Нефть – это полезное ископаемое, представляющее собой нерастворимую в воде маслянистую жидкость, которая может быть как почти бесцветной, так и темно-бурой. Свойства и способы переработки нефти зависят от процентного соотношения преимущественно углеводородов в ее составе, который различается в разных месторождениях.
Так, в Соснинском месторождении (Сибирь) алканы (парафиновая группа) занимают долю в 52 процента, циклоалканы – около 36%, ароматические углеводороды - 12 процентов. А, к примеру, в Ромашкинском месторождении (Татарстан) доля алканов и ароматических углеродов выше – 55 и 18 процентов соответственно, в то время как циклоалканы имеют долю в 25 процентов. Помимо углеводородов, это сырье может включать в себя сернистые, азотные соединения, минеральные примеси и др.
Впервые нефть "переработали" в 1745 году в России
В сыром виде это природное ископаемое не используется. Для получения технически ценных продуктов (растворители, моторное топливо, компоненты для химических производств) осуществляется переработка нефти посредством первичных или вторичных методов. Попытки преобразовать это сырье предпринимались еще в середине восемнадцатого века, когда, помимо свечей и лучин, используемых населением, в лампадах ряда церквей использовали «гарное масло», которое представляло собой смесь растительного масла и очищенной нефти.
Варианты очистки нефти
Очистка часто не включается непосредственно в способы переработки нефти. Это, скорее, предварительный этап, который может состоять из:
- Химической очистки, когда на нефть воздействуют олеумом и концентрированной серной кислотой. При этом удаляются ароматические и непредельные углеводороды.
- Адсорбционной очистки. Здесь из нефтепродуктов могут удаляться смолы, кислоты за счет обработки горячим воздухом или пропуском нефти через адсорбент.
- Каталитической очистки – мягкой гидрогенизации для удаления азотистых и серных соединений.
- Физико-химической очистки. В этом случае посредством растворителей избирательно выделяются лишние составляющие. Например, полярный растворитель фенол используется для удаления азотистых и сернистых соединений, а неполярные растворители – бутан и пропан - выделяют гудроны, ароматические углеводороды и пр.
Без химических изменений...
Переработка нефти посредством первичных процессов не предполагает химических превращений исходного сырья. Здесь полезное ископаемое просто разделяется на составляющие компоненты. Первое устройство по перегонке нефти было придумано в 1823 году, в Российской империи. Братья Дубинины догадались поставить котел в печь с нагревом, откуда шла труба через бочку с холодной водой в пустую емкость. В печном котле нефть нагревалась, проходила через «холодильник» и осаждалась.
Современные способы подготовки сырья
Сегодня на нефтеперерабатывающих комплексах технология переработки нефти начинается с дополнительной очистки, в ходе которой продукт обезвоживается на устройствах «ЭЛОУ» (электрообессоливающие установки), освобождается от механических примесей и углеводов легкого типа (С1 – С4). Потом сырье может поступать на атмосферную перегонку или вакуумную дистилляцию. В первом случае заводское оборудование по принципу действия напоминает то, что использовалось еще в 1823 году.
Только по-другому выглядит сама установка переработки нефти. На предприятии стоят печи, по размерам напоминающие дома без окон, из самого лучшего огнеупорного кирпича. Внутри них располагаются многокилометровые трубы, в которых нефть движется с большой скоростью (2 метра в сек.) и подогревается до 300-325 С пламенем из большой форсунки (при более высоких температурах углеводороды просто разлагаются). Трубу для конденсации и охлаждения паров в наши дни заменяют ректификационные колонны (могут быть до 40 метров в высоту), где пары разделяются и конденсируются, а для приема полученных продуктов выстраиваются целые городки из разных резервуаров.
Что такое материальный баланс?
Переработка нефти в России дает разные материальные балансы при атмосферной перегонке сырья из того или иного месторождения. Это означает, что на выходе могут получаться разные пропорции для разных фракций – бензиновой, керосиновой, дизельной, мазута, сопутствующего газа.
К примеру, для западно-сибирской нефти выход газа и потери составляют по одному проценту соответственно, бензиновые фракции (выделяются при температурах от около 62 до 180 С) занимают долю около 19%, керосин – около 9,5%, дизельная фракция – 19 %, мазут – почти 50 процентов (выделяется при температурах от 240 до 350 градусов). Полученные материалы практически всегда подвергаются дополнительной обработке, так как они не соответствуют эксплуатационным требованиям для тех же моторов машин.
Производство с меньшим числом отходов
Вакуумная переработка нефти базируется на принципе закипания веществ при более низкой температуре при снижении давления. Например, некоторые углеводороды в нефти кипят только при 450 С (атмосферное давление), но их можно заставить кипеть и при 325 С, если давление понизить. Вакуумная обработка сырья проводится в роторных вакуумных испарителях, которые увеличивают скорость перегонки и дают возможность получить из мазута церезины, парафины, топливо, масла, а тяжелый остаток (гудрон) применить далее для производства битума. Вакуумная дистилляция, по сравнению с атмосферной переработкой, дает меньше отходов.
Вторичная переработка позволяет получить качественные бензины
Вторичный процесс переработки нефти был придуман для того, чтобы из того же исходного сырья получить больше моторного топлива за счет воздействия на молекулы нефтяных углеводородов, которые обретают более подходящие для окисления формулы. Вторичная переработка включает в себя разные виды так называемого «крекинга», в том числе гидрокрекинг, термический и каталитический варианты. Этот процесс также изначально был изобретен в России, в 1891 году, инженером В. Шуховым. Он представляет собой расщепление углеводородов до форм с меньшим числом атомов углерода в одной молекуле.
Переработка нефти и газа при 600 градусах Цельсия
Принцип работы крекинг-заводов приблизительно такой же, как и установок атмосферного давления вакуумных производств. Но здесь обработка сырья, которое чаще всего представлено мазутом, производится при температурах, близких к 600 С. Под таким воздействием углеводороды, составляющие мазутную массу, распадаются на более мелкие, из которых и состоит тот же керосин или бензин. Термический крекинг базируется на обработке высокими температурами и дает бензин с большим количеством примесей, каталитический – также на температурной обработке, но с добавлением катализаторов (к примеру, специальной глиняной пыли), что позволяет получить больше бензина хорошего качества.
Гидрокрекинг: основные типы
Добыча и переработка нефти сегодня может включать различные виды гидрокрекинга, который представляет собой комбинацию процессов гидроочистки, расщепления крупных молекул углеводородов на более мелкие и насыщения непредельных углеводородов водородом. Гидрокрекинг бывает легким (давление 5 МПа, температура около 400 С, используется один реактор, получается, преимущественно, дизельное топливо и материал для каталитического крекинга) и жестким (давление 10 МПа, температура около 400 С, реакторов несколько, получаются дизельные, бензиновые и керосиновые фракции). Каталитический гидрокрекинг позволяет изготавливать ряд масел с высоким коэффициентов вязкости и малым содержанием углеводородов ароматического и сернистого типа.
Вторичная переработка нефти, кроме того, может использовать следующие технологические процессы:
- Висбрекинг. В этом случае при температурах до 500 С и давлениях в пределах от половины до трех МПа из сырья за счет расщепления парафинов и нафтенов получают вторичные асфальтены, углеводородные газы, бензин.
- Коксование нефтяных остатков тяжелого типа – это глубокая переработка нефти, когда сырье при температурах, близких к 500 С под давлением 0,65 МПа обрабатывают для получения газойлевых компонентов и нефтяного кокса. Стадии процесса заканчиваются получением «коксового пирога», которому предшествуют (в обратном порядке) уплотнение, поликонденсация, ароматизация, циклизация, дегидрирование и крекинг. Кроме того, продукт подлежит также высушиванию и прокаливанию.
- Риформинг. Данный способ обработки нефтепродуктов был придуман в России в 1911 году, инженером Н. Зелинским. Сегодня риформинг каталитического плана используется для того, чтобы из лигроиновых и бензиновых фракций получать высококачественные ароматические углеводороды и бензины, а также водородосодержащий газ для последующей переработки в гидрокрекинге.
- Изомеризация. Переработка нефти и газа в данном случае предполагает получение из химического соединения изомера за счет изменений в углеродном скелете вещества. Так из низкооктановых компонентов нефти выделяют высокооктановые компоненты для получения товарных бензинов.
- Алкилирование. Этот процесс строится на встраивании алкильных замещающих в молекулу органического плана. Таким образом из углеводородных газов непредельного характера получают составляющие для высокооктановых бензинов.
Стремление к евростандартам
Технология переработки нефти и газа на НПЗ постоянно совершенствуется. Так, на отечественных предприятиях отмечено увеличение эффективности переработки сырья по параметрам: глубина переработки, увеличение отбора светлых нефтепродуктов, снижение безвозвратных потерь и др. В планы заводов на 10-20-е годы двадцать первого века входит дальнейшее увеличение глубины переработки (до 88 процентов), повышение качества выпускаемых продуктов до евростандартов, снижение техногенного воздействия на окружающую среду.