5.4. Технологические основы переработки топлива

Топливо – это вещество, при сгорании которого выделяется значительное количество теплоты. Топливо используется как источник получения тепловой энергии и как сырье в химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Все виды топлива по агрегатному состоянию разделяются на твердые (ископаемые угли, торф, древесина, сланцы), жидкие (нефть, нефтепродукты), газообразные (природный и попутный газы).

Методы переработки твердого топлива разделяются на четыре группы: газификация, гидрирование, термическое растворение, сухая перегонка (пиролиз).

Газификация – процесс превращения твердого топлива в горючие газы под действием газифицирующих агентов. Газифицирующие агенты: воздух, кислород, водород, водяной пар. При газификации топливо превращается в генераторные газы и золу.

Гидрирование, или деструктивная гидрогенизация – это термическое разложение угля с образованием соединений, более богатых водородом, чем сырье. Химические реакции протекают под высоким давлением (20–70 МПа) и в присутствии катализаторов. Цель – получение максимального количества жидких продуктов или природного газа с высокой теплотой сгорания.

Термическое растворение или сжижение – это воздействие на измельченное топливо (уголь) органических растворителей при t 340–380 °С, давлении 2,0– 15 МПа. Раствор (сжиженный уголь) обладает большей реакционной способностью, можно использовать для получения специальных видов кокса, углеродистых материалов, пластмасс и т. д.

Сухая перегонка, или пиролиз, или коксование – это процесс термического разложения топлива (1000 °С) без доступа воздуха. Основная цель – получение металлургического кокса.

Прямая перегонка нефти – это разделение нефти на фракции, основанное на различной температуре кипения фракций, входящих в состав нефти. Технологический процесс перегонки состоит из четырех операций: нагрев смеси, испарение, конденсация, охлаждение полученных фракций.

Нагревание нефти и нефтепродуктов осуществляется в трубчатых печах до температуры 300–375 °С, которая превышает температуру кипения на 25–30 °С. Для предупреждения кипения в трубах нефть проходит через них под давлением 1,8 МПа. Нагретую смесь подают в нижнюю часть ректификационной колонны. Давление в колонне ниже, чем в трубах печи, поэтому смесь закипает и разделяется на фракции.

Ректификационная колонна представляет собой цилиндрический аппарат высотой 25–55 м, диаметром 5–7 м с внутренними горизонтальными перегородками (тарелками), расположенными одна над другой. В ней при давлении, близком к атмосферному, из нагретой в печи нефти происходит испарение фракций, кипящих при температуре ниже 350 °С.

Фракции с более высокой температурой кипения стекают вниз в отпарную секцию. Кипение этих фракций поддерживается подачей в них нагретого до температуры 300–350 °С водяного пара. Освобожденная от остатков легких фракций, тяжелая фракция (мазут) сливается и охлаждается в теплообменниках. Легкие фракции с водяным паром поднимаются по колонне вверх, постепенно охлаждаясь. Самая легкая бензиновая фракция при температуре 180–200 °С отводится из колонны в виде паров в конденсатор и отделяется от воды в сепараторе. С промежуточных тарелок колонны отводятся средние фракции: керосиновая, кипящая при температуре 200–300 °С, и газойлевая (300–350 °С). Производительность атмосферных установок составляет 3–6 тыс. т нефти в сутки.

Продукты прямой перегонки нефти можно разделить на три группы: топливные фракции, масляные дистилянты и гудрон.

Топливные фракции имеют температуру кипения от 150 до 400 °С (бензины, лигроины, керосины, газойль и мазут). Масляные дистиллляты – это фракции с температурой кипения от 350 до 550 °С. Они применяются для получения смазочных и специальных масел. Гудрон – полупродукт для получения битумов и кокса.

Малый выход бензина при прямой перегонке нефти обусловил необходимость разработки метода получения легких фракций из тяжелых внедрением крекинг-процесса.

Химические методы переработки основаны на том, что под влиянием высоких температур и давления в присутствии катализаторов углеводороды, содержащиеся в нефти, расщепляются и позволяют значительно увеличить выход топливных фракций.

Термический крекинг – химический метод переработки нефти, суть которого заключается в расщеплении длинных молекул тяжелых углеводородов, входящих в высококипящие фракции, на более короткие молекулы легких, низкокипящих продуктов. Термический крекинг протекает при высоких температурах (450–500 °С) и повышенном давлении.

Каталитический крекинг основан на применении катализатора, который позволяет снизить температуру крекинга и не только увеличить количество получаемых продуктов, но и улучшить их качество. Процесс идет при повышенном давлении. При крекинге получают крекинг-бензины, крекинг-газы и крекинг-остаток (смолистые и асфальтовые вещества).