4. Нафтопереробна промисловість

У світі пальне роблять з нафти. Нафта – це продукт природного розкладання органічних залишків живих організмів у товщі земної ко­ри. Під дією температури і тиску в присутності каталізаторів органічні речовини перетворилися на суміш рідких вуглеводнів різної будови і їхніх сполук з іншими елементами.

Перший нафтопереробний завод в Україні був побудований у 1816 р. у м. Дрогобичі (Львівська обл.). Цим був розпочатий процес перероб­ки нафти не тільки в Україні, а й у всій Європі.

Склад і класифікація нафти

Нафта являє собою маслянисту рідину від жовтого до чорного кольору з характерним запахом і щільністю в межах 780 – 1040 кг/м³.

Нафту щільністю нижче 900 кг/м³ називають легкою, вище 900 кг/м³ –

важкою.

Видобуток і підготовка нафти до переробки

Нафта, просочуючись крізь пористі породи затримується в склад­ках або зрушеннях щільних порід і формується в поклади. Для її видо­бутку свердлять шпари, глибина яких звичайно досягає 1 – 2 тис. м; глибинне ж свердління проводять на 3 – 4 і навіть 5 тис. м.

Видобуток нафти здійснюється двома способами: фонтанним та глибинно-насосним.

При фонтанному способі видобутку нафта під пластовим тиском до 40 МПа піднімається до гирла шпари і через спеціальну арматуру висо­кого тиску надходить на очищення, а потім у герметизовані ємності або нафтопроводи. Фонтанний спосіб видобутку нафти застосовується тільки в початковий період існування шпар, коли тиск у шарі досить високий. Він продуктивний (20 – 40 т за добу) і дешевий.

При глибинно-насосному способі на дно шпари опускається спеціальний насос, що підкачує нафту до гирла шпари. Одержувана зі шпари нафта містить домішки: воду (10 – 30 %), розчинені в ній солі, частки породи (3 – 5 %), а також газоподібні фракції вуглеводнів – су­путніх газів (1 – 4 %).

Класифікація та властивості нафтопродуктів

Після переробки нафти отриману продукцію можна умовно роз­ділити на три групи:

• палива, що одержують з нафти, за призначенням поділяються на зріджені та стиснуті паливні гази, рідкі палива для карбюраторних дви­гунів (бензин, гас), для двигунів із запаленням від стиску (дизельне па­ливо), для реактивних двигунів (реактивне паливо), для котельних установок (котельне паливо);

• мастила розділяються на моторні, індустріальні, мастила для роботи при підвищеній температурі, спеціальні мастила;

• інші продукти – це всі продукти нафтопереробки, за винятком тих, котрі використовуються як сировина для подальшої хімічної пере­робки (розчинники, керосини для освітлення, парафін, вазелін, бітуми нафтові, пек, просочувальні матеріали, електродний кокс та сажа). |

Особливу групу складають продукти, що є сировиною для орга­нічного або нафтохімічного синтезу. До них належать низькомолеку­лярні насичені вуглеводні (метан, етан, пропан, бутан), низькомолеку­лярні ненасичені вуглеводні – олефіни (етилен, пропілен, бутилен і ін.), ароматичні вуглеводні і їхні похідні (бензол, толуол, ксилол, наф­талін і ін.), сірчисті та сполуки, що містять кисень.

Марки, властивості й основні показники якості більшості нафто­продуктів регламентовані стандартами.

Для бензину найбільш важлива властивість – антидетонаційна стійкість, що визначається октановим числом. Октанове число визна­чається відсотковим вмістом малосхильного до детонації ізооктану (С₈Н₁₈) порівняно з присутнім у паливі нормальним гептаном (С₇Н₁₆), що згоряє з вибухом і викликає передчасний знос двигуна. Оскільки детонаційна стійкість ізооктану умовно прийнята за 100 одиниць, а н-гептана за 0, якість палива тим краща, чим більше в ньому ізооктану і, отже, чим вище октанове число. Автомобільні бензини мають октанові числа 66, 72, 76, 93, 95 та 98, авіаційні – 70, 91, 95, 100, тракторний бензин – 40 і 45.

Однією з найважливіших властивостей дизельного палива є його здатність займатись при впирскуванні в камеру згоряння, де знахо­диться стиснуте повітря. Займистість дизельного палива оцінюється цетановим числом, що дорівнює об'ємному вмістові цетану (С_1бН₃₄) у такій його суміші з метилнафталіном, що при стандартних умовах вип­робовувань має однакову займистість з досліджуваним паливом. Най­більше цетанове число (до 70 – 80) характерне для парафінових вугле­воднів нормального ряду, найменше – для ароматичних вуглеводнів. Таким чином, чим більше цетанове число, тобто чим більше в паливі па­рафінів і менше ароматичних сполук, тим вища якість дизельного палива. Для тихохідних двигунів (з числом обертів менше 1000 за хвилину) ви­користовуються солярові масла з цетановим числом від 40 до 50.

Реактивне паливо застосовують у реактивних і газотурбінних двигу­нах. В основному це керосини, що містять бензинові й важкі фракції і різні присадки, призначення яких збільшити термічну стабільність па­лива, підсилити мастильні і послабити абразивні властивості продуктів згоряння.

Мастила застосовуються у всіх двигунах, що рухаються, для змен­шення тертя і відводу тепла, що досягається завдяки утворенню на по­верхні тіл, що труться, масляної плівки. Кращими температурно-в'язкісними властивостями і найбільшою стійкістю характеризуються ароматичні вуглеводні. Для забезпечення необхідного терміну служби мастило повинно бути стійким до окислювання і дії високих температур, мати корозійну стійкість.

Консистентні мастила одержують додаванням до мастил загусників – мила, сульфідів, силікатів тощо і спеціальних присадок, що приводить до поліпшення в'язкісно-температурних властивостей і робить їх при­датними до застосування в тих випадках, коли звичайне рідке мастило не може бути використане через особливі умови роботи або конструк­ції вузла тертя.

Технологічні процеси перероблення нафти

Пряма або фракційна перегонка нафти. Практично вся сира нафта після попереднього очищення піддаєть­ся перегонці на фракції, фракційна перегонка заснована на різниці в температурі кипіння окремих фракцій вуглеводнів, близьких за фізич­ними властивостями.

З вихідної суміші одержують три фракції. Одна з них, що залишилася рідкою при кипінні, містить переважно висококиплячі компоненти; друга, що сконденсувалася, має склад, близький до складу вихідної суміші; третя, пароподібна, містить переважно низкокиплячі компоненти.

За рахунок однократних або багаторазових процесів кипіння і кон­денсації отриманих фракцій можна домогтися досить повного поділу низько- і висококиплячих компонентів. Така перегонка дозволяє розділити нафту на фракції за температурами їхнього кипіння.

Технологічний процес перегонки складається з чотирьох операцій: нагрівання суміші, випаровування, конденсації й охолодження отри­маних фракцій.

Нагрівання нафти і нафтопродуктів здійснюються в трубчастих пе­чах, поділ сумішей на фракції проводиться в ректифікаційних колонах.

Продукти прямої перегонки нафти умовно розділяють на три групи: паливні фракції, масляні дистиляти і гудрон. Найбільш цінна масляна фракція – бензинова (температура кипіння до 180 – 200 °С, С₅ – С₁₁). Вихід бензинів при прямій перегонці нафти становить тільки 3 – 15 %. Наступна масляна фракція – лігроїни (температура кипіння 105 – 220 °С, С₈ – С₁₂). Звичайно вихід лігроїнової фракції становить 7 – 10 %. Вихід керосинів – ще однієї масляної фракції з температурою кипіння 140 – 330 °С, що містить вуглеводні С₉ – С₁₈, – становить 8 – 20 %. Далі відокремлюється газойль (температура кипіння 180 –400 °С, С₁₂ – С₂₄) з виходом 7 –15 % і, нарешті, мазут (температура кипіння вище 300 °С, містить, крім вуглеводнів, парафін, маслянисті і смолисті речовини), вихід якого найбільший – 50 – 60 %.

Масляні дистиляти відокремлюються при температурі 350 – 550 °С. Вихід масляних дистилятів з нафти стано­вить 20 – 25 %.

Гудрон складається зі смолистих речовин, парафінів і важких вугле­воднів циклічної будови, вихід його залежить від повноти відгону мас­тил і звичайно становить 15 – 30 %.

Таким чином, первинна переробка нафти дає лише грубі фракції порівняно невисокого виходу і низької якості. Тому більшість з цих фракцій піддають додатковій вторинній термічній переробці.

Крекінг нафтопродуктів, термічний і каталітичний

Порівняно малий вихід бензину 3 – 15 % при прямій перегонці наф­ти обумовив необхідність розробки методу одержання легких фракцій з важких з використанням крекінг-процесу.

Крекінг (розщеплення, руйнування) нафтопродуктів полягає в розщепленні довгих молекул вуглеводнів, що входять у висококиплячі фракції, на більш короткі молекули легких, низькокиплячих про­дуктів.

Головний фактор, що викликає руйнування молекул, – температу­ра, одночасно великий вплив на хід і напрямок процесу крекінгу ма­ють каталізатори. Розрізняють два види крекінгу: термічний і каталітичний.

Термічний крекінг – найбільш розповсюджений вид переробки нафтопродуктів. Найчастіше його ведуть під високим тиском (темпе­ратура 450 – 500 °С і тиск 2 – 7 МПа).

Способи очищення нафтопродуктів

Відомі такі способи очищення нафтопродуктів:

• хімічні;

• адсорбційні;

• селективні;

• каталітичні.

Вибір способу очищення залежить від природи домішки і від цільо­вого призначення нафтопродукту.

Хімічні методи очищення полягають в обробці нафтопродуктів хімічними реагентами, найчастіше кислотами (Н₂SO₄) або лугами (NаОН), що взаємодіють зі смолистими, сірчистими, азотистими ре­човинами, нафтеновими кислотами, фенолами й ін.

Адсорбційне очищення полягає у використанні адсорбентів, так зва­них відбілюючих глин.

Домішки адсорбуються на поверхні глин і в такий спосіб видаляються з нафтопро­дуктів. Адсорбційне очищення, як правило, застосовують на завершальному етапі.

Селективне очищення засноване на вибірковому розчиненні у визначеному розчиннику продукту, що очищається, Цей метод є основним при виробництві високоякісних мастил.

При каталітичних методах очищення використовуються відповідні каталізатори. Один з розповсюджених методів очищення із застосу­ванням каталізатора – гідроочищення. Продукт, що очищується, обробляється воднем при підвищеному до 5 – 7 МПа тиску і при температурі 250 – 430 °С. Гідроочищенню піддають палива й мас­тила, що дозволяє майже цілком видалити з нафтопродуктів сірку.

Технологічні схеми сучасних нафтопереробних виробництв

В залежності від видів цільових продуктів розрізняють нафтопере­робні заводи трьох основних профілів: паливної, паливно-масляної, глибокої переробки нафти. На заводах першого профілю цільовими продуктами є палива, побічними – гази і нафтовий кокс.

На виробництвах паливно-масляного профілю цільовими продук­тами, крім палив, є мастила. Як побічні продукти одержують бітуми, парафін, церезин, нафтові мила.

Продуктом глибокої переробки нафти є сировина для наф­тохімічних виробництв. Глибока переробка э основним профілем більшості нафтопереробних заводів.