Первичная переработка нефти

Процессы нефтепереработки

Сырая нефть впервые в значительных количествах была добыта в 1880 г, с тех пор ее добыча росла экспоненциально. Сырая нефть является смесью химических веществ, содержащей сотни компо­нентов. Основную массу нефти составляют углеводороды — алканы, циклоалканы, арены. Содержание в нефтях алканов (предельных углеводородов) может составлять 50—70%. Циклоалканы могут со­ставлять 30—60% общего состава сырой нефти, большинство из них является моноциклическими. Наиболее часто можно обнару­жить циклопентан и циклогексан. Непредельные углеводороды (алкены), как правило, в нефти отсутствуют. Арены (ароматиче­ские углеводороды) составляют меньшую долю общего состава по сравнению с алканами и циклоалканами. В легкокипящих фрак­циях нефти преобладают простейший ароматический углеводород бензол и его производные.

Помимо углеводородов в составе органической части нефти находятся смолистые и асфальтовые вещества, представляющие собой высокомолекулярные соединения углерода, водорода, серы и кислорода, сернистые соединения, нафтеновые кислоты, фено­лы, азотистые соединения типа пиридина, хинолина, различные амины и др. Все эти вещества являются нежелательными приме­сями нефти. Для очистки от них требуется сооружение специаль­ных установок. Сернистые соединения, вызывающие коррозию аппаратуры, наиболее вредны как при переработке нефти, так и при использовании нефтепродуктов. К минеральным примесям нефти относят воду, присутствую­щую, как правило, в двух видах — легко отделяемую от нефти при отстаивании и в виде стойких эмульсий. Вода содержит раство­ренные в ней минеральные соли — NaCI, СаС1₂, MgCl, и др. Зола составляет в нефти сотые и тысячные доли процента. Кроме того, в нефти имеются механические примеси — твердые частицы песка и глины.

 

Важнейшие нефтепродукты

Из нефти в процессе переработки получают топливо (жидкое и газообразное), смазочные масла и консистентные смазки, раство­рители, индивидуальные углеводороды — этилен, пропилен, ме­тан, ацетилен, бензол, толуол, ксилол и др., твердые и полутвер­дые смеси углеводородов (парафин, вазелин, церезин), нефтяные битумы и пеки, технический углерод (сажу) и др.

Жидкое топливо подразделяют на моторное и котельное. Мо­торное топливо, в свою очередь, делят на карбюраторное, реак­тивное и дизельное. Карбюраторное топливо включает в себя авиа­ционные и автомобильные бензины, а также тракторное топливо — лигроины и керосины. Топливо для авиационных реактивных дви­гателей представляет собой фракции керосина различного состава или их смесь с бензиновыми фракциями (авиакеросины). Дизель­ное топливо содержит газойли, соляровые фракции, применяемые в поршневых двигателях внутреннего сгорания с зажиганием от сжатия. Котельное топливо сжигается в топках тепловозов, паро­ходов, тепловых электростанций, в промышленных печах и под­разделяется на мазут топочный, топливо МП для мартеновских печей.

К газообразному топливу относят углеводородные сжижен­ные топливные газы, применяемые для коммунально-бытового обслуживания. Это смеси пропана и бутана в разных соотно­шениях.

Смазочные масла, предназначенные для жидкостного смазыва­ния в различных машинах и механизмах, подразделяют в зависи­мости от применения на индустриальные, турбинные, компрес­сорные, трансмиссионные, изоляционные, моторные. Специальные масла предназначены не для смазывания, а для применения в ка­честве рабочих жидкостей в тормозных смесях, гидравлических устройствах, пароструйных насосах, а также в трансформаторах, конденсаторах, маслонаполненных электрокабелях в качестве электроизолирующей среды. Названия этих масел отражают об­ласть их использования, например трансформаторное, конденса­торное и т. п.

Консистентные смазки представляют собой нефтяные масла, загущенные мылами, твердыми углеводородами и другими загустителями. Все смазки делят на два класса: универсальные и спе­циальные. Смазки отличаются большим многообразием, их насчи­тывается свыше ста наименований.

Индивидуальные углеводороды, получаемые в результате перера­ботки нефти и нефтяных газов, служат сырьем для производства полимеров и продуктов органического синтеза. Из них наиболее важны предельные — метан, этан, пропан, бутан и др.; непредель­ные — этилен, пропилен; ароматические — бензол, толуол, ксило­лы. Помимо перечисленных индивидуальных углеводородов про­дуктами переработки нефти являются предельные углеводороды с большой молекулярной массой (С₁₆ и выше) — парафины, цере­зины, применяемые в парфюмерной промышленности и в виде загустителей для консистентных смазок.

Нефтяные битумы, получаемые из тяжелых нефтяных остатков их окислением, используют для дорожного строительства, получе­ния кровельных материалов, приготовления асфальтовых лаков и полиграфических красок и др.

Одним из главных продуктов переработки нефти является мо­торное топливо, которое включает в себя авиационные и автомо­бильные бензины. Важное свойство бензина, характеризующее его способность противостоять преждевременному воспламенению в камере сгорания,— детонационная стойкость. Стук в двигателе указывает обычно на то, что произошло опережающее взрывное воспламенение и энергия израсходована бесполезно.

По эмпирической шкале, введенной в 1927 г., принимают октановое число для н-гептана, который очень легко детонирует, равным нулю, а для изооктана, обладающего высокой стойкостью к детонации, равным 100. Если, например, испытуе­мый бензин по детонационной стойкости оказался при испытаниях эквивалентным смеси, состоящей из 80% изооктана и 20% н-геп­тана, то его октановое число равно 80. Со времени введения шка­лы были найдены эталоны, превосходящие по детонационной стойкости изооктан, и в настоящее время октановая шкала расши­рена до 120.

Определение октанового числа различных углеводородов по­казало, что в ряду алканов октановое число повышается по мере их разветвления и понижается с возрастанием длины углеводород­ной цепи. Октановое число алкенов выше, чем соответствующих алканов, и повышается по мере смещения двойной связи к центру молекул. У циклоалканов октановое число выше, чем у алканов. Наиболее высокие октановые числа имеют ароматические углево­дороды; так, например, октановое число н-пропилбензола равно 105, этилбензола— 104, толуола — 107.

Бензин, полученный в процессе прямой перегонки нефти, со­стоит в основном из алканов с октановым числом 50—70. Для по­вышения октанового числа осуществляют обработку, в результате которой углеводороды бензина изомеризуются с образованием более благоприятных структур, а также используют антидетона­торы — вещества, которые добавляют к бензинам в количестве не более 0,5% для значительного увеличения их детонационной стой­кости.

В качестве антидетонатора впервые начали применять тетраэтилсвинец (ТЭС) РЬ(С₂Н₅)₄, промышленный выпуск которого начался в 1923 г. Ипользуют также и другие алкилы свинца, на­пример тетраметилсвинец. К новым добавкам относятся карбонилы переходных металлов. Антидетонаторы, в частности ТЭС, при­меняют в смеси с этилбромидом, дибромэтаном, дихлорэтаном, монохлорнафталином (этиловая жидкость). Бензины с добавлени­ем этиловой жидкости называются этилированными. Этиловая жидкость очень ядовита, и при обращении с ней и этилированны­ми бензинами необходимо соблюдать специальные правила пре­досторожности.

 

Первичная переработка нефти

Подготовка нефти к переработке. Сырая нефть содержит раст­воренные в ней газы, называемые попутными, воду, минеральные соли, различные механические примеси. Подготовка нефти к пе­реработке сводится к выделению из нее этих включений и нейтра­лизации химически активных примесей.

Выделение из нефти попутных газов проводится в газоотдели­телях уменьшением растворимости газов вследствие снижения давления. Затем газы направляются для дальнейшей переработки на газобензиновый завод, где из них извлекают газовый бензин, этан, пропан, бутан. Окончательное отделение газов от нефти про­исходит в стабилизационных установках, где они отгоняются в спе­циальных ректификационных колоннах.

В специальном подогревателе выделяют из нефти легкие бензи­новые фракции, а затем, добавив в нее деэмульгатор, направляют в отстойные резервуары. Здесь происходят освобождение нефти от песка и глины и обезвоживание. Для разрушения эмульсий и уда­ления воды применяют различные способы, в том числе термохи­мическую обработку под давлением. Более качественным способом разрушения эмульсий является электрический способ, заключаю­щийся в пропускании нефти между электродами, включенными в цепь переменного электрического тока высокого напряжения (30—45 кВ). При обезвоживании нефти происходит и удаление зна­чительной части солей (обессоливание).

Присутствующие в нефти химически активные примеси в виде серы, сероводорода, солей, кислот нейтрализуются растворами щелочей или аммиака. Этот процесс, имеющий целью предотвра­щение коррозии аппаратуры, называется защелачиванием нефти.

Кроме того, подготовка нефти к переработке включает в себя сортировку и смешение нефтей для получения более равномерного по составу сырья.

Перегонка нефти. Первичная перегонка нефти — первый техно­логический процесс переработки нефти. Установки первичной переработки имеются на каждом нефтеперерабатывающем заводе.

Перегонка, или дистилляция,— это процесс разделения смеси взаимнорастворимых жидкостей на фракции, которые отличаются по температурам кипения как между собой, так и с исходной сме­сью. На современных установках перегонка нефти проводится с применением однократного испарения. При однократном испарении низкокипящие фракции, перейдя в пары, остаются в аппарате и снижают парциальное давление испаряю­щихся высококипящих фракций, что дает возможность вести пе­регонку при более низких температурах.

При однократном испарении и последующей конденсации па­ров получают две фракции: легкую, в которой содержится больше низкокипящих компонентов, и тяжелую, с меньшим числом низкокипящих компонентов, чем в исходном сырье, т. е. при перегон­ке происходит обогащение одной фазы низкокипящими, а другой высококипящими компонентами. При этом достичь требуемого разделения компонентов нефти и получить конечные продукты, кипящие в заданных температурных интервалах, используя пере­гонку, нельзя. В связи с этим после однократного испарения неф­тяные пары подвергают ректификации.

На установках первичной перегонки нефти однократное испа­рение и ректификация, как правило, совмещаются. Для перегонки нефти используют одно- и двухступенчатые трубчатые установки. Теплоту, необходимую для проведения процесса, получают в труб­чатых печах.

В зависимости от общей схемы нефтеперерабатывающего завода и свойств поступающей для переработки нефти перегонку ведут либо на атмосферных трубчатых установках (AT), либо на установках, сочетающих атмосферную и вакуумную перегонку,— атмосферно-вакуумных трубчатых установках (АВТ).

По высоте колонны отбираются дистилляты различного состава в строго определенных интервалах температур. Так, при 300—350 °С конденсируется и отбирается соляровое масло, при 200-300 °С — керосин, при 160—200 °С — лигроиновая фракция. Из верхней части колонны выводятся пары бензина, которые охлаждаются и конденсируются в теплообменниках. Часть жидкого бензи­на подают на орошение колонны. В ее нижней части собирается мазут, который подвергают дальнейшей перегонке для получения из него смазочных масел во второй ректификационной колонне, работающей под вакуумом во избежание рас­щепления углеводородов под воздействием высоких температур. Гудрон ис­пользуется как сырье для термического крекинга, коксования, производства битума и высоковязких масел.