Нефть – смесь углеводородов, азотистых, серных и других соединений. Для получения нефтепродуктов без примесей на заводах проводят обработку сырья в 4 этапа. Процесс проходит под воздействием высокой температуры, давления и разных катализаторов.
Зачем нужна переработка нефти?
Сырая нефть характеризуется низким качеством, поэтому практически не используется. Ее компоненты приобретают ценность только по отдельности. Для получения каждой составляющей нужна переработка нефти. Процесс направлен на производство нефтепродуктов: бензина, керосина, смазочных материалов, растворителей и сырья для химической отрасли.
Процесс переработки
Полученную из скважин нефть не отправляют сразу на завод, поскольку в ней содержатся примеси. Ее переработка является сложным процессом, который состоит из таких этапов:
- подготовку сырья к первичной переработке;
- перегонку нефти;
- вторичную переработку;
- очистку.
Для производства качественных нефтепродуктов необходима установка дорогого и качественного оборудования.
Первичная переработка
Суть первого этапа сводится к разделению веществ, которые входят в состав нефти, на отдельные фракции. У каждого углеводорода своя температура кипения, поэтому маслянистую жидкость подогревают. На этом этапе получают низкооктановый бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, гудрон. Процессу первичной переработки предшествует подготовка. Она нужна для избавления сырья от примесей, которые испортят оборудование и трубы при транспортировке.
Подготовка нефти к первичной переработке
Сначала с помощью специальной установки отделяют природный газ. Из смеси воды и нефти получается эмульсия, которая практически не растворяется.
СПРАВКА! Она бывает 2 видов – гидрофильная и гидрофобная. Первая представляет собой частицы нефти в воде. Во второй преобладает маслянистая жидкость с небольшими каплями воды.
Такие смеси разрушают механическим, химическим или электрическим способами. В первом случае эмульсию отстаивают при температуре 120 – 160 градусов и давлении от 8 до 15 атмосфер. Процесс отделения длится около 2 – 3 часов. Нельзя допустить испарение воды.
Когда применяют центрифугу, разделение начинается при достижении 3000 – 3500 оборотов. Для расслаивания используют деэмульгатор. Дополнительно воздействуют на сырье электрическим током. Он способствует объединению частиц воды, поэтому ее легче убрать. Устранение солей происходит с помощью электрообессоливающих установок.
Способы перегонки нефти
При нагревании жидкости в специальные установки поступают разные нефтепродукты. При первичной переработке используют такие методы:
- Однократное испарение – предусматривает применение высокой температуры. Образовавшиеся пары поступают в испаритель. В этом аппарате они отделяются от жидкостной фракции.
- Многократное повышение температуры – смесь подогревают несколько раз. Процесс считается более сложным, чем предыдущий.
- Постепенное испарение – эмульсия плавно меняет свое состояние. Пары беспрерывно выводятся в отдельный резервуар
ВНИМАНИЕ! В результате первичной переработки получают бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и гудрон.
Оборудование для перегонки
Для получения бензина, керосина и других легких фракции используют отбензинивающую колонну с тарелками для отделения легких веществ. Чем больше горизонтальных перегородок, тем точнее смесь разделается на фракции.
СПРАВКА! Стандартно используют колонны с 20 – 25 тарелками.
Отделившийся бензин попадает в холодильник-конденсат. Оставшаяся нефть попадает в ректификационную колонну с тарелками. Нагретая трубчатой печью эмульсия делится на топливные фракции и мазут. Полученные вещества собираются в боковых емкостях.
Первичную обработку проводят под давлением, а оставшуюся нефть перерабатывают под вакуумом. Первый вариант подходит для неглубокой переработки, чтобы получить бензин, керосин, дизельное топливо. В вакуумных установках происходит более глубокий процесс, который заканчивается образованием газойля, гудрона и масляных фракций.
Такое оборудование устанавливают отдельно или создают одну атмосферно-вакуумную установку (АВТ). Она включает следующие аппараты:
- рефлюксные емкости;
- атмосферные и вакуумные колонны;
- холодильники-рекуператоры.
ВНИМАНИЕ! Первичная переработка является полностью автоматизированной. Современный АВТ на заводах позволяют обработать от 600 тыс. до 8 млн. тонн сырой нефти в год.
Вторичная переработка
После определения физико-химических свойств жидкости начинается следующий этап переработки. На сырье воздействуют катализаторами и высокой температурой. Существую такие методы обработки нефти:
- нефтехимический – образуется большое количество продуктов: топливо, каучук, ацетон, спирт, пластмассы;
- топливно-масляный – при помощи экстракции и деасфальтизации получаются смазочные материалы;
- топливный – используются тяжелые фракции, из которых изготовляют высококачественный бензин, авиационное, котельное и реактивное топливо.
На заводах часто применяют последний способ обработки. Он включает гидроочистку, риформинг, крекинг, гидрокрекинг.
Гидроочистка
Она подходит для переработки нефти с содержанием больше 0,5 % серы. Гидроочистка позволяет избавиться от азотных, кислородных и серных соединений с помощью катализаторов с водородом. Оборудование нагревают до 300 – 400 градусов и увеличивают давление до 2 – 4 МПа. В результате из органических соединений образуется аммиак и сероводород, которые выводят из емкости.
ВНИМАНИЕ! Таким способом обрабатывают 95 – 99% нефти.
Каталитический крекинг
В перегонке используют цеолитсодержащие катализаторы. Сырье нагревают до 500 градусов, чтобы разделить мазутные фракции. На выходе получают 40 – 60 % бензина с октановым числом 98 и выше. Около 15 % жидкий газ.
Каталитический риформинг
В методе применяют катализатор с окисью алюминия. Процесс направлен на повышение ароматизации. Он происходит в емкости с водородом при давлении 1 – 4 МПа. Температуру повышают до 500 градусов. В результате можно получить от 70 до 90% чистого материала.
Гидрокрекинг
Процедура проводится с применением сильного катализатора – оксида молибдена. Топливо образуется при температуре 450 градусов и давлении больше 28 МПа. В сочетании с другими способами выходит 75 – 80% бензина и реактивное топливо.
Экстракция и деасфальтизация
В экстракции участвуют растворители, которые устраняют побочные компоненты. Дальше происходит депарафинизация, чтобы снизить температуру застывания масел. Благодаря гидроочистке получается высококачественный продукт. Процесс позволяет извлечь ароматические углеводороды.
Деасфальтизация заключается в получении из конечной продукции переработки смолисто-асфальтеновых соединений. Они составляют от 40 до 70% тяжелых нефтяных остатков. В дальнейшем десасфальтизат используют для крекинга или производства битума.
ВАЖНО! В процессе применяют бутан, пентан и их смесь с пропаном.
Другие методы переработки
Нефть после прямой перегонки могут поддавать другим способам обработки, чтобы получить конкретный продукт. На заводах могут использовать такие методы:
- Алкилирование – при взаимодействии алкиновых соединений образуются парафиновые углеводороды. Это компоненты бензина и масел высокого качества, которые улучшают характеристики сырья.
- Изомеризация – процесс получения их низкооктановых компонентов фракции с более высоким октановым числом. Она проводится с легкими продуктами, которые кипят при температуре 28 – 70 градусов.
- Коксование – из тяжелых фракций нефти получают кокс и газойль.
- Пиролиз – распад углеводородов под воздействие температуры до 650 градусов для получения ароматических углеводородов и газа. В результате образуется 50 % газа, 45 % смолы и 5 % сажи. Необходимые вещества путем ректификации извлекают из смолы.
Нефть относится к ценным полезным ископаемым, который состоит из множества компонентов. Перед началом переработки из нее убирают воду, природный газ и соли. В результате применения методов первичной и вторичной обработки получают качественный бензин, топливо и другие нефтепродукты.
Видео: Технология переработки нефти и газа
Другие методы переработки нефти
Химический состав нефти. Методы переработки нефти
Автомобильные топлива являются источником тепловой энергии, которая в двигателях внутреннего сгорания преобразуется в механическую. Топлива делятся на жидкие и газообразные. Жидкие топлива подразделяются на бензины и дизельные топлива, а газовые — на сжиженные и сжатые. Основным источником получения жидких и газообразных топлив является нефть.
В настоящее время, когда во всем мире наблюдается рост цен на нефтепродукты, становится острой проблема рационального расходования особенно таких материалов, как топлива и масла.
К эксплуатационным материалам, применяемым на автомобильном транспорте, относятся жидкие и газообразные топлива, смазочные и конструкционно-ремонтные материалы, а также специальные жидкости.
Автомобильный транспорт использует значительную часть производимых продуктов переработки нефти и газа. В себестоимости автомобильных перевозок затраты на топливо и смазочные материалы составляют более 20 % и существенно зависят от уровня эксплуатации автотранспортной техники.
Правильный выбор и рациональное использование эксплуатационных материалов во многом определяют надежность и долговечность техники, затраты на ее обслуживание и ремонт. Ошибка при выборе моторного масла может привести в лучшем случае к сокращению срока службы двигателя, в худшем — к его поломке.
Выбор и правильное применение масла осложняются зачастую тем, что технической документацией на некоторые машины предусматривается большое число марок смазочных материалов. Поэтому унификация их и использование заменителей могут иметь большое значение для упрощения эксплуатации автомобильной техники.
В автомобиле имеется большое число узлов и механизмов, где применяются пластичные смазки, разнообразие которых также предполагает грамотное их использование.
Выбор смазочных материалов более высокого качества, чем требуется, ведет к неоправданному увеличению затрат. Применение же материала с более низкими качествами неизбежно приводит к сокращению сроков службы автомобиля и перерасходу самого материала.
Проблемы использования топлива и смазочных материалов настолько важны, что возникла наука — химмотология, которая изучает свойства, качество и рациональное использование горючих и смазочных материалов в технике, устанавливает требование к горюче-смазочным материалам (ГСМ), что способствует разработке новых сортов, методов испытаний и унификации ГСМ.
В современном автомобиле число деталей, в конструкции которых применяется резина, доходит до 500. Поэтому необходимо обладать знаниями о правильном использовании резинотехнических изделий, особенно дорогостоящих, таких, как автомобильные шины.
Хорошее лакокрасочное покрытие не только придает автомобилю красивый внешний вид, но предохраняет его кузов от воздействия внешней среды и преждевременного разрушения. Постоянное воздействие снега, дождя, соли, а также песка и мелких камней приводит к старению и постепенному разрушению покрытия. Продолжительность службы кузова легкового автомобиля составляет в среднем 6 лет. Грамотная противокоррозионная обработка современными защитными материалами позволяет продлить этот срок до 12 лет и более.
В книге для каждого вида материалов, применяемых при эксплуатации автомобилей, приведены физико-химические свойства и эксплуатационные качества, а также предъявляемые к ним технико-экономические требования.
Эти и другие сведения, которые необходимы специалистам автомобильного транспорта для организации рационального использования материалов, позволяют решать конкретные задачи использования материалов как отечественного, так и зарубежного производства.
1.1.1. Химический состав нефти
Нефть представляет собой сложную смесь жидких органических веществ, в которых растворены различные твердые углеводороды и смолистые вещества. Главными элементами нефти являются углерод и водород. Содержание углерода колеблется от 83,5 до 87 %, водорода — от 11,5 до 14 %. Также в нефти присутствуют сера, кислород и азот — в сумме не более 3 %.
Основными компонентами нефти являются углеводороды, которые принадлежат к следующим гомологическим рядам:
CnH2n+2 — алканы (насыщенные углеводороды);
CnH2n — нафтены (алициклические углеводороды);
CnH2n-6 — арены (ароматические углеводороды).
Непредельных углеводородов в сырой нефти нет. Кроме углеводородов в нефти присутствуют кислородные, сернистые и азотистые соединения.
Кислородные соединения представлены карбоновыми кислотами, эфирами, фенолами и т. п. Основная их часть сосредоточена в высококипящих фракциях, начиная с керосиновой. Карбоновые кислоты присутствуют в нефти, всех топливах и смазочных материалах; больше всего в нефтепродуктах нафтеновых кислот:
Они представляют собой жидкости, которые могут корродировать металлы.
Сернистые соединения увеличивают расход топлива, оказывают вредное воздействие на окружающую среду. Сернистые соединения, входящие в состав нефти, по фракциям переработки распределены неравномерно. В нефтяных остатках их содержится до 90 %. Сернистые соединения нефти делятся на активные и неактивные. К активным, которые взаимодействуют с металлами при комнатной температуре, относятся элементарная сера, сероводород и меркаптаны.
Неактивные сернистые соединения, к которым относятся сульфиды и дисульфиды, при нормальных условиях не вступают в реакцию с металлами.
В малосернистых нефтях содержание сернистых соединений достигает 0,5 %, а в сернистых до 5 %. После перегонки в бензиновых фракциях содержится до 0,15 % неактивных сернистых соединений, в керосиновых — до 1 %.
Азотистые соединения содержатся в нефти в небольших количествах и концентрируются, главным образом, в тяжелых фракциях. Азотистые соединения делятся на основные и нейтральные. Основные азотистые соединения отделяют обработкой слабой серной кислотой.
Азотистые соединения термически стабильны и не оказывают заметного влияния на эксплуатационные свойства нефтепродуктов. Однако при хранении дизельных топлив они вызывают усиленное смолообразование.
1.1.2. Способы переработки нефти
К основным способам получения топлив из нефти относятся прямая перегонка (дистилляция), термический и каталитический крекинги, гидрокрекинг и каталитический риформинг.
При разнообразии содержащихся углеводородов особенностью нефти является широкий температурный диапазон выкипания. Уже при нагреве до 30 … 40 °С из нефти начинают испарятся наиболее легкие углеводороды. С повышением температуры состав выкипающих углеводородов становится тяжелее. Это позволяет разделить нефть на части или фракции, выкипающие в определенных температурных пределах. Получаемые продукты называются дистиллятами, а сам процесс – прямой перегонкой нефти. Обычно выделяются дистилляты со следующими пределами выкипания:
Прямая перегонка заключается в нагреве нефти при атмосферном давлении и выделении фракций, различающихся температурами кипения. При температуре от 35 до 200 °С отбирают бензиновую фракцию, от 200 до 300 °С — дизельное топливо . Остаток после перегонки — мазут (до 80 %), который поступает в куб дистилляционной колонны, работающей под вакуумом. При этом верхний слой представляет собой соляровый дистиллят (температура кипения 280—300 °С), который является исходным сырьем для крекинг-бензинов и дистилляционных масел: индустриальных, цилиндровых, моторных и т. д.
Термический и каталитический крекинги используют для увеличения выхода легких фракций из нефти. Исходным сырьем служит соляровая фракция, представляющая собой смесь углеводородов с числом атомов углерода от 16 до 20, при нагревании которой до 450—550 °С в присутствии катализатора (алюмосиликат) или без него происходит расщепление углеводородов.
Сырьем для термического крекинга является полугудрон — остаток после недостаточно полного отгона масляных фракций. При этом выход бензина составляет 30—35 %. Термический крекинг сопровождается образованием ненасыщенных углеводородов, поэтому бензины термического крекинга характеризуются низкой химической стабильностью и невысокой детонационной стойкостью. На современных заводах термический крекинг не применяется.
Основным методом получения бензина является каталитический крекинг. Бензины каталитического крекинга содержат около 50 % изоциклических и ароматических углеводородов, а также 20—25 % алициклических. Содержание ненасыщенных углеводородов не превышает 5—9 %. Поэтому эти бензины имеют более высокую детонационную стойкость и химическую стабильность.
Каталитический крекинг позволяет получить бензины с октановым числом до 98 и протекает при температуре 450—550 °С в присутствии водорода с алюмомолибденовым или алюмоплатиновым катализатором при давлении 3 МПа.
Гидрокрекинг происходит при давлении до 20 МПа и температуре 480—500 °С в среде водорода с катализатором, благодаря чему ненасыщенные углеводороды не образуются, и полученный бензин имеет высокую химическую стабильность. Сырьем служит полугудрон.
Для улучшения качества бензина прямой перегонки используют каталитический риформинг, который протекает в присутствии водорода при температуре 460—510 °С и давлении 4 МПа. При этом происходит перестройка молекул, что ведет к образованию ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилолов и др.) из алканов и нефтенов и повышению детонационной стойкости.
Коксование тяжелых фракций процессов крекинга проводится при температуре 550 °С и атмосферном давлении. При этом образуются кокс, газообразные углеводороды и жидкая фракция, из которой извлекается бензин.
Рис 1.1. Схема переработки нефти
Синтезирование побочных газообразных продуктов крекинга и коксования направлено на получение высокооктановых компонентов: изооктана, алкилата, алкилбензола и других нефтепродуктов, которые используются в качестве добавок при получении технических сортов бензина.
Очистка автомобильных топлив является заключительной стадией подготовки базовых продуктов. Их необходимо очистить от избытка сернистых соединений, органических кислот и смолисто-асфальтеновых веществ. Для удаления сернистых соединений применяют метод гидроочистки при температуре до 300—430 °С и давлении 5—7 МПа в присутствии катализатора и водорода. Карбоновые кислоты нейтрализуют щелочью с последующей промывкой водой и сушкой.
Зимние сорта дизельного топлива получают удалением из жидкой фазы растворенные твердые углеводороды. Этот процесс — депарафинизация обеспечивает понижение температуры застывания дизельного топлива.
Схема переработки нефти показана на рис. 1.1.
1. Расскажите о химическом составе нефти.
2. Какое воздействие оказывают сернистые соединения?
3. Назовите основные способы перегонки нефти.
4. Что такое прямая перегонка нефти?
5. Что такое термический и каталитический крекинги?
6. Что такое гидрокрекинг и каталитический риформинг?