Oil refining: removing water and salts

After that long introduction, it's time to look at how an oil refinery works. The refinery oust separate the various components of crude oil into specific petroleum prod­ucts such as gasoline or lubricating oil. Unfortunately, the crude oil that arrives at the refiner) rarely contains the right assortment of molecules for the products the refinery wanes to produce. Thus the refinery must usually modify the molecules it receives so char they fit its products. This purification and modification is an enormous task and requires a large facility.

The refinery's first job is to remove water and salt from the crude oil. These con­taminants are of no use to the refinery. Fortunately, water and hydrocarbons don't mix well because their molecules don't bind to one another strongly. The molecules in water cling to one another with hydrogen bonds, while the molecules in oil hold onto one another only with weaker van der Waals forces. When you put the two liquids together, the water molecules stay bound to water molecules and the oil molecules stay bound to oil molecules. They don't mix.

What ultimately makes oil and water so immiscible is the strength of the hydrogen bonds between water molecules. It takes far too much energy to separate water mol­ecules for them to mix with the oil molecules. If you pour water and oil into a glass, the less dense oil floats on top of the water and a sharply defined interface forms between the oil and the water.

The water molecules at this interface are special. While the water molecules below them can form hydrogen bonds with neighbors in all directions, the water molecules at the interface have only oil molecules above them. These surface water molecules cling par­ticularly tightly 10 one another and they create an inward tension along the water's surface. A surface tension of this type appears whenever one material ends and another begins.

Surface tension is particularly strong in water because water molecules attract one another so strongly. Surface tension always acts to minimize a liquid's surface area. The surface of the liquid behaves like an elastic membrane, stretching when you exert forces mil but always snapping back to a taut, smooth shape.

Surface tension squeezes raindrops into tiny spheres and turns the surface of a calm lake into a trampoline for water bugs. Surface tension minimizes the surface area be­tween the water and the oil by making the interface flat and level. But if you cover the glass and shake it hard, the interface will stop being flat. Instead, the glass will become filled with droplets of oil in water and water in oil. You will have formed an emulsion, a situation in which droplets of one liquid are suspended in another.

Surface tension will quickly minimize the surface area of each droplet by making it spherical. But the emulsion will contain more surface area overall than it did before you shook the glass. Because it can further reduce the surface area by reducing the number of droplets, you will see the droplets touch and coalesce. Each time two droplets merge, their combined surface area goes down. Eventually all of the droplets will have joined together and the oil and water in the glass will have separated completely.

But the smallest droplets don't merge together easily. They experience large drag forces as they try to move through the surrounding liquid and travel extremely slowly. It takes a long time for them to find other droplets with which to coalesce. In thick, gooey crude oil, tiny water droplets form an emulsion that takes almost forever to settle. In fact, various chemical impurities in the petroleum actually surround the water droplets, so that they can't touch and coalesce. As a result, getting the water out of crude oil is quite difficult.

Refineries usually break the emulsions by heating the oil and passing it through settling tanks or filter columns. At elevated temperatures (90 to 150 єC), water's surface tension decreases and the water droplets are able to merge together more easily. In fact, the energetic water molecules bounce around so vigorously that they have trouble stay­ing together at all. To keep molecules of water or oil from becoming gaseous, the hot crude oil must be kept under pressure. Heat also reduces the crude oil's viscosity and the water molecules are able to settle more easily.

As it settles, the water collects the salt molecules in the crude oil Since salts are composed of electrically charged ions, they only dissolve in liquids that bind well with charged particles. Water molecules are polar and do a good job of dissolving most salts. Because hydrocarbon molecules are nonpolar-they have no electrically charged ends-they rarely dissolve salts. So the salts accumulate in the water as it settles to the bottom of a tank or filter column.

The smallest water droplets still have trouble settling out of the crude oil. Gravity and buoyant forces are sometimes just too weak to overcome drag forces. Many refin­eries use electrostatic precipitators to pull the water droplets through the oil. Since oil doesn't conduct electricity, it behaves like very thick air. Charged particles injected into the crude oil quickly attach themselves to water droplets and these electrically charged water droplets are pulled through the oil by electric fields.

WORD LIST

Purification - очистка

modification - модификация; (зд.) изменения

- молекулярной структуры

bond - связь, межатомная

contaminant -примесь, загрязнение

immiscible - несмешиваемый

interface - поверхность раздела; граница

emulsion - между двумя средами эмульсия

drag - сила торможения (среды); сопротивление

setting tank -отстойный резервуар, отстойник

nonpolar -неполярный, неэлектрический

gravity force -сила тяжести; сила тяготения

electrostatic precipitator -электростатический осадитель, электрофильтр

EXPRESSIONS:

to cling to one another with hydrogen bonds - удерживаться друг с другом благодаря межатомным силам водорода.

to define sharply interface forms along the water's surface— определять четно разграничения на поверхности воды.

Сведения о нефти

Нефть-горючая маслянистая жид­кость, относящаяся к группе горных осадочных пород наряду с песками, глинами и известняками; отличается исключительно высокой теплотвор­ностью: при горении выделяет значи­тельно больше тепловой энергии, чем другие горючие смеси.

Нефть добывают и используют с 6-го тысячелетия до н.э. Наиболее древние промыслы известны на берегах Евфрата, в Керчи, в китайской провинции Сычуань.

What is the crude oil?

Oil is a combustible oily liquid re­ferred to sedimentary rocks as well as sand, clay and limestone. Oil is notable for its exceptionally high heating value, i.e. oil combustion gives significantly more heat than other combustible mixtures.

The crude oil has been extracted and used since sixth thousand years B.C. The most ancient oilfields are discovered on the banks of the Euphrates river, on Kerch peninsular and Sychuan province in Chi­na.

Oil contains hydrocarbons, asphaltic tar and ash components as well as porphyrin and sulfur. Hydrocarbons are subdivided into three main groups, namely methane, naphthalene and aromatic. Methane (paraffin) hydrocarbons ire more chemically stable, than aromatic hydrocarbons (due to min hydrogen con­tent). Aromatic hydrocarbons are the most toxic oil components. Asphaltic tar is par­tially dissolved in gasoline, where soluble content is asphalt, and insoluble is tar. It is surprising that the oxygen content in tars is going to about 93 percent of total amount of oil. Porphyrins are organic ni­trogen compounds. They are destroyed under temperature 200-250° C. There is sulftir in oil either in free state or as a part of compounds of hydrogen sulfide and mercaptan. Oil ash component is remains of oil combustion consisting of different mineral compounds.

CrudeOU ind luCharacterist

Химический состав нефти

В составе нефти выделяют угле­водородную, асфальтосмолистую и зольную составные части, а также пор-фирины и серу. Углеводороды (УВ), со­держащиеся в нефти, подразделяют на три основные группы: метановые» на­фтеновые и ароматические. Метановые (парафиновые) УВ химически наиболее устойчивы, а ароматические - наименее устойчивы (в них мин. содержание водо­рода). При этом ароматические углево­дороды являются наиболее токсичными компонентами нефти. Асфалътосмолис-тая составляющая нефти частично рас­творимая в бензине: растворяемая часть

- это асфальтены, нерастворяемая - смо­лы. Интересно, что в смолах содержание кислорода достигает 93% от его общего количества в составе нефти. Порфирины

- это азотистые соединения органичес­кого происхождения, которые разруша­ются при температуре 200-250 С. Сера присутствует в составе нефти либо i свободном состоянии, либо в виде со-единений сероводородов и меркаптанов Зольная часть нефти - это остаток, полу чаемый при ее сжигании, состоящий и различных минеральных соединений.

LESSON# 4

CRUDE OIL DISTILLING

Once water and salts have been removed from the crude oil, the refinery is ready to begin sorting its molecules. The principal sorting technique is distillation. Distilla­tion is described in the supplement on water purification, but here the job is somewhat different. In uater purification, the goal is to separate a volatile chemical (water) from a nanvolatile chemical (salt) and the only molecule that becomes a gas at reasonable temperatures is uater. But in petroleum distillation, almost all of the molecules can become gaseous in the right circumstances. So the refinery must carefully adjust those circumstances in order to collect particular groups of molecules from the mixture.

The crude oil leaving the water separator is heated and then injected near the bot­tom of a tall distillation tower. This tower contains a series of collecting trays, one above the other. The temperature inside the tower is carefully controlled so that it's highest where the crude oil enters the tower and gradually decreases from the bottom to the top of towe. Thus each collecting tray is a little cooler than the one beneath it.

As the hot oil enters the tower, all but the largest molecules evaporate and become gas. This gas gradually ascends the tower and its temperature decreases. With each de­crease in temperature, the molecules in the gas find it more difficult to stay apart. The larger molecules in the gas begin to stick to one another and form liquid in the tower's trays. Some of this liquid drips down from each tray to the tray below. Overall, gas moves up the tower from below and liquid drips down the tower from above.

Each tray tends to accumulate those molecules that can be either gas or liquid at the nay's temperature of the tower. Any molecules that tend to be gaseous at that tempera­ture will move up the tower to the trays above. Any molecules that tend to be liquid at that temperature will drip down the tower to the trays beneath. Thus each tray concen­trates a particular group of molecules.

However this concentrating process doesn't produce pure chemicals. The liquid in a particular tray still contains a number of different molecules. While one range of sizes is most likely to accumulate in that tray, it will also contain some smaller and larger molecules that manage to find their way into the liquid. In general, nature always tries to maximize the randomness of a liquid The same statistical rules that govern the flow of heat and are responsible for the laws of thermodynamics also make it very difficult to purify chemicals completely.

Unlike oil and water, these hydrocarbon molecules mix easily with one another. They all stick together with van der Waals forces, regardless of how large their mol­ecules are. Chemical such as these that dissolve freely in one another are said to be miscible. While the smaller molecules will tend to evaporate from the liquid more easily than the larger molecules, they are all pretty much equal in the liquid itself.

Crude oil's first trip through a distillation tower separates it into several parts, in­cluding diesel oil, kerosene, and raw gasoline. The diesel oil and kerosene are basically ready for consumer products, but the raw gasoline is not It has a very low octane num­ber and must be reformed and blended before it's ready for automobiles. Molecules that are too small to become liquid even at room temperature reach the top of the tower and are processed into propane and LP gases.

The largest molecules that enter the distillation tower rarely become gaseous below 300 °C and drip as a liquid to the bottom tray. It might seem reasonable to heat this re­sidual liquid to a higher temperature to separate its molecules from one another. Unfor­tunately, temperatures above about 360 °C cause hydrocarbon molecules to decompose into fragments, a phenomenon called cracking. These fragments can then recombine to form gums that plug up the distillation equipment. To avoid cracking, the distillation columns must avoid excessive temperatures.

While the molecules in the residual liquid can still be separated by distillation, that dis­tillation must be performed at very low pressures in a vacuum distillation tower. The residual liquid from an atmospheric pressure tower is reheated to 350 °C and fed into a vacuum tower near its base. Gases move upward while liquid moves downward and each tray accumulates those molecules that can be either gaseous or liquid at its particular temperature.

Because the pressure and density of the gas are reduced in the vacuum tower, mol­ecules don't have to be very volatile to become a gas. Since forming a thin , low pressure gas of lubricating oil molecules is much easier than forming a dense, high pressure gas of those same molecules, it occurs at a much lower temperature. Thus the vacuum distillation column is able to separate various lubricating oils and waxes from molecules that simply aren't volatile. The residual liquid leaving the bottom of the vacuum column is asphalt

The hydrocarbon gases that reach the top of the at­mospheric pressure distil­lation column must still be separated according to mo­lecular size. As usual, this separation involves distilla­tion, but this time the distil­lation is done at high pres­sures and relatively low temperatures. By squeezing the gas molecules close to­gether, the refinery encour­ages them to spend time as a liquid and they drift up­ward as gas and downward as liquid. Trays near the bottom of the high pressure tower accumulate liquid butane, those near the middle of the tower accumulate liquid propane, and ethane and methane drift to the top of the tower.

Oil refining: removing water and salts - student2.ru

The temperature in a distillation tower decreases from the crude oil inlet to the top of the tower. Liquid extracted from trays at various heights and temperatures contain different mixtures of molecules, and are appropriate for different petroleum products.

Inside a distillation tower is a series of trays, each one cooler than one below it. Gaseous oil molecules bubble up through each tray from below. As they do, the larger molecules condense into liquid. The liquid in each tray is different, with lower trays containing larger molecules than upper trays.

In a vacuum distillation tower, the reduced pressure allows even relatively non­volatile lubricating oils to become gaseous.

WORDLIST:

Crude oil distillation

(preliminary distillation) первичная перегонка нефти

volatile chemical легкоиспаряющееся хим. вещество

water separator водоотделитель

collecting tray сборная тарелка

miscible смешиваемый

raw низкосортный (неочищенный) бензин

liquid petrol gas газойль

residual liquid отстой

vacuum distillation вакуумная перегонка

hydrotreating гидроочистка

EXERCISE:

I. Translate the following sentences into Russian:

a) The temperature in a distillation tower decreases from the crude oil inlet to the top of the tower.

b) Liquid extracted from trays at various heights and temperatures contain different mixtures of molecules, and are appropriate for different petroleum products.

c) Inside a distillation tower is a series of trays, each one cooler than one below it. Gaseous oil molecules bubble up through each tray from below.

d) As they do, the larger molecules condense into liquid. The liquid in each tray is different, with lower trays containing larger molecules than upper trays.

e) In a vacuum distillation tower, the reduced pressure allows even relatively non­volatile lubricating oils to become gaseous.

f) The temperature inside the tower is carefully controlled so that it's highest where the crude oil enters the tower and gradually decreases from the bottom to the top ofthe tower.

g) The diesel oil and kerosene are basically ready for consumer products, but the

raw gasoline is not.

h) The crude oil leaving the water separator is heated and then injected near the bottom of a tall distillation tower. This tower contains a series of collecting trays, one above the other.

i) The refinery must carefully adjust the circumstances of the distillation in order ij

collect particular groups of molecules from the mixture.

II. Translate the following information into Russian:

Petroleum refining operations. Petroleum refining begins with the distillation, or fractionation, of crude oils into separate hydrocarbon groups. The resultant products are directly related to the characteristics of the crude processed. Most distillation products are further converted into more usable products by changing the size and structure of the hydrocarbon molecules through cracking, reforming, and other conversion process­es as discussed in this chapter. These converted products are then subjected to various treatment and separation processes such as extraction, hydrotreating, and sweetening to remove undesirable constituents and improve product quality. Integrated refineries incorporate fractionation, conversion, treatment, and blending operations and may also include petrochemical processing.

Refining operations. Petroleum refining processes and operations can be separated into five basic areas:

1.Fractionation (distillation) is the separation of crude oil in atmospheric and vacuum distillation towers into groups of hydrocarbon compounds of differing boiling-point ranges called "fractions" or "cuts."

2.Conversion processes change the size and/or structure of hydrocarbon molecules. These processes include:

Decomposition (dividing) by thermal and catalytic cracking;

Unification (combining) through alkylation and polymerization; and

Alteration (rearranging) with isomerization and catalytic reforming.

3.Treatment processes are intended to prepare hydrocarbon streams for additional processing and to prepare finished products. Treatment may include the removal or sepa­ration of aromatics and naphthenes as well as impurities and undesirable contaminants. Treatment may involve chemical or physical separation such as dissolving, absorption, or precipitation using a variety and combination of processes including desalting, drying, hydrodesulfurizing, solvent refining, sweetening, solvent extraction, and solvent dewaxing.

4.Formulating and Blending is the process of mixing and combining hydrocarbon fractions, additives, and other components to produce finished products with specific performance properties.

5.0tber Refining Operationsinclude: light-ends recovery; sour-water stripping; solid waste and wastewater treatment; process-water treatment and cooling; storage and handling; product movement; hydrogen production; acid and tail-gas treatment; and sulfur recovery.

Auxiliary operations and facilities include: steam and power generation; process and fire water systems; flares and relief systems; furnaces and heaters; pumps and valves; supply of steam, air, nitrogen, and other plant gases; alarms and sensors; noise and pollution controls; sampling, testing, and inspecting; and laboratory, control room, maintenance, and administrative facilities.

III. Translate the following text into English:

Все производные из сырой нефти нефтепродукты разделяются на две группы: 1) направляемые на непосредственное потребление (бензин, керосин, дизель­ное топливо, масла, котельно-печное топливо, кокс и др.);

2) используемые как сырье для нефтехимии (направляются на дальнейшую переработку).

Роль нефти и природного газа в качестве исходного сырья для химической промышленности уникальна. В настоящее время более трети общего объема про­дукции мировой химической промышленности вырабатывается из нефтегазового сырья. На основе нефтяных углеводородов возникло производство синтетическо­го каучука, этилового спирта, пластмасс, синтетических волокон и материалов, моющих средств и ряда других продуктов.

Исходным сырьем для получения нефтехимических продуктов служат глав­ным образом непредельные и ароматические углеводороды. Непредельные уг­леводороды, имеющие важное значение для органического синтеза, составляют группу олефинов. К ней относятся этилен С2Н4, пропилен С3Нб бутилен С4 Н8 и т. д. Они практически отсутствуют в природной нефти и газе, но образуются при их крекинге. Наиболее важным по масштабам и разнообразию использования в ка­честве нефтехимического сырья из непредельных углеводородов является этилен. Для его получения производят пиролиз углеводородных газов (этана и т. д.). Эти­лен применяется для получения полиэтилена, окиси этилена, этилового спирта, стирола, хлористого этилена и т. д.

Для производства синтетических материалов необходимы ароматические уг­леводороды - бензол, толуол, ксилол, нафталин и др. Они образуются в процессе каталитического реформинга.

IV. Translate the following information into English:

Значительное количество новых продуктов получается в результате реакций хлорирования и нитрирования низших парафиновых углеводородов. Например, ем хлорирования метана получают хлористый метил CH3CI, применяемый в качестве хладагента в холодильниках, хлороформ СНС13, используемый в меди­цине, четыреххлористый углерод СС14 - распространенное средство уничтожения вредителей сельского хозяйства, и др. Из нитропарафинов получают, в частности, взрывчатые вещества.

Углеводороды нефти и природного газа служат также исходным сырьем для полу­чения лекарственных веществ - новокаина, аспирина, сульфазола, витаминов и др.

В результате химической переработки нефти и природного газа получают и неорганические продукты - водород, серу и серную кислоту. Водород служит исходным веществом для получения аммиака. Из аммиака, в свою очередь, по­лучают углекислый аммоний, сульфат аммония, азотную кислоту, аммиачную селитру и ряд других продуктов, широко используемых в качестве удобрений. Аммиак служит исходным сырьем для производства мочевины, которая содер­жит в своем составе больше азота, чем аммиачная селитра и сульфат аммония, и поэтому широко применяется в качестве удобрения, добавок в корм скоту. Ныне основная часть аммиака получается на основе водорода природного углеводо­родного газа. Сера идет на изготовление серной кислоты, из которой приготов­ляют минеральные удобрения, фосфорную, соляную и плавиковую кислоты. Ее используют в производстве пластических масс, красителей, взрывчатых веществ, крахмала, патоки, для очистки нефтепродуктов, отбеливания тканей. Сера при­меняется для вулканизации каучука в резиновой промышленности, в медицине, бумажной промышленности, для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве. В нефти и природных газах содержится несколько сот различных углеводородов. А число продуктов их переработки исчисляется тысячами. Основной процесс, при помощи которого из промежуточных продуктов получаются различные син­тетические вещества и материалы, - полимеризация.

ADDITIONAL MATERIALS:

Все производные из сырой нефти нефтепродукты разделяются на две группы:

1) направляемые на непосредственное потребление (бензин, керосин, дизель­ное топливо, масла, котельно-печное топливо, кокс и др.);

2) используемые как сырье для нефтехимии (направляются на дальнейшую

переработку).

Роль нефти и природного газа в качестве исходного сырья для химической промышленности уникальна. В настоящее время более трети общего объема про­дукции мировой химической промышленности вырабатывается из нефтегазового сырья. На основе нефтяных углеводородов возникло производство синтетическо­го каучука, этилового спирта, пластмасс, синтетических волокон и материалов, моющих средств и ряда других продуктов.

Исходным сырьем для получения нефтехимических продуктов служат глав­ным образом непредельные и ароматические углеводороды. Непредельные углеводороды, имеющие важное значение для органического синтеза, составляют группу олефинов. К ней относятся этилен С2Н4, пропилен C3H6, бутилен С4Н8 и т. д. Они практически отсутствуют в природной нефти и газе, но образуются при их крекинге. Наиболее важным по масштабам и разнообразию использования в качестве нефтехимического сырья из непредельных углеводородов газов является этилен. Для его получения производят пиролиз углеводородных газов (этана и т.д.). Этилен применяется для получения полиэтилена, окиси этилена, этилового спирта, стирола, хлористого этилена и т. д.

Для производства синтетических материалов необходимы аром ызде уг­леводороды - бензол, толуол, ксилол, нафталин и др. Они образуются в процессе каталитического риформинга.

В нефти и природных газах содержится несколько сот различных углеводородов. А число продуктов их переработки исчисляется тысячами. Основной процесс, при помощи которого из промежуточных продуктов получаются различные синте­тические вещества и материалы, - полимеризация. При полимеризации молекула непредельных углеводородов, например этилена С2Н4, соединяется с другими та­кими же молекулами за счет раскрытия имеющихся у них двойных связей. В результате образуется новая молекула, состоящая из большого числа молекул этиле­на. Таким образом, из газа этилена получается твердый полиэтилен - (С 2Н4)n, где

n - число соединяющихся молекул этилена. Оно может достигать десятков и сотен тысяч. В зависимости от его величины известны различные виды полиэтилена.

Путем полимеризации получаются полистирол, поливинилхлорид и другие полимеры, составляющие обширную группу пластмасс и синтетических смол. Производя хлорирование полихлорвинила при 90-100°С, получают перхлорвиниловую смолу. Эта смола применяется как лаковое покрытие для химической аппаратуры, поскольку обладает высокой химической стойкостью. Исключитель­ной химической стойкостью обладает полимер тефлон, относящийся к группе фторопластов. Он получается путем полимеризации молекул этилена, в которых атомы водорода заменены атомами фтора.

Полимеры различных углеводородов (полиамиды, полиэфиры, поливинилы, полиолефины) используются для производства различных синтетических волокон - капрона, нейлона, лавсана и др. Исходными продуктами для получения синтети­ческих волокон являются бензол, циклогексан, фенол и непредельные газообраз­ные углеводороды.

Синтетическое моющее средство сульфонал получают путем полимеризации пропилена в присутствии фосфорнокислого катализатора при 180 - 230°С и дав­лении 7-8 МПа. Из него изготовляют стиральные порошки.

Среди нефтехимической продукции одно из первых мест занимает этиловый спирт С2Н50Н. Его получают либо окислением этана С2Н6, либо гидратацией (реакция с водой) этилена. Раньше на производство этилового спирта расходова­лось огромное количество пищевых продуктов.

Путем окисления парафиновых углеводородов получают целый ряд важных продуктов: высшие спирты, синтетические жирные кислоты, формальдегид, метанол, уксусную кислоту, ацетон и др.

Высшие спирты, содержащие в каждой молекуле 8-20 атомов углерода, полу­чают окислением фракций углеводородов, выкипающих до 50 °С, азотнокислородной смесью в присутствии борной кислоты при 165-170° С. Синтетические жир­ные кислоты образуются при окислении воздухом твердого нефтяного парафина При 80-180 °С в присутствии катализаторов. Получаемые жирные кислоты широко применяют в производстве мыла, заменяя, таким образом, пищевые жиры.

LESSON #5

Наши рекомендации