8.2 Основні напрями переробки нафти

На вибір основного напряму переробки нафти впливає декілька факторів. В першу чергу до уваги приймається характеристика нафти, що переробляється, необхідний асортимент продуктів, а також рівень розвитку і освоєння технологічних процесів.

При розробці поточної схеми конкретного НПЗ, тобто набору технологічних установок, який визначає структуру заводу, враховується наступне:

- якість нафти, що поступає на завод, яка визначає можливість одержання максимальної кількості палив або олив, а також бітуму, коксу та інших продуктів (вміст сірки в нафти і її фракціях визначає частку гідрогенізаційних процесів у схемі заводу);

- потреба в тих чи інших нафтопродуктах в даному регіоні;

- співвідношення об’ємів одержаних палив – бензину, реактивного, дизельного, котельного;

- потреба нафтохімічної промисловості в окремих видах сировини для нафтохімічного синтезу (НХС).

Існує три основні варіанти переробки нафти: паливний, паливно-оливний і комплексний, який включає одержання сировини для НХС.

Заводи паливного профілю працюють за двома варіантами: глибока (з максимальним одержанням світлих нафтопродуктів) і неглибока переробка. При неглибокій переробці поруч із світлими нафтопродуктами одержують і значний вихід залишку – котельного палива. Подібні схеми із порівняно невеликим набором установок використовуються в тих країнах або регіонах, в яких високий попит на котельне паливо.

Для сучасних і перспективних НПЗ характерна глибока переробка нафти, при якій необхідне включення в схему процесів переробки важкої сировини – фракцій і залишків вакуумної перегонки – каталітичного крекінгу, візо крекінгу, гідрокрекінгу, тобто деструктивної переробки. Це дозволяє значно поглибити переробку нафти, в першу чергу, підвищити виробництво моторних палив. Так, при наявності на одному із НПЗ установок гідрокрекінгу і каталітичного крекінгу, дозволяє підвищити глибину переробки нафти більш ніж на 20 % (до 70 % і більше).

8.3 Класифікація і характеристика товарних нафтопродуктів

У результаті переробки нафти одержують широку гаму продуктів. Вони відрізняються один від одного за хімічним та фракційним складом, властивостями та сферою використання. Для зручності усі нафтопродукти поділяють на 10 груп: палива; нафтові оливи; пластичні мастила; парафіни; церезини; вазеліни; ароматичні вуглеводні та розчинники; нафтові бітуми; нафтовий кокс; технічний вуглець(сажа); присадки до палив і олив; інші нафтопродукти загального призначення.

Зупинимося на призначенні та короткій характеристиці найпоширеніших груп нафтопродуктів, що мають широкий вжиток у різних галузях народного господарства України.

8.4 Палива

Залежно від сфери застосування розрізняють такі види нафтових палив: карбюраторні, реактивні, дизельні, газотурбінні, котельні, пічні, зріджені та стиснуті гази.

8.4.1 Карбюраторні палива

Усі карбюраторні палива повинні відповідати наступним вимогам:

- високі енергетичні і термодинамічні характеристики продуктів згоряння (при згорянні палива повинна виділятися максимальна кількість теплоти; продукти згоряння повинні мити малу молярну масу, невеликі теплоємність і теплопровідність, високе значення добутку питомої газової сталої на температуру згоряння (RT));

- хороша прокачуваність по паливній системі машин, трубопроводах при любих умовах довкілля;

- оптимальна випаровуваність при зберіганні, транспортуванні та використанні в двигунах;

- оптимальний груповий вуглеводневий склад, що забезпечує стійку роботу двигуна без детонації на усіх режимах роботи;

- мінімальна корозійна активність по відношенню до конструкційних матеріалів двигуна, засобів зберігання, транспортування і заправки автомобілів;

- висока стабільність в умовах зберігання і транспорту-вання;

- нетоксичність продуктів згоряння.

Вони поділяються на автомобільні та авіаційна бензини і зрідженні та стиснуті гази.

Бензини - це суміш бензинових фракцій прямої перегонки, каталітичного крекінгу та реформінгу, гідрокрекінгу, алкілату та ізомеризату, які википають в межах 30-215°С і призначені для застосування у двигунах внутрішнього згоряння із примусовим запалюванням. Для підвищення детонаційних властивостей до них додають оксигени(метиловий, етиловий, ізопропіловий та ізобутиловий спирти, метилтретбутиловий ефір), а для покращення антиокислювальних властивостей - антиокислювальні присадки (агідол - 12 іонол).

До основних показників якості бензинів відносяться детонаційна стійкість (октанове число), випаровуваність (фракційний склад, тиск насичених парів),хімічна стабільність, вміст сірчаних і ароматичних сполук.

Детонаційна стійкість бензинів – це стійкість їх до детонації. Вона виникає в тому випадку, коли швидкість розповсюдження полум’я в камері згоряння двигуна досягає1500-2000м/с, замість звичайних 20-30м/с. В результаті різкого перепаду тиску виникає детонаційна хвиля, яка порушує режим роботи двигуна, що призводить до перевитрати палива, зменшення потужності, перегрівання двигуна і прогоряння поршнів та вихлопних клапанів. Детонаційна стійкість бензинів оцінюється октановим числом.

Октанове число – це умовний показник оцінки стійкості бензинів до детонації, який чисельно дорівнює вмісту ізооктану(% об) у суміші його з н-гептаном, яка за детонаційною стійкістю аналогічна (еквівалентна) досліджува-ному паливу у стандартних умовах випробування. Октанове число ізооктану дорівнює 100, а н-гептану – 0. Для автомобільних бензинів (крім А-76) октанове число визначається двома методами: моторним і дослідним. Октанове число визначають на спеціальних установках типу УИТ-65М шляхом порівняння характеристик згоряння досліджуваного палива з еталонною сумішшю ізооктану і н-гептану. Досліджування проводять у двох режимах: жорсткому (частота обертання колінчастого валу 900об/хв, температура паливної суміші 149 ºС, змінний кут випередження запалювання) і м’якому( 600об/хв., температура паливної суміші 52 ºС, кут випередження запалювання 13º). Одержують відповідно моторне (ОЧМ) і дослідне октанове число(ОЧД). Рахують, що ОЧД бензину краще характеризує роботу двигуна в умовах міста, а ОЧМ - в умовах високих навантажень і швидкостей при форсованому режимі роботи двигуна в заміських умовах їзди.

Оцінка антидетонаційних властивостей авіаційних бензинів на багатих сумішах проводиться не тільки за октановим числом, але і за показником сортності. Сортністю бензину називається число , що показує у відсотковому відношенні, яку потужність може розвинути двигун на досліджуваному бензині порівняно з ізооктаном, сортність якого приймається за 100.

Випаровуваність – здатність палива швидко і повністю випаровуватися в умовах роботи двигуна. Випаровування бензину залежить від його фракційного складу, тиску насичених парів та умов роботи двигуна. Фракційний склад – це кількість фракцій, яка міститься в бензині і випаровується з нього при нагріванні. Фракційний склад бензину впливає на пуск холодного двигуна, його прогрівання, приємистість, розприділення палива по циліндрах двигуна, повноту згоряння, економічність двигуна. Випаровуваність визначається температурами перегонки 10, 50 і 90% (об.) википання фракцій та температурами початку і кінця википання бензину. Температура початку кипіння (t_п.к.) характеризує фізичну стабільність, тобто втрати бензину при зберіганні і транспортуванні. Температура початку кипіння повинна бути ≥30 ºС для зменшення його втрат. Температура википання 10% бензину характеризує пускові властивості і повинна бути ≤ 75 ºС. При температурі нище граничного значення в системі живлення двигуна можуть утворитися парові пробки, а при більш високих температурах пуск двигуна затруднений Температура википання 50% бензину характеризує швидкість переходу двигуна з пускового режиму на робочий і рівномірність розприділення бензинових фракцій по циліндрах двигуна. Температура википання 50% бензину повинна бути ≤ 120 ºС. Температури википання 90% фракцій і кінця кипіння бензину впливають на повноту згоряння палива і його витрату, а також на нагароутворення в камері згоряння. Температура 90% википання бензину і кінця кипіння не повинні перевищувати відповідно 190 ºС і 215 ºС. Фракційний склад палива визначається на апараті Енглера.

Тиск насичених парів – це тиск з яким насичені пари діють на стінки закритої посудини при даній температурі. Тиск насичених парів для бензинів визначається при температурі 38 ºС в бомбі Рейда. Він дає додаткову інформацію про випаровуваність бензину, а також про можливість утворення газових пробок у системі живлення двигуна. Тиск насичених парів для забезпечення задовільного пуску двигуна і неуможливлення утворення парових пробок у системі живлення двигуна не повинен перевищувати 79,9 кПа.

Хімічна стабільність – це здатність палива не змінювати свій склад при зберіганні, транспортуванні і експлуатації. Хімічна стабільність залежить від вмісту в бензині олефінових вуглеводнів та інших нестабільних сполук. Окислення призводить до зменшення октанового числа бензину і підвищення його схильності до нагароутворення. Для оцінки хімічної стабільності бензинів використовують показники вмісту фактичних смол, індукційного періоду окислення. Вміст фактичних смол не повинен перевищувати 5мг/100см³, а індукційний перехід ≥ 360 хв. Для підвищення хімічної стабільності до палив, які містять компоненти вторинного походження, додають антиокислювальні присадки.

Вміст сірчаних сполук у бензині обмежується як з точки зору корозійної активності, так і з екологічної безпеки. Активні сірчані сполуки (сірка, сірководень, меркаптани), які можуть міститися у бензині, викликають сильну корозію паливної системи двигуна і транспортних ємностей. Повнота очищення бензинів від цих сполук контролюється аналізом на мідну пластину. Неактивні сірчані сполуки (тіофени, сульфіди, дисульфіди) корозію не викликають, але при їх згорянні утворюються оксиди сірки(SO₂ і SO₃). Під дією оксидів сірки проходить швидке корозійне спрацювання деталей двигуна, знижується потужність, зростає токсичність димових газів. Вміст загальної сірки в бензинах визначається ламповим методом і не повинен перевищувати 0.05% мас.

Найбільшу небезпеку для людей представляють ароматичні вуглеводні, особливо бензол. Токсична дія бензолу пояснюється можливістю його окислення в організмі. У зв’язку з цим в ДСТУ4063-2001 обмежується вміст бензолу ≤ 5.0% і вміст ароматичних вуглеводнів ≤ 42-48%мас.

Залежно від октанового числа за державним стандартом ДСТУ4063-2001 (табл.8.2) передбачено виробництво автомобільних бензинів марок А-76, А-80, А-92, А-95, А-98. В позначенні автомобільних бензинів А – автомобільний, відповідно цифра – мінімальне октанове число за дослідним методом (крім А-76 – за моторним методом).

Таблиця 8.2-Характеристика автомобільних бензинів за ДСТУ 4063-2001

Продовження таблиці 8.2

Продовження таблиці 8.2

Згідно ДСТУ 4839:2007 передбачено випуск автомобільних бензинів підвищеної якості, які призначені для внутрішнього ринку та для експортування. Залежно від октанового числа встановлено такі марки бензинів: А-92-євро з октановим числом за дослідним методом не менше ніж 92; А-95-євро - з ОЧД ≥95; А-98-євро – з ОЧД ≥98. За вмістом сірки бензини ділять на два види: І – вміст сірки ≤10мг/кг; ІІ - вміст сірки ≤50мг/кг. Залежно від умов використання встановлюють класи леткості: літні класи – А, В; зимові класи – C, D, E, F; перехідні класи - С, D, E, F.

Авіаційні бензини призначені для використання в поршневих авіаційних двигунах, малих гвинтових літаків і гвинтокрилів. На відміну від автомобільних двигунів в авіаційних використовується у більшості випадків примусове впорскування палива у впускну систему, що визначає деякі особливості авіаційних бензинів порівняно з автомобільними. У зв’язку з тим, що до авіаційних бензинів ставлять більш жорсткі вимоги ніж до автомобільних, до їхнього складу входять компоненти обмеженої кількості технологічних процесів: прямої перегонки нафти, каталітичного реформінгу, алкілування, рідше ізомеризації, з додаванням тетраетил-свинцю (ТЕС). До основних показників якості авіаційних бензинів відносяться: достатня детонаційна стійкість на багатій (сортність) і бідній (октанове число) паливних сумішах; оптимальний фракційних склад, низька температура кристалізації; невеликий вміст смолистих речовин, кислот і сірчаних сполук, висока теплота згоряння і стабільність при зберіганні.

Згідно з ГОСТ-1012-72 можливий випуск двох марок авіаційного бензину: Б-91/115 та Б-95/130. У маркуванні авіаційних бензинів перша цифра – октанове число, а друга – сортність. Авіаційні бензини забарвлюють в оранжевий і зелений кольори, що свідчить про наявність у паливі отрути – етилової рідини. Слід зауважити, що ці бензини не мають широкого вжитку, тому що літаки з поршневими двигунами в теперішній час використовуються тільки у сільськогоспо-дарській, допоміжній та спортивній авіації.

На автомобільному транспорті, крім рідких палив, використовують і газоподібні. Залежно від агрегатного стану в паливних баках розрізняють зріджені і стиснуті газові палива. Вуглеводні, які мають критичну температуру вищу від звичайних температур експлуатації автомобілів, легко переходять у рідкий стан при відносно невеликому підвищенні тиску. До них відносять пропан і бутан. Вуглеводні, що мають критичні температури нищі за звичайні температури експлуатації автомобілів, використовуються у стиснутому стані. Це такі вуглеводні як метан і етан.

Зріджені гази одержують в основному як побічні продукти при деструктивній переробці нафти і при фракціонуванні супутнього газу та газу газоконденсатних родовищ. Їх зберігають у балонах, які розраховані на тиск 1,6 МПа при температурі 50 ºС.

Для автомобільного транспорту використовуються дві марки зріджених газів (ГОСТ-27578-87): ПА - пропан автомобільний і ПБА - пропан-бутан автомобільний (табл. 8.2). Паливо ПБА використовується при температурі довкілля не нище мінус 20 ºС, а паливо марки ПА- у зимовий період при температурі довкілля від мінус 20 до мінус 35 ºС. Зріджені гази мають високу детонаційну стійкість(~100 ОЧМ), тому їх доцільно використовувати у двигунах з мірою стиснення ε=8,5 – 9,5. За теплотою згоряння вони відносяться до високо-калорійних (Q_н=44,8 – 46,9 кДж/м³). Основним компонентом стиснутих газів є метан. У природному газі вміст метану складає 82-98% об. Стиснутий газ зберігають у товстостінних балонах, розрахованих на тиск 30 МПа. Для автомобільного транспорту випускають “Газ природний паливний стиснутий“, який одержують з природного газу, що транспортується магістральними трубопроводами (табл. 8.3).