Нефть является ценным полезным ископаемым, богатейшим источником для получения всевозможных химических продуктов и синтетических материалов. Из нефти вырабатывают различные виды топлива, смазочные материалы.
О гипотезах происхождения нефти можно почитать статью: «Происхождение нефти».
В начале развития нефтяной промышленности переработка нефти заключалась в примитивном производстве из нее осветительного керосина путем испарения в перегонных кубах. На современных нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) из нефти получают широкий спектр товарных нефтепродуктов требуемого качества. При этом уровень производства НПЗ характеризуется глубиной переработки, то есть степенью извлечения из нефти ценных фракций при минимальном малоценном остатке (топочном мазуте).
Первичная переработка – это физическое преобразование нефти во фракции-дистилляты, каждая из которых представляет смесь углеводородов. При первичной переработке не изменяется химический состав и строение нефтяных соединений. Главным аппаратом технологической установки по первичной переработке нефти является ректификационная колонна.
Ректификация — это процесс разделения нефти на фракции имеющие разные температуры кипения и удельные веса.
Сначала нефть, поступившая на НПЗ, подвергается дополнительной очистке от мехпримесей, растворенного газа и воды на электрообессоливающих установках.
После очистки сырая нефть подается в трубчатую печь, где нагревается до температуры 320-360°С и в парокипящем состоянии поступает в ректификационную колонну.
В зависимости от схемы переработки перегонку нефти ведут на атмосферно-трубчатых установках или на установках, сочетающих атмосферную и вакуумную дистилляцию.
Вакуум-дистилляцию применяют для разделения тяжелых фракций, когда их перегонка невозможна из-за высокой температуры кипения, приводящей к термическому разложению.
Так как при пониженном давлении или в вакууме любая жидкость кипит при более низкой температуре, становится возможным разгонять продукты, разлагающиеся при перегонке в атмосферном давлении.
Нефть, нагретая в трубчатой печи до кипения и частичного испарения, поступает в ректификационную колонну. Пар движется вверх колонны, а жидкость, или флегма, стекает вниз.
При свободном движении внутри цилиндра пар, поднимаясь по центру, оттесняет жидкость к стенкам. Поэтому площадь контакта между паром и флегмой оказывается минимальной. Такая примитивная перегонка в пустом цилиндре способна разделить нефть лишь на два компонента.
Для разгона нефти на необходимое количество фракций в колонне через определенные промежутки по высоте устанавливаются контактные элементы в виде горизонтальных перегородок, которые называются тарелками.
Все тарелки имеют отверстия, через которые поднимается пар и стекает флегма.
В зависимости от назначения тарелки имеют различную конструкцию.
Небольшие отверстия ситчатых тарелок (0,8-20 мм) пропускают пар со скоростью не позволяющей жидкости стекать сквозь них на нижнюю тарелку. Слой жидкости на таких тарелках 25-30 мм. Отверстия могут быть круглыми щелевыми или треугольными.
Провальные или решетчатые тарелки имеют отверстия диаметром от 20 до 100 мм. Избыток флегмы протекает через отверстия навстречу поднимающемуся пару. Чем выше скорость потока восходящего пара, тем толще слой жидкости на тарелке.
В колпачковых тарелках барботажными элементами являются колпачки, накрывающие отверстия тарелок. Давление пара поднимает клапана, открывая отверстия тарелки.
Отверстия клапанных или дисковых тарелок открываются и закрываются клапанами за счет давления восходящего пара.
Поднимаясь по колонне и проходя через тарелки пары легких фракций с низкой температурой кипения конденсируются на верхних тарелках и выводятся из колонны по сливным трубкам. Более тяжелые фракции с высокой температурой испарения оседают на средних и нижних тарелках, с которых, также выносятся из колонны по сливным трубкам.
Таким образом углеводороды распределяются по высоте колонны на тарелках по температуре кипения и удельному весу. Так происходит ректификация нефти.
Промышленные ректификационные колонны бывают высотой до 80 метров и диаметром до 8 метров.
Фракции, выделяемые из нефти ректификацией при атмосферном давлении – «прямогонные фракции» не являются товарными продуктами. Октановое число бензиновой фракции имеет значение около 65, а керосиновая и дизельная фракции содержат много сернистых соединений (1% и более). Поэтому прямогонные фракции направляют на установки вторичных процессов для улучшения их качества – облагораживания.
Октановое число является показателем детонационной стойкости бензина. Детонационная стойкость — это свойство бензина противостоять самовоспламенению при сжатии. Октановое число определяют на стандартном одноцилиндровом двигателе с переменной степенью сжатия.
Бензин с более высоким октановым числом выдерживает более высокое сжатие в цилиндрах без досрочного воспламенения и поэтому применяется в более эффективных двигателях внутреннего сгорания с большей удельной мощностью и КПД.
Проблема низкого октанового числа прямогонного бензина состоит в его составе. Принципиально, нефтяные фракции содержат пять классов углеводородов. И облагораживание бензиновой фракции является одним из процессов взаимного превращения этих классов: изомеризацией, алкилированием, риформингом.
Изомеризация увеличивает октановое число бензина с 60-65 до 82-85 пунктов.
Октановое число бензина после каталитического реформинга обычно составляет 95-97 пунктов и может достигать 100.
Также для повышения октанового числа в топливо добавляют высокооктановые компоненты и антидетонационные присадки.
Мощность риформинговых установок в мире составляет около 600 млн т/год. В России работает 51 установка с общей производительностью около 30 млн т/год.
Облагораживание керосиновых и дизельных фракций (средних дистиллятов) производится для удаления из них сернистых соединений. Большое количество диоксида серы, образующегося в цилиндрах, вызывает в атмосфере кислотные дожди. Поэтому содержание серы в конечном продукте в зависимости от марки топлива должно составлять от 0,005% до 0,2%.
Удаление серы из дистиллята производится гидроочисткой. Гидроочистка – наиболее крупнотоннажный процесс облагораживания топлив. Суммарная мировая мощность гидроочистных установок составляет 2,3 млрд т/год. В России функционирует свыше 50 установок общей мощностью около 108 млн т/год.
Основным показателем дизельного топлива является цетановое число. Цетановое число определяет промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения. Чем выше цетановое число, тем меньше задержка и тем более стабильно и плавно сгорает топливная смесь.
Д. И. Менделееву принадлежит фраза: «Нефть – не топливо! Топить можно и ассигнациями!». Сегодня 95% сырой нефти идет на производство различных видов топлива.
Далее читаем следующую статью: «Сбор нефти.»