Судовое остаточное топливо… мы еще зовем его «бункером». Это название обозначает основной источник энергии на борту коммерческого судна.
Основной значит основной, то есть используется для сжигания в цилиндрах главного двигателя, чтобы вращать гребной винт, во вспомогательных котлах, чтобы генерировать пар и в цилиндрах первичных двигателей электрогенераторов, чтобы было светло и работало все выше перечисленное.
- Остаточное топливо
В общих чертах остаточное топливо названо так потому, что является побочным продуктом нефтепереработки. Из нефти вытягивают все самое «вкусное» и на выходе остается «наша жижа». В неё подмешивают более легкие фракции и прочие «специи» (эмульгаторы, стабилизаторы, и т. д.), чтобы жижа стала топливом и соответствовала предъявляемым к ней требованиям. Кстати, такой вид топлива используется не только на флоте, часть его сжигается на самом нефтеперерабатывающем предприятии для производства нефтепродуктов. Удобненько…
Разделить, потом смешать?!
Да, основной целью всего этого является - вытянуть из сырой нейти легкие и средние фракции из которых формируются: бензин, моторное дизельное топливо, авиационный керосин и исходное сырьё для химической промышленности. Интересный факт: за последние 15 лет мировая потребность в дистиллятных сортах топлив продолжала расти, в то время как производство остаточных сортов плавно снижалось (рисунок 1).
Как результат безостановочно нарастающего спроса на легкие фракции, «перегонщики нефти» внедряли все более современные способы экстракции всего полезного из сырой нейти, максимизируя выход полезной продукции с каждой выкачанной из-под земли бочки нефти. В итоге мы и получаем восходящие графики легких сортов и стагнирующий и даже немного нисходящий график остаточного топлива. В 1990-м году с каждой бочки в остаточное топливо уходило 20%, ну а на сегодняшний день это уже 14% (рисунок 2).
Если снижение «выхода» остаточного топлива продолжит снижаться с той-же интенсивностью (около 4,6% каждые 10 лет), то через 30 лет мы перестанем вообще получать остаточное топливо. (От ШМ. На этом моменте я почувствовал легкое жжение в ягодицепсах, так как заподозрил введение читателя в заблуждение. Дело в том, что 4,6% нужно брать от имеющихся данных, а не от данных за 1989-й год. Таким образом снижение будет «бесконечным» в формате одной человеческой жизни, а график зависимости уровня снижения «выхода» остаточного топлива от времени будет зеркальным от экспоненциального. Приношу свои извинения за «духоту» в статье, проветривай, Инженер, помещение и читай далее). К 2035-му году производство остаточного топлива может сойти на нет, при том, что потребность еще явно сохранится и тогда остаточное топливо потеряет своё основное преимущество - ЦЕНУ! Если топлива мало, а спрос велик, цена будет расти.
- Процесс перегонки
Сейчас быстренько на пальчиках расскажу о методах переработки нефти.
🪨Сырая нефть
Нефть это довольно сложная по фракционному составу смесь углеводородов, что нужно специальным образом обработать для получения нужного продукта в необходимом количестве и требуемом качестве.
И вот еще что, не существует двух идентичных «бочек с нефтью». Нефть везде разная и отличается друг от друга плотностью, вязкостью, содержанием серы, содержанием ванадия и еще довольно широким спектром второстепенных параметров.
Обычно, для разделения сырой нефти на составляющие (фракции) применяется атмосферная дистилляция, то есть дистилляция при атмосферном давлении. Такой метод позволяет вытянуть из нефти отдельные компоненты для дальнейшей более глубокой переработки. Вакуумная же дистилляция - это дистилляция 2.0, то-же самое, что и атмосферная, но вакуумная. Позволяет вытянуть из сырой нейти ещё больше легких и средних фракций.
Еще раз, атмосферная и вакуумная дистилляция - это процессы перегонки сырой нефти, основанные на физическом разделении сырой нефти на отдельные компоненты, что после процесса дистилляции с гордостью можно назвать дистиллятными продуктами или дистиллятным топливом. Процесс разделения не изменяет химического состава сырой нефти, поэтому перегонка нефти является обратимым процессом и из конечных продуктов можно снова получить сырую нефть, смешав в се компоненты в нужных пропорциях.
Эти два технологических процесса достаточно просты, но их недостаточно, чтобы поспевать за растущим спросом на рынке дистиллятных сортов топлива. Поэтому и существуют более сложные технологические процессы обработки нефти, что можно сгруппировать и обозвать «процессами вторичной переработки».
🪨Атмосферная дистилляция
Дистилляция - это первый этап в обработке нефти. Дистилляция протекает безостановочно в специальной ректификационной башне (от ШМ: да, да, я знаю, что дистилляция и ректификация - процессы разные, но схожие. При ректификации происходит отбор разных фракций с разных уровней, в то время как дистилляция подразумевает отбор смеси паров), оснащенной специальными устройствами для отбора паров. Сырая нефть подогревается до приблизительно 360 градусов по шкале Цельсия и подается в нижнюю часть башни (рисунок 3).
Подогретая сырая нефть, закачанная в нижнюю часть ректификационной башни, испаряется и пары легких и средних углеводородов поднимаются вверх. При этом тяжелые фракции испариться не могут и остаются в нижней части башни.
Преимущество дистилляции заключается в том, что нефть имеет «пестрый» фракционный состав, а у каждой отдельно взятой фракции своя температура кипения. При нагревании фракции испаряются постепенно, от лёгких к тяжёлым, причём, легкие и, как следствие, более летучие фракции скапливаются в верхней части башни, а более тяжёлые ниже, так сказать «послойно». При охлаждении происходит обратный процесс и пары конденсируются в жидкость начиная с самых тяжелых, заканчивая самыми лёгкими.
Башня. На разной высоте она оборудована специальными поддонами, в которые и собирается конденсат. Пары, по мере продвижения в верхнюю часть башни, конденсируются в поддонах (поддоны и жидкость в них и являются точками конденсации). При этом, более холодные поддоны способствуют конденсации паров, а более горячие пары подогревают поддоны. Такая самоуравновешивающаяся система в конечном итоге очень точно разделят нефть на отдельные фракции. Если более легкая фракция сконденсировалась в нижней части башни, то горячие пары испарят иё и ей придется подняться выше.
Немного чисел. Температуры кипения различных фракций варьируются от 60 до 300 градусов Цельсия.
Помимо фракций с разной температурой кипения есть еще и то, что испаряется слишком рано (газики) или не испаряется вовсе. Газы отбираются из верхней части башни, а то, что не испарилось откачивается из нижней её части. Это, кстати, и есть сырьё для тяжелого топлива. Самое «вкусное».
Пропорции конечных продуктов разделения сырой нефти напрямую зависят от марки сырья, а марка, в свою очередь определяется месторождением.
Грубо можно поделить всю мировую нефть на легкие и тяжелые сорта. Из названия групп ясно, что в легких больше легких фракций и меньше тяжелых и наоборот.
В общем, ворачиваясь к тебе атмосферной дистилляции, нужно упомянуть, что уровень современного потребления дистиллятных сортов топлива заставляет предприятия по переработки сырой нейти использовать более продвинутые технологии для максимизации выхода дистиллятных сортов топлива.
🪨Вакуумная дистилляция
Это тоже дистилляция, но процесс протекает в разряженной атмосфере. Зачем? Все очень просто. Для того, чтобы повысить выход легких и средних фракций из сырой нейти нужно либо повысить температуру нагрева сырой нефти, либо снизить давление обработки, что тоже интенсифицирует процесс испарения при неизменной температуре. Нагреть проще, но при нагреве более чем на 300 градусов по шкале Цельсия начинают рваться углеводородные связи исходного продукта, начинается неконтролируемый процесс крекинга, а нам это не нужно. Если в процессе производства не получается что-то контролировать, то и конечный результат спрогнозировать довольно сложно. А у нас тут нефтеперерабатывающий завод вообще-то.
То, что остается на дне ректификационной башни в процессе атмосферной дистилляции называется вакуумным остатком или «хвостом» (тут я могу ошибаться, так как не очень хорошо знаком с технологией на русском языке), и может быть одним из компонентов тяжелого топлива.
Ну вот процесс немного усложнен, выход дистиллята повышен, но, не смотря на все это, мировая потребность в дистиллятных сортах топлива все еще опережает их производство. Вывод - нужно продолжать вытягивать легкие и средние фракции из того, что осталось, пока там что-то осталось…
🪨Вторичная переработка
Как ни странно, но из того, что осталось после двух дистилляций все еще можно получить что-то «легкое», но процесс будет уже гораздо сложнее. Длинные углеводородные цепочки, что и представляют собой «тяжелый» остаток, можно порвать на более короткие, а, следовательно «легкие». Исходя из этого, делаем вывод, что тут начинается воздействие на химическом уровне.
Крекинг, что с английского можно перевести прямо как - разрыв, - и есть способ вторичной переработки. Разрывать будет длинные связи, чтобы образовать короткие, чтобы они могли испариться и превратиться в бензинчик.
Существует два основных направления крекинга - термический и каталитический.
🪨Термический крекинг
Термический крекинг подразумевает воздействие высокой температуры и давления на «сырьё», что провоцирует протекание химических реакций, в результате которых большие и тяжелые углеводородные цепочки рвутся, становятся легче и могут испариться (а дальше все как при дистилляции).
На выходе процесса термического крекинга мы получим еще немного дистиллята и кокс.
🪨Каталитический крекинг
Так-же как и термический крекинг каталитический его собрат меняет химический состав нефти, но вместо высоких температуры и давления используется катализатор. Специальный наполнитель катализаторной ячейки способствует разрыву длинных углеводородов на более мелкие, но сам в реакцию не вступает.
Самый распространенный процесс каталитического крекинга - жидкостный каталитический крекинг, что может преобразовывать остаточное топливо в дизельное. В этом случае катализатор в виде маленьких частиц размером от 20 до 100 микрон в диаметре циркулирует между реактором и регенератором (рисунок 4).
Большие каталитические крекеры могут содержать до 500 метрических тонн не дешевого катализатора.
(От ШМ: Взгляни на рисунок 4 и обрати внимание на то, что обведено в красный овал. Это и есть точка зарождения так называемых CAT FINES, что убивают детали цилиндро-поршневой группы ДВС. Это частицы катализатора, что, к сожалению, имеют намного большую твердость, чем металл ЦПГ ДВС).
Сам процесс каталитического крекинга достаточно прост. Горячий катализатор из регенератора смешивается с сырьем и направляется в ректор. При соприкосновении сырья с катализатором температура их повышается, сырье испаряется, а химические связи рвутся, сложные и тяжелые углеводороды становятся легкими; после чего происходит разделение сырья на фракции. В процессе реакции часть углеводородов откладывается на поверхности катализатора. Пары сырья отделяются от катализатора в реактора; после чего пары направляются во фракционную башню, где и разделяются на фракции. Сам же катализатор направляется в регенератор, в котором подвергается нагреванию. При нагреве выгорают углеводородные отложения и катализатор нагревается до нужной температуры. Цикл повторяется.
В процессе непрерывного каталитического крекинга катализатор подвергается механическому воздействию (трение отдельных частиц друг об друга), в процессе которого катализатор разрушается и частично покидает реактор. Да, микроскопические осколки катализатора идут далее во фракционную камеру.
(От ШМ: в статье написано, что катализатор дорогой и это упоминается неоднократно. Делаем вывод - амортизация по катализатору закладывается в конечную цену для потребителя. То есть, сначала ты платишь за каталитические издержки при покупке топлива, а потом тратишься на не самый дешевый ремонт, к которому рано или поздно приведут микро задиры).
А теперь самое вкусное. Со дна ректификационной башни собирается так называемый декант или суспензия. Жижа с плотностью около 1000 кг/м3 при 15 градусах, с вязкостью 30-60 сСт при 50. А еще она достаточно стабильна из-за высокого содержания ароматических углеводородов, поэтому из него получается довольно хорошее остаточное (тяжелое) топливо.
Первоисточник: Marine diesel engines, catalytic fines and a new standart to ensure safe operation. Alfa Laval.
