6.2. Технологія переробки нафти

Нафтопереробна промисловість посідає одне з головних місць у народному господарстві країни. Сира нафта, що надходить на нафтоперегонні підприємства, переробляється на моторне паливо високої якості, мастильні й спеціальні масла різноманітного асортименту, бітуми і воскові суміші, парафіни, сажу, кокс для електродів. Щільність нафти знаходиться в межах 780-1040 кг/м³. Нафту щільністю нижче 900 кг/м³ відносять до легких сортів, понад 900 кг/м³ – до важких. Щільність нафти залежить від вмісту в ній легких фракцій і в першому наближенні характеризує її склад, визначає напрямок переробки нафти, а також асортимент і якість вироблюваної продукції. Сира нафта містить домішки: воду (10-30 %), розчинені солі, частки породи (3-5 %), а також газоподібні фракції вуглеводнів – побіжні гази (1-4 %), що при атмосферному тиску інтенсивно випаровуються, тягнучи із собою і частки низькокиплячих фракцій. Тому для запобігання втрат цих фракцій видобуту нафту направляють в спеціальні випарники (трапи), де відбувається відділення газів, які піддають подальшій переробці.

Вільна вода разом із механічними домішками відокремлюється від нафти у відстійниках. Для руйнації дрібних крапельок води на нафту впливають перемінним електричним полем в спеціальних апаратах-електродегідраторах, усередині яких є сітки, що утворюють обкладки конденсатора. Крапельки солоної води, що є електропровідником, інтенсивно коливаються в електричному полі, і, змішуючись, утворюють більш великі краплі, що стікають униз. Зневоднена нафта піднімається через верхні сітки і подається на переробку.

Процес перегонки заснований на явищах випарення і конденсації суміші речовин із різними температурами кипіння. Технологічний процес перегонки нафти складається з чотирьох операцій: нагрівання суміші, випарення, конденсації й охолодження отриманих фракцій.

Нагрівання нафти і нафтопродуктів здійснюється в трубчастих печах, що мають по 3-4 камери. Спочатку холодний продукт надходить у конвекційні камери, де підігрівається газами, що відходять, а потім у радіаційні. Підігрів в печі відбувається до температури 300-500°С.

Рис. 6.3.Ректифікаційна колона:

1 – шолом;

2 – тарілки;

3 – візуальні люки;

4 – переливна труба;

5 – труба сполучення;

6 – каскадні тарілки.

Поділ сумішей на фракції при перегонці проводиться в ректифікаційних колонах (рис.6.3),що являють собою циліндричний апарат висотою 25-55 м, діаметром 5-7 м, із внутрішніми горизонтальними перегородками (тарілками), розташованими одна над одною. У перегородках є щілини, прикриті ковпаками, які перепиняють шлях парі, що піднімається, і зливи, призначені для стікання надлишку рідини на тарілці.

Нагріту в печі суміш подають у нижню частину колони. Тиск у колоні нижчий, ніж у трубках печі, тому суміш закипає і розділяється на дві фази: пароподібну і рідку. Рідкі продукти стікають униз, а пара піднімається нагору по колоні.

У верхню частину колони подається зрошувальна рідина (флегма) – легка фракція, що перетікає униз із тарілки на тарілку по переливних патрубках. Пара, що піднімається знизу, підходить під ковпак і барботує через прошарок рідини на тарілці. Зустрічаючись із гарячою парою, зрошувальна рідина нагрівається і частково випаровується. Пара, віддаючи їй тепло, конденсується, а конденсат стікає в нижню частину колони. Цей процес багаторазово повторюється за усією висотою колони на кожній тарілці. В міру підйому з тарілки на тарілку температура парів і флегми зменшується. Температура регулюється існуючою подачею холодної легкої фракції для зрошення.

Фракційний склад флегми і пари з висотою колони безупинно змінюється: флегма, що стікає униз, усе більше збагачується важкими фракціями, а пара, що піднімається нагору – легкими. Насподі колони збирається рідина, що містить важкі фракції (мазут). Легкі фракції піднімаються по колоні нагору, поступово охолоджуючись. Найлегша бензинова фракція при температурі 180-200°С відводиться з колони у виді пари у конденсатор і відокремлюється від води в сепараторі.

З проміжних тарілок колони відводяться середні фракції: гасова, що кипить при 200-300°С, і газойлева (300-350°С). Іноді відводять також проміжні фракції, наприклад, лігроїни (160-200°С) і гасогазойлеву (270-320°С).

Мазут розділяють на фракції вакуумною установкою: на легку фракцію (важкий газойль), проміжну (масляні дистиляти: веретенний, машинний, циліндровий) і важку (гудрон).

Продуктивність ректифікаційних колон складає 3-9 тис. т нафти на добу, вакуумних установок – 1,5-3 тис. т мазуту на добу.

Таким чином, продукти перегонки нафти можна розподілити на три групи: паливні, масляні дистиляти і гудрон.

Найціннішою є паливна фракція – бензинова, вихід бензинів із нафти складає 3-15 %, для легкої нафти – до 20 %.

Лігроїни прямої перегонки використовуються для подальшої переробки на бензин і розчинники для лакофарбової промисловості, їхній вихід складає 7-10 %.

Гаси – освітлювальний, моторний, компоненти реактивних і дизельних видів палива, вихід – 8-20 %.

Легкі газойлі (соляр) є основою дизельних видів палива, а важкі – як сировина для подальшої переробки (крекінгу); їхній вихід складає в середньому 7-15 %.

Мазут – фракція, що містить вуглеводні, парафін, масляні й смолисті речовини. Легкі мазути застосовують як паливо для котельних і газових турбін; вихід мазуту – 50-60 %.

Масляні дистиляти – важкі фракції, з яких одержують різноманітні мастильні й спеціальні масла; їхній вихід – біля 20-25 %. Гудрон складається зі смолистих речовин, парафінів і важких вуглеводнів і служить напівфабрикатом, із якого одержують бітуми і кокс для електродів; його вихід – 15-30%.

Порівняно малий вихід бензину при прямій перегонці обумовив необхідність розробки методу одержання легких фракцій із важких упровадженням крекінг-процесу.

Крекінг, піроліз і риформінг нафтопродуктів. Переробка нафти звичайною перегонкою, тобто фізичним методом, не змінює хімічного складу нафти і її продуктів, не руйнує і не створює вуглеводнів, а лише розділяє нафту на її складові. Перегонкою не можна одержати з нафти більш того, що природно в ній міститься. Наприклад, у нафті міститься 10-15% бензину, і одержати більшу кількість бензину перегонкою неможливо.

Для значного збільшення виходу з нафти легких продуктів і насамперед бензину поряд із фізичними зараз застосовують і хімічні методи переробки нафтопродуктів, засновані на зміні їхнього хімічного складу. Цими новими методами є крекінг і піроліз. Сутність їх полягає в тому, що переробку нафтопродуктів здійснюють в умовах, за яких окремі вуглеводні розщеплюються (розпадаються на частини) і утворюють нові, більш легкі вуглеводні (із меншим числом атомів вуглецю) (рис. 6.4).Таким шляхом досягається збільшення виходу бензину й інших легких продуктів поверх тієї кількості, що міститься у вихідній сировині.

Крекінг (тобто розщеплення) виконують при температурі 475-500°С і тиску 2...7 МПа. Для активізації і відповідного напрямку крекінгу застосовують різноманітні каталізатори, найчастіше алюмосилікатні (як правило, синтетичні, іноді природні – бентонітові глини). Піроліз (що означає розкладання при високій температурі) здійснюється при атмосферному тиску, але при більш високих температурах (680-750°С).

Рис. 6.4.Розщеплення вуглеводню при крекінгу

Важкий вуглеводень-цетан С16Н34 розпадається на два легких вуглеводні: С8Н18 і октилен С8Н16

Крекінгом із важких нафтових фракцій (соляру, мазуту) одержують переважно бензин та інше легке моторне паливо. Піролізом зазвичай переробляють нафтові гази, бензини і гаси з метою одержання сировини (етилену, пропилену, бутадієну й ін.) для промисловості органічного синтезу і полімерів.

На передових нафтопереробних підприємствах, що застосовують новітню технологію виробництва, вихід легкого моторного палива дуже високий; із соляра, наприклад, одержують 60-80% високоякісного бензину й гасу і невеличку кількість газів і крекінгового залишку. Крекінг-бензин відзначається вищими антидетонаційними властивостями й цим перевершує бензин, одержуваний при перегонці нафти.

Одержувані при крекінгу і піролізі гази містять етилен, пропилен, бутилен та інші легкі вуглеводні. З них одержують спирти, синтетичний каучук, пластмаси і велику кількість інших продуктів.

Крекінговий залишок піддають коксуванню – процесу глибокого розкладання при температурі 480-650°С. У результаті утворюються нафтовий кокс, газ і рідкі нафтопродукти, у тому числі деяка кількість бензину. Нафтовий кокс може служити замінником кам’яновугільного коксу.

Таким чином, новітні методи переробки нафти відкривають найширші можливості для використання нафтопродуктів у всіх галузях народного господарства, повного забезпечення країни усіма видами рідкого палива і мастильних матеріалів, а також різноманітною хімічною сировиною без надмірного збільшення нафтовидобутку.

Риформінг – процес, застосовуваний для поліпшення якості бензину, підвищення його антидетонаційних властивостей (підвищення октанової кількості бензину). Використання високооктанового бензину значно підвищує потужність двигунів і економічну ефективність екс­плуатації автомобілів. Процеси риформінгу здійснюють при температурі 450-530°С і тиску 1,4-5,6 МПа за участю водню і наявності різноманітних каталізаторів (молібдену, платини, окису хрому і молібдену та ін.). У процесі риформінгу перетворюється структура молекул вуглеводнів бензину, зменшується вміст у ньому низькооктанових і збільшується вміст високооктанових вуглеводнів. У результаті одержують високооктановий бензин.