной переработки нефтяного сырья, при которой расщепление углеводоро­дов и изменение их структуры с целью получения про­дуктов требуемого качества происходит под действием температуры и катализатора. В качестве сырья исполь­зуют газойлевую или соляровую фракции прямой пере­гонки нефти, а иногда соляровый дистиллят вакуум­ной перегонки мазута. Условия проведения каталитиче­ского крекинга таковы: температура — 450—525°С, дав­ление — 0,06—0,14 МПа (близкое к атмосферному), алюмосиликатные катализаторы (10—30% А1₂О₃, 70— 90% 5Ю₂, небольшое количество других окислов, на­пример, Ре₂О₃ и СаО).

Продукция каталитического крекинга — бензино­вый дистиллят (применяется как компонент товарных бензинов), богатый изоалканами, цикланами и аромати­ческими углеводородами и имеющий хорошую химиче­скую стабильность, так как в нем практически отсутст­вуют непредельные углеводороды. Октановое число фрак­ции составляет 78—85 (по моторному методу).

Таким образом, каталитический крекинг позволяет увеличить выход бензина с одновременным повышением его качества.

Каталитический риформинг. В качестве сырья для этого процесса переработки нефтепродуктов обычно ис­пользуют бензиновые фракции первичной перегонки неф­ти, выкипающие в пределах 85—180°С.

Риформинг проводят в среде водородсодержащего газа (70—90% (об.) Н2, остальное — низшие углево­дороды) при температуре 480—540^СС, давлении 2—4МПа и в присутствии молибденового (гидроформинг), или платинового (платформинг) катализатора. Плат-форминг как более удобный и безопасный процесс в значительной степени вытеснил гидроформинг.

Бензин каталитического риформинга используют как высокооктановый компонент автомобильных бензинов (октановое число 85 по моторному методу и 95 по ис­следовательскому) или для выделения аренов, состав­ляющих в этих бензинах 50—60% (масс.).

Гидрокрекинг—процесс переработки нефтепродук­тов, сочетающий крекирование и гидрирование сырья — газойлей, нефтяных остатков и др. Процесс проводится под давлением водорода 15—20 МПа при температуре 370—450°С в присутствии алюмокобальтомолибденового или алюмоникельмолибденового катализатора. Октано­вые числа бензиновых фракций гидрокрекинга — 85— 88 (по исследовательскому методу). Гидрокрекинг по­вышает выход светлых нефтепродуктов (бензина, ди­зельного топлива, реактивного топлива).

Синтезирование. Для получения индивидуальных уг­леводородов, обладающих высокими антидетонационны­ми свойствами и используемых в качестве добавок к бензинам (изооктан, алкилбензин, алкилбензол и ДР-Ь применяют синтезирование. Эти процессы осуществля­ют в присутствии катализаторов.

Алкилбензин получают из газов крекинга и рифор­минга. При алкилировании к молекулам углеводородов присоединяются алкильные радикалы. При изомериза­ции происходит перегруппировка атомов в молекуле, в результате чего образуются молекулы с изоструктурой, обеспечивающей требуемые свойства топлив. Сырьем при изомеризации служат легкие прямогонные бензи­новые фракции.

Очистка топливных дистиллятов. Применяется для очистки от содержащихся в дистиллятах сернистых со­единений, органических кислот и смолисто-асфальтеновых веществ. Содержание органических кислот и неко­торых сернистых соединений снижают, например, обра­боткой дистиллятов щелочью с последующей промыв­кой водой.

В настоящее время для удаления серы широко при­меняют метод гидроочистки (каталитический процесс). Процесс протекает в атмосфере водорода при темпера­туре от 300 до 430°С и давлении до 5—7 МПа в присутствии катализатора (обычно соединения кобальта и молибдена). Таким методом удается снизить содержа­ние серы в топливе на 90—92%.