Тема 5. Нефть и нефтепереработка

Первичная переработка нефти

Нефть – есть смесь углеводородов разных классов (в том числе содержащих S, P, азот) с водой и некоторыми другими неорганическими соединениями в форме эмульсии. Эта эмульсия является устойчивой в условиях нефтеносных пород.

После добычи нефть подвергают первичной очистки методом сепарации, в ходе которой происходит разрушение эмульсии и расслоение нефти на углеродный слой и водный слой.

Углеводородный слой отделяют и очищают в абсорберах от соединений серы и азота промывкой олеумом (смесь H₂SO₄ и SO₃).

Абсорбция – поглощение объемом.

Адсорбция – поглощение поверхностью.

После очистки нефть подвергают первичной переработки путем фракционной перегонки с помощью ректификационных колонн (процесс ректификации), в ходе которой получаются нефтепродукты в виде фракций.

Фракция – вещество или смесь веществ выкипающих полностью при определенном интервале температур.

Разделения в ходе перегонки нефти на нефтепродукты происходит за счет многократного процесса испарения и конденсации в ректификационной колонне.

Принципиальная схема для промышленной перегонки нефти приведена на рис. 1 . Исходная нефть прокачивается насосом через теплообменники 4, где нагревается под действием тепла отходящих нефтяных фракций и поступает в огневой подогреватель (трубчатую печь) 1. В трубчатой печи нефть нагревается до заданной температуры и входит в испарительную часть (питательную секцию) ректификационной колонны 2. В процессе нагрева часть нефти переходит в паровую фазу, которая при прохождении трубчатой печи все время находится в состоянии равновесия с жидкостью. Как только нефть в виде парожидкостной смеси выходит из печи и входит в колонну (где в результате снижения давления дополнительно испаряется часть сырья), паровая фаза отделяется от жидкой и поднимается вверх по колонне, а жидкая перетекает вниз. Паровая фаза подвергается ректификации в верхней части колонны, считая от места ввода сырья. В ректификационной колонне размещены ректификационные тарелки, на которых осуществляется контакт поднимающихся по колонне паров со стекающей жидкостью (флегмой). Флегма создается в результате того, что часть верхнего продукта, пройдя конденсатор-холодильник 3, возвращается на верхнюю тарелку и стекает на нижележащие, обогащая поднимающиеся пары низкокипящими компонентами.

Для ректификации жидкой части сырья в нижней части ректификационной части колонны под нижнюю тарелку необходимо вводить тепло или какой-либо испаряющий агент 5. В результате легкая часть нижнего продукта переходит в паровую фазу и тем самым создается паровое орошение. Это орошение, поднимаясь с самой нижней тарелки и вступая в контакт со стекающей жидкой фазой, обогащает последнюю высококипящими компонентами.

В итоге сверху колонны непрерывно отбирается низкокипящая фракция, снизу — высококипящий остаток.

В качестве испаряющего агента используются пары бензина, лигроина, керосина, инертный газ, чаще всего — водяной пар.

В присутствии водяного пара в ректификационной колонне снижается парциальное давление углеводородов, а следовательно их температура кипения. В результате наиболее низкокипящие углеводороды, находящиеся в жидкой фазе после однократного испарения, переходят в парообразное состояние и вместе с водяным паром поднимаются вверх по колонне. Водяной пар проходит всю ректификационную колонну и уходит с верхним продуктом, понижая температуру в ней на 10 — 20°С.На практике применяют перегретый водяной пар и вводят его в колонну при температуре, равной температуре подаваемого сырья или несколько выше (обычно не насыщенный пар при температуре 350 — 450°С под давлением 0,2 —0, 3 МПа).

В ходе ректификации нефти получают фракции следующих нефтепродуктов:

1. петролейный эфир (t_кип. 34-56С°)

2. «пищевой бензин» (t_кип. 50-78С°)

3. бензин (t_кип. 70-150С°)

4. лигроин (t_кип. 140-210С°)

5. керосин (t_кип. 190-280С°)

6. газойль (t_кип. 270-320С°)

7. мазут

Вторичная переработка нефти

С целью получения светлых ценных фракций используют методы превращения в них мазута, а именно крекинг – процесс, в ходе которого длинные цепочки углеводородов, составляющих мазут, температуры или температуры и катализатора, превращаются в более короткие цепочки углеводородов, составляющих светлые фракции.

В ходе крекинга (разламывания) кроме разрыва на примерно равные части происходит и их сливания с образованием асфальтоподобных продуктов, и более глубокий разрыв цепочек с образованием газообразных продуктов. Кроме того в ходе крекинга может происходить образование водорода. Термический крекинг проводят при температурах от 450С° - 700С° в трубчатых реакторах (печах крекинга) под давлением (5-6 атмосфер) с последующей разгонкой продуктов реакции с помощью ректификации.

Крекингом получают бензин и солярку.

Выход газообразных продуктов после крекинга достигает 75%, асфальтоподобных – до 60%. Соответственно выход светлых ценных фракций не превышает 25-30%.

Следует отметить также низкое качество крекинг продуктов в виду наличия большой части в них непредельных углеводородов. С другой стороны сравнительная простота метода и возможность перерабатывать мазут с большим количеством серы позволяет уменьшить капиталоемкость оборудования и диверсифицировать сырье. Для получения высококачественных продуктов с высоким выходом используют каталитический крекинг. Известно, что побочные реакции образования газообразных продуктов при термическом крекинге протекают из-за высокой температуры. Понижение температуры с одной стороны увеличивают долю полезных нефтепродуктов, но с другой стороны понижают степень конверсии самого процесса.

Степень конверсии – отношение количества сырья претерпевшего химическое превращение к общему количества сырья введенного в технологический процесс.

Использование катализатора позволяет понизить температурный режим процесса крекинга при сохранении скорости реакции. Следовательно, каталитический крекинг позволяет повысить селективность процесса при сохранении такой же степени конверсии, как и при термическом крекинге.

Каталитический крекинг проводят в реакторах типа трубчатый реактор в присутствии катализатора оксид алюминия (Al₂O₃) активированный оксидами щелочных металлов при температуре 350-450 С° при давлении водорода (6-7 атмосфер). Выход газообразных водородов до 5%, асфальтоподобных продуктов до 20%. Соответственно светлые фракции имеют выход до 80%.

После прохождения реакции каталитического крекинга продукты реакции разделяют ректификацией. Полученные светлые фракции продуктов каталитического крекинга относят к высококачественным топливам.

Каталитический крекинг сложнее, требует больших капиталовложений и сужает сырьевую базу.

Риформинг (облагораживание) нефтепродуктов:

Используется как для изомеризации топлив с целью придания им высокого октанового вещества, так и для направленного превращения углеводородов светлых фракций в смеси углеводородов одного класса (вид риформинга - платформинг), например для циклизации или для ароматизации углеводородов.

Риформинг проводят в присутствии катализатора (палладий, платина, родий), нанесенного на пористую поверхность алюминия под давлением водорода при t 250-350С°.

Платформинг проводят на металлической платинородиевой сетке.

Продукты риформинга после отделения от газообразных веществ подвергают ректификации.

Целостный имущественный комплекс нефтеперерабатывающего завода имеющий в своем составе все технологические системы нефтепереработки имеет намного более высокую величину капитализации, чем просто сумма капитальных вложений в эти технологические системы. Соответственно стоимость нефтеперерабатывающего предприятия нелинейно увеличивается по мере завершенности технологического вооружения НПЗ.