Использование продуктов переработки нефти

     Различают перегонку с однократным, многократным и постепенным испарением. При  перегонке с однократным испарением нефть нагревают до определенной температуры и отбирают все фракции, перешедшие в паровую фазу. 
Перегонка нефти с многократным испарением производится с поэтапным нагреванием нефти, и отбиранием на каждом этапе фракций нефти с соответствующей температурой перехода в паровую фазу. Перегонку нефти с постепенным испарением в основном применяют в лабораторной практике для получения особо точного разделения большого количества фракций. Отличается от других методов перегонки нефти низкой производительностью.

     Процесс первичной переработки нефти (прямой перегонки), с целью получения  нефтяных фракций, различающихся по температуре кипения без термического распада, осуществляют в кубовых  или трубчатых установках при  атмосферном и повышенном давлениях  или в вакууме. Трубчатые установки  отличаются более низкой достаточной  температурой перегоняемого сырья, меньшим крекингом сырья, и большим  КПД. Поэтому на современном этапе  нефтепереработки трубчатые установки  входят в состав всех нефтеперерабатывающих  заводов и служат поставщиками как  товарных нефтепродуктов, так и сырья  для вторичных процессов (термического и каталитического крекинга, риформинга).

     В настоящее время перегонку нефти  в промышленности производят на непрерывно действующих трубчатых установках. У них устраивается трубчатая  печь, для конденсации и разделения паров сооружаются огромные ректификационные колонны, а для приёма продуктов  перегонки выстраиваются целые  городки резервуаров.

     Трубчатая печь представляет собой помещение, выложенное внутри огнеупорным кирпичом. Внутри печи расположен многократно  изогнутый стальной трубопровод. Длина  труб в печах достигает километра. Когда завод работает, по этим трубам непрерывно, с помощью насоса, подаётся нефть с большой скоростью  – до двух метров в секунду. Печь обогревается горящим мазутом, подаваемым в неё при помощи форсунок. В  трубопроводе нефть быстро нагревается до 350-370°. При такой температуре более летучие вещества нефти превращаются в пар.

     Так как нефть – это смесь углеводородов  различного молекулярного веса, имеющих  разные температуры кипения, то перегонкой её разделяют на отдельные нефтепродукты. При перегонке нефти получают светлые нефтепродукты: бензин 
(tкип 90-200°С), лигроин (tкип 150-230°С), керосин (tкип 180-300°С), легкий газойль – соляровое масло (tкип 230-350°С), тяжелый газойль (tкип 350- 
430°С), а в остатке – вязкую черную жидкость – мазут (tкип выше 430°С). 
Мазут подвергают дальнейшей переработке. Его перегоняют под уменьшенным давлением (чтобы предупредить разложение) и выделяют смазочные масла.

     При перегонке с однократным испарением нефть нагревают в змеевике какого- либо подогревателя до заранее заданной температуры. По мере повышения температуры  образуется все больше паров, которые  находятся в равновесии с жидкой фазой, и при заданной температуре  парожидкостная смесь покидает подогреватель  и поступает в адиабатический испаритель. Последний представляет собой пустотелый цилиндр, в котором  паровая фаза отделяется от жидкой. Температура паровой и жидкой фаз в этом случае одна и та же.

     Перегонка с многократным испарением состоит  из двух или более однократных  процессов перегонки с повышением рабочей температуры на каждом этапе.

     Четкость  разделения нефти на фракции при  перегонке с однократным испарением хуже по сравнению с перегонкой с  многократным и постепенным испарением. Но если высокой четкости разделения фракций не требуется, то метод однократного испарения экономичнее: при максимально  допустимой температуре нагрева  нефти 350-370°С (при более высокой  температуре начинается разложение углеводородов) больше продуктов переходит  в паровую фазу по сравнению с  многократным или постепенным испарением. Для отбора из нефти фракций, выкипающих выше 350-370°С, применяют вакуум или водяной пар. Использование в промышленности принципа перегонки с однократным испарением в сочетании с ректификацией паровой и жидкой фаз позволяет достигать высокой четкости разделения нефти на фракции, непрерывности процесса и экономичного расходования топлива на нагрев сырья.

6. Устройство и действие  ректификационной тарельчатой колонны

     В зависимости от внутреннего устройства, обеспечивающего контакт между  восходящими парами и нисходящей жидкостью (флегмой), ректификационные колонны делятся на насадочные, тарельчатые, роторные и др. В зависимости от давления они делятся на ректификационные колонны высокого давления, атмосферные  и вакуумные. Первые применяют в  процессах стабилизации нефти и  бензина. Атмосферные и вакуумные  ректификационные колоны в основном применяют при перегонке нефтей, остаточных нефтепродуктов и дистилляторов.

     Принципиальная  схема для промышленной перегонки  нефти приведена на рисунке. 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. 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.

     Испаряющий  агент вводится в ректификационную колону с целью повышения концентрации высококипящих компонентов в  остатке от перегонки нефти. 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 с температурой, равной температуре подаваемого сырья или несколько выше (обычно не насыщенный пар при температуре 350-450°С под давлением 2-3 атмосферы).

     Влияние водяного пара заключается в следующем: 
. интенсивно перемешивается кипящая жидкость, что способствует испарению низкокипящих углеводородов; 
. создается большая поверхность испарения тем, что испарение углеводородов происходит внутрь множества пузырьков водяного пара.

     Расход  водяного пара зависит от количества отпариваемых компонентов, их природы  и условий внизу колонны. Для  хорошей ректификации жидкой фазы внизу  колонны необходимо, чтобы примерно 25% ее переходило в парообразное состояние.

     В случае применения в качестве испаряющего  агента инертного газа происходит большая  экономии тепла, затрачиваемого на производство перегретого пара, и снижение расхода  воды, идущей на его конденсацию. 
Весьма рационально применять инертный газ при перегонке сернистого сырья, т.к. сернистые соединения в присутствии влаги вызывают интенсивную коррозию аппаратов. Однако инертный газ не получил широкого применения при перегонке нефти из-за громоздкости подогревателей газа и конденсаторов парогазовой смеси (низкого коэффициента теплоотдачи) и трудности отделения отгоняемого нефтепродукта от газового потока.

     Удобно  в качестве испаряющего агента использовать легкие нефтяные фракции – лигроино-керосино-газойлевую фракцию, т.к. это исключает применение открытого водяного пара при перегонке  сернистого сырья, вакуума и вакуумсоздающей  аппаратуры и, в то же время, избавляет  от указанных сложностей работы с  инертным газом.

     Чем ниже температура кипения испаряющего  агента и больше его относительное  количество, тем ниже температура  перегонки. Однако чем легче испаряющий агент, тем больше его теряется в  процессе перегонки. Поэтому в качестве испаряющего агента рекомендуется  применять лигроино-керосино- газойлевую фракцию.

     В результате перегонки нефти при  атмосферном давлении и температуре 350- 
370°С остается мазут, для перегонки которого необходимо подобрать условия, исключающие возможность крекинга и способствующие отбору максимального количества дистилляторов. Самым распространенным методом выделения фракций из мазута является перегонка в вакууме. Вакуум понижает температуру кипения углеводородов и тем самым позволяет при 410-420°С отобрать дистилляты, имеющие температуры кипения до 500°С (в пересчете на атмосферное давление). 
Нагрев мазута до 420°С сопровождается некоторым крекингом углеводородов, но если получаемые дистилляторы затем подвергаются вторичным методам переработки, то присутствие следов непредельных углеводородов не оказывает существенного влияния. При получении масляных дистилляторов разложение их сводят к минимуму, повышая расход водяного пара, снижая перепад давления в вакуумной колонне и др. Существующие промышленные установки способны поддерживать рабочее давление в ректификационных колоннах 20 мм рт. ст. и ниже.

     Рассмотренные методы перегонки нефти дают достаточно четкие разделения компонентов, однако оказываются непригодными, когда  из нефтяных фракций требуется выделить индивидуальные углеводороды высокой  чистоты (96-99%), которые служат сырьем для нефтехимической промышленности (бензол, толуол, ксилол и др.)

7. Устройство ректификационных  тарелок

     В тарельчатых колоннах 1 для повышения  площади соприкосновения потоков  пара и флегмы применяют большое  число (30-40) тарелок специальной конструкции. Флегма стекает с тарелки на тарелку  по спускным трубам 3, причем перегородки 4 поддерживают постоянный уровень  слоя жидкости на тарелке. Этот уровень  позволяет постоянно держать  края колпаков 2 погруженными во флегму. Перегородки пропускают для стока  на следующую тарелку лишь избыток  поступающей флегмы. Принципом действия тарельчатой колонны является взаимное обогащения паров и флегмы за счет прохождения под давлением паров  снизу вверх сквозь слой флегмы на каждой тарелке. За счет того, что пар  проходит флегму в виде мельчайших пузырьков площадь соприкосновения  пара и жидкости очень высока.

     Конструкции тарелок разнообразны. Применяют  сетчатые, решетчатые, каскадные, клапанные, инжекционные и комбинированные  тарелки. Конструкцию тарелок выбирают исходя из конкретных технологических  требований (степень четкости разделения фракций, требование к интенсивности  работы, необходимость изменения  внутренней конструкции колонны, частота  профилактических и ремонтных работ  и др.)

8. Крекинг нефти

     При первичной перегонке нефть подвергается только физическим изменениям. 
От неё отгоняются лёгкие фракции, т. е. отбираются части её, кипящие при низких температурах и состоящие из разных по величине углеводородов. Сами углеводороды остаются при этом неизменёнными. Выход бензина, в этом случае, составляет лишь 10-15%. Такое количество бензина не может удовлетворить всё возрастающий спрос на него со стороны авиации и автомобильного транспорта.

     При крекинге нефть подвергается химическим изменениям. Меняется строение углеводородов. В аппаратах крекинг-заводов происходят сложные химические реакции. Выход  бензина из нефти значительно  увеличивается (до 65-70 %) путем расщепления  углеводородов с длинной цепью, содержащихся, например, в мазуте, на углеводороды с меньшей относительной  молекулярной массой. Такой процесс  называется крекингом (от англ. crack – расщеплять).

     Крекинг изобрёл русский инженер Шухов  в 1891 г. В 1913 г. изобретение 
Шухова начали применять в Америке. Крекингом называется процесс расщепления углеводородов, содержащихся в нефти, в результате которого образуются углеводороды с меньшим числом атомов углерода в молекуле.

     Процесс ведётся при более высоких  температурах (до 600о), часто при повышенном давлении. При таких температурах крупные молекулы углеводородов  раздробляются на более мелкие.

     Аппаратура  крекинг-заводов в основном та же, что и для перегонки нефти. 
Это – печи, колонны. Но режим переработки другой. Сырье тоже другое – мазут.

     Мазут – остаток первичной перегонки  – густ и тяжёл, его удельный вес  близок к единице. Это потому, что  он состоит из сложных и крупных  молекул углеводородов. Когда на крекинг-заводе мазут снова подвергается переработке, часть составляющих его  углеводородов раздробляется на более мелкие. А из мелких углеводородов  как раз и составляются лёгкие нефтяные продукты – бензин, керосин, лигроин.