Как называется процесс переработки нефти. Основные этапы нефтепереработки

Сырая нефть является термином, который употребляют для обозначения необработанной нефти - сырья, которое выходит из-под земли как есть. Таким образом, сырая нефть является ископаемым топливом, а это означает, что она произведена естественным природным путём из разлагающихся растений и животных, обитающих в древних морях миллионы лет назад - большинство мест, где чаще всего находят нефть, когда-то были дном морей. Сырая нефть в зависимости от месторождения бывает разной и изменяется в цвете и консистенции: от ярко-чёрной (мокрый асфальт) и очень вязкой, до немного прозрачной и почти твёрдой.

Главная ценность и польза нефти заключается в том, что она является отправной точкой для очень многих различных веществ, так как она содержит углеводороды. Углеводороды - это молекулы, которые, очевидно, содержат водород и углерод, и отличаются друг от друга лишь тем, что могут быть различной длины и структуры - от прямых цепочек до разветвлённых цепей с кольцами.

Существуют две вещи, которые делают углеводороды интересными для химиков:

Углеводороды содержат много потенциальной энергии. Многое из того, что получено из сырой нефти, как то: бензин, дизельное топливо , парафин и т.д. - ценно именно этой потенциальной энергией.
Углеводороды могут принимать множество различных форм. Наименьшим углеводородом (по чилу атомов) является метан (СН 4), который представляет собой газ, который легче воздуха. Более длинные цепочки с 5 или более атомами углерода являются в подавляющем большинстве случаев жидкостями. А уж очень длинные цепочки - твердые, например, воск или смола. По химической структуре "сшивания" углеводородных цепей Вы сможете получить все: от синтетического каучука до нейлона и пластика. Углеводородные цепочки на самом деле очень универсальны!

Основные классы углеводородов в сырой нефти включают в себя:

Парафины с общей формулой C n H 2n+2 (n представляет собой целое число, обычно от 1 до 20) с прямой структурой или разветвленной цепью могут представлять газы или жидкости, которые кипят уже при комнатной температуре в зависимости от примеров молекул: метан, этан, пропан, бутан, изобутан, пентан, гексан.
Ароматики с общей формулой: C 6 H 5 -Y (Y представляет собой большую прямую молекулу, которая соединяется с бензольным кольцом) - это кольчатые структуры с одним или более кольцами, которые содержат шесть атомов углерода, с чередованием двойных простых связей между атомами углерода. Яркие примеры ароматиков: бензол и нафталин.
Нафтены или циклоалканы с общей формулой C n H 2n (n является целым числом, как правило, от 1 до 20) - это кольчатые структуры с одним или несколькими кольцами, которые содержат только простые связи между атомами углерода. Это, как правило, жидкости: циклогексан, метилциклопентан и другие.
Алкены с общей формулой C n H 2n (n представляет собой целое число, обычно от 1 до 20) - это линейные или разветвлённые цепные молекулы, содержащие одну углерод-углеродную двойную связь, которые могут быть жидкостью или газом, например: этилен, бутен, изобутен.
Алкины с общей формулой: C n H 2n-2 (n представляет собой целое число, обычно от 1 до 20) - это линейные или разветвлённые цепные молекулы, содержащие две углерод-углеродные двойные связи, которые могут быть жидкостью или газом, например: ацетилен, бутадиены.

Теперь, зная структуру нефти, давайте посмотрим, что мы можем с ней сделать.

Как работает нефтепереработка?

Процесс переработки нефти начинается с дробной ректификационной колонны.

Типичный нефтеперерабатывающий завод

Главная проблема с сырой нефтью заключается в том, что она содержит сотни различных типов углеводородов, смешанные все вместе. И наша задача заключается в том, чтобы отделить различные виды углеводородов, чтобы получить что-нибудь полезное. К счастью, есть простой способ отделить эти вещи, и это то, что нефтепереработка и делает.

Различные длины углеводородной цепи имеют прогрессивно более высокие точки кипения, так что они могут быть разделены простой перегонкой с различными температурами. Проще говоря, нагревая нефть до какой-либо температуры, начинают закипать определённые цепочки углеводородов, и, таким образом, мы можем отделять "зёрна от плевел". Это то, что происходит на нефтеперерабатывающем заводе - в одной части процесса нефть нагревают, и различные цепи выкипают при соответствующих температурах кипения. Каждая отличающаяся длина цепи имеет своё уникальное свойство, что делает её полезной по-своему.

Чтобы понять разнообразие, содержащееся в сырой нефти, и понять, почему переработка сырой нефти настолько важна в нашей цивилизации, посмотрите на следующий список продуктов, которые получаются из сырой нефти:

Нефтяные газы - используются для отопления, приготовления пищи, изготовления пластмасс:

это небольшие алканы (от 1 до 4 атомов углерода)
широко известны по таким названиям как метан, этан, пропан, бутан
диапазон кипения - менее 40 градусов по Цельсию
часто сжижаемые под давлением газы

Нафта или лигроин - промежуточный продукт, который будет дополнительно обработан, чтобы впоследствии стать бензином:

содержит от 5 до 9 атомов алканов углерода
диапазон кипения - от 60 до 100 градусов по Цельсию

Бензин - моторное топливо:

всегда жидкий продукт
представляет собой смесь алканов и циклоалканов (от 5 до 12 атомов углерода)
диапазон кипения - от 40 до 205 градусов по Цельсию

Керосин - топливо для реактивных двигателей и тракторов; исходный материал для изготовления других продуктов:

жидкость
смесь алканов (от 10 до 18 атомов углерода) и ароматических углеводородов
диапазон кипения - от 175 до 325 градусов по Цельсию

Дизельный дистиллят - используется для дизельного топлива и мазута; исходный материал для изготовления других продуктов:

жидкость
алканы, содержащие 12 или более атомов углерода
диапазон кипения - от 250 до 350 градусов по Цельсию

Смазочные масла - используются для изготовления моторного масла, жира, других смазочных материалов:

жидкость
длинноцепочечные структуры (от 20 до 50 углеродных атомов) алканы, циклоалканы, ароматики
диапазон кипения - от 300 до 370 градусов по Цельсию

Мазут - используется для промышленного топлива; исходный материал для изготовления других продуктов:

жидкость
длинноцепочечные структуры (от 20 до 70 углеродных атомов) алканы, циклоалканы, ароматики
диапазон кипения - 370 до 600 градусов по Цельсию

Остатки продуктов переработки - кокс, асфальт, гудрон, парафины; исходный материал для изготовления других продуктов:

твердые частицы
множественные кольцевые соединения с 70 или более атомами углерода
диапазон кипения не менее 600 градусов по Цельсию.

Вы, возможно, заметили, что все эти продукты имеют различные размеры и диапазоны кипения. Химики воспользовались этими свойствами для нефтепереработки. Давайте теперь далее узнаем детали этого увлекательного процесса!

Подробный процесс переработки нефти

Как упоминалось ранее, баррель сырой нефти имеет смесь всевозможных углеводородов в себе. Нефтепереработка отделяет от всей этой "компании разнорасовых представителей" полезные вещества. При этом, происходят следующие группы производственные химические процессы, которые, в принципе, есть на каждой нефтеперерабатывающей фабрике:

Самый старый и самый распространённый способ отделить от нефти различные компоненты (их называют фракции) - это сделать это, используя различия в температуре кипения. Этот процесс называется фракционной перегонкой .
Новые методы использования химической обработки в некоторых из фракций используют метод преобразования. Химическая обработка, например, может нарушить длинные цепочки на более короткие. Это позволяет нефтеперерабатывающему заводу превратить дизельное топливо в бензин в зависимости, например, от спроса.
Нефтеперерабатывающие заводы, кроме того, после процесса фракционной перегонки должны очищать фракции в целях удаления из них примесей.
Нефтеперерабатывающие заводы объединяют различные фракции (обработанные и необработанные) в смеси, чтобы сделать нужные продукты. Например, различные смеси из различных цепочек могут создать бензины с различным октановым числом.

Продукты переработки нефти отправляются на недолгое хранение в специальные резервуары, пока они не будут доставлены на различные рынки: АЗС, аэропорты и на химические предприятия. В дополнение к созданию продуктов на масляной основе, заводы должны также позаботиться об отходах, появление которых неизбежно, чтобы минимизировать загрязнение воздуха и воды.

Фракционная перегонка

Различные компоненты нефти имеют различные размеры, вес и температуры кипения; так, первый шаг заключается в разделении этих компонентов. Поскольку они имеют различные температуры кипения, они могут быть разделены легко с помощью процесса, называемого фракционной перегонкой.

Этапы фракционной перегонки следующие:

Вы нагреваете смесь двух или более веществ (жидкостей) с различными температурами кипения до высокой температуры. Нагревание обычно делается с помощью пара под высоким давлением до температуры около 600 градусов по Цельсию.
Смесь кипит, образуя пар (газы); большинство веществ проходят в паровой фазе.
Пар поступает в нижнюю часть длинной колонны, которая заполнена лотками или тарелками. Лотки имеют много отверстий или пузырчатые колпачки (аналогично продырявленной крышке на пластиковой бутылке) в них, чтобы позволить пару пройти сквозь них. Они увеличивают время контакта между паром и жидкостью в колонне и помогают сбору жидкостей, которые образуются на различных высотах в колонке. Существует разница температур в этой колонне (очень горячая внизу и холоднее к верхней части).
Таким образом, пар поднимается в колонне.
При повышении паров через тарелки в колонне, он охлаждается.
Когда парообразное вещество достигает высоты, где температура в колонке равна температуре кипения этого вещества, оно будет конденсироваться с образованием жидкости. При этом, вещества с самой низкой температурой кипения будет конденсироваться в самой высокой точке в колонне, а вещества с более высокими температурами кипения будут конденсироваться ниже в колонне.
Лотки собирают различные жидкие фракции.
Собранные жидкие фракции могут перейти к конденсаторам, которые охлаждают их дальше, а потом идут в резервуары для хранения, либо же они могут отправиться в другие районы для дальнейшей химической переработки

Фракционная перегонка полезна для разделения смеси веществ с узкими различиями в температурах кипения и является наиболее важным шагом в процессе переработки нефти. Процесс переработки нефти начинается с дробной ректификационной колонны. Очень немногие из компонентов выйдут из колонны фракционной перегонки, готовые к продаже на рынке нефтепродуктов. Многие из них должны быть химически обработаны, чтобы быть преобразованными в другие фракции. Например, только 40% дистиллированной сырой нефти станет бензином, однако, бензин является одним из основных продуктов, производимых нефтяными компаниями. Вместо того, чтобы постоянно дистиллировать в больших количествах сырую нефть, нефтяные компании химически обрабатывают другие фракции из ректификационной колонны, чтобы получить тот же бензин; и эта обработка увеличивает выход бензина из каждого барреля сырой нефти.

Химическое преобразование

Вы можете преобразовать одну фракцию в другую с помощью одного из трёх методов:

Разбить большие углеводороды на более мелкие (крекинг)
Объединить мелкие углеводороды, чтобы сделать из них более крупные (унификация)
Переставлять или замещать различные части углеводородов, чтобы получить нужные углеводороды (гидротермальное изменение)

Крекинг

Крекинг принимает большие углеводороды и ломает их на более мелкие. Есть несколько типов крекинга:

Тепловой - Вы нагреваете большие углеводороды при высоких температурах (иногда ещё и при высоких давлениях), пока они не распадутся.
Паровой - высокая температура пара (более 800 градусов по Цельсию) используется для разрыва этана, бутана и лигроина в этилен и бензол, которые используются для производства химических веществ.
Висбрекинг - остаточные вещества из дистилляционной колонны нагревают почти до 500 градусов по Цельсию, охлаждают и быстро сжигают в дистилляционной колонне. Этот процесс снижает вязкость веществ и число тяжёлых масел в них и производит смолы.
Коксование - остаточные вещества из дистилляционной колонны нагревают до температуры выше 450 градусов по Цельсию, в результате чего тяжёлый почти чистый углерод остаётся (кокс); кокс очищается от коксования и продаётся.
Катализация - используется катализатор для ускорения реакции крекинга. Катализаторы включают цеолит, гидросиликат алюминия, бокситы и алюмосиликат. Каталитический крекинг - это когда горячая жидкость катализатора (538 градусов по Цельсию) расщепляет тяжёлое вещество в дизельные масла и бензин.
Гидрокрекинг - подобен каталитическому крекингу, но использует другой катализатор с более низкими температурами, высоким давлением и водородом. Это позволяет расщепить тяжёлую нефть в бензин и керосин (авиатопливо).

Унификация

Иногда Вам нужно объединить мелкие углеводороды, чтобы получить из них более крупные - этот процесс называется унификацией. Основным процессом объединения является при этом каталитический риформинг и в этом случае используется катализатор (смесь из платины и платины-рения), чтобы объединить низкий вес нафты в ароматические соединения, которые используются в создании химических веществ и при смешивании бензина. Значительным побочным продуктом этой реакции является газообразный водород, который затем либо используется для гидрокрекинга, либо попросту продаётся.

Гидротермальное изменение

Иногда структуры молекул в одной фракции переставляются, чтобы произвести другую. Как правило, это делается с помощью процесса, называемого алкилированием . В алкилировании низкомолекулярные соединения, такие как пропилен и бутилен, смешивают в присутствии катализатора , такого как фтористо-водородная кислота или серная кислота (побочный продукт от удаления примесей из многих нефтепродуктов). Продуктами алкилирования являются высокооктановые углеводороды, которые используются в бензиновых смесях для повышения октанового числа.

Конечная обработка (очистка) нефтепродуктов

Дистиллированные и химически обработанные фракции нефти снова обрабатывают, чтобы удалить примеси - с основном, органические соединения, содержащие серу, азот, кислород, воду, растворённые металлы и неорганические соли. Конечную обработку, как правило, делают следующими путями:

Колонна серной кислоты удаляет ненасыщенные углеводороды (с двойными углерод-углеродными-облигациями), соединения азота, кислорода и остаточные твёрдые вещества (смолы, асфальт).
Абсорбционная колонна заполнена осушителем, чтобы удалить воду.
Сероводородные скрубберы удаляют серу и все соединения серы.

После того, как фракции будут обработаны, их охлаждают и затем смешивают вместе, чтобы сделать различные продукты, такие как:

Бензин различных марок, с добавками или без добавок.
Смазочные масла различных марок и типов (например, 10W-40, 5W-30).
Керосин различных марок.
Реактивное топливо.
Мазут.
Другие химические вещества различных марок для изготовления пластмасс и других полимеров.

Сырая нефть представляет собой сложную смесь углеводородов и других соединений. В таком виде она мало используется. Сначала ее перерабатывают в другие продукты, которые имеют практическое применение. Поэтому сырую нефть транспортируют танкерами или с помощью трубопроводов к нефтеперерабатывающим заводам.

Переработка нефти включает целый ряд физических и химических процессов: фракционную перегонку, крекинг, риформинг и очистку от серы.

Фракционная перегонка

Сырую нефть разделяют на множество составных частей, подвергая ее простой, фракционной и вакуумной перегонке. Характер этих процессов, а также число и состав получаемых фракций нефти зависят от состава сырой нефти и от требований, предъявляемых к различным ее фракциям.

Из сырой нефти прежде всего удаляют растворенные в ней примеси газов, подвергая ее простой перегонке. Затем нефть подвергают первичной перегонке, в результате чего ее разделяют на газовую, легкую и среднюю фракции и мазут. Дальнейшая фракционная перегонка легкой и средней фракций, а также вакуумная перегонка мазута приводит к образованию большого числа фракций. В табл. 18.6 указаны диапазоны температур кипения и состав различных фракций нефти, а на рис. 18.11 изображена схема устройства первичной дистилляционной (ректификационной) колонны для перегонки нефти. Перейдем теперь к описанию свойств отдельных фракций нефти.

Таблица 18.6. Типичные фракции перегонки нефти

Рис. 18.11. Первичная перегонка сырой нефти.

Лаборатория экстракции и перегонки в Индийском нефтехимическом институте.

Газовая фракция. Газы, получаемые при переработке нефти, представляют собой простейшие неразветвленные алканы: этан, пропан и бутаны. Эта фракция имеет промышленное название нефтезаводской (нефтяной) газ. Ее удаляют из сырой нефти до того, как подвергнуть ее первичной перегонке, или же выделяют из бензиновой фракции после первичной перегонки. Нефтезаводской газ используют в качестве газообразного горючего или же подвергают его сжижению под давлением, чтобы получить сжиженный нефтяной газ. Последний поступает в продажу в качестве жидкого топлива или используется как сырье для получения этилена на крекинг-установках.

Бензиновая фракция. Эта фракция используется для получения различных сортов моторного топлива. Она представляет собой смесь различных углеводородов, в том числе неразветвленных и разветвленных алканов. Особенности горения неразветвленных алканов не идеально соответствуют двигателям внутреннего сгорания. Поэтому бензиновую фракцию нередко подвергают термическому риформингу (см. ниже), чтобы превратить неразветвленные молекулы в разветвленные. Перед употреблением эту фракцию обычно смешивают с разветвленными алканами, циклоалканами и ароматическими соединениями, получаемыми из других фракций путем каталитического крекинга либо риформинга.

Качество бензина как моторного топлива определяется его октановым числом. Оно указывает процентное объемное содержание 2,2,4-триметилпентана (изооктана) в смеси 2,2,4-триметилпентана и гептана (алкан с неразветвленной цепью), которая обладает такими же детонационными характеристиками горения, как и испытуемый бензин.

Плохое моторное топливо имеет нулевое октановое число, а хорошее топливо-октановое число 100. Октановое число бензиновой фракции, получаемой из сырой нефти, обычно не превышает 60. Характеристики горения бензина улучшаются при добавлении в него антидетонаторной присадки, в качестве которой используется разд. 15.2). Тетраэтилсвинец представляет собой бесцветную жидкость, которую получают при нагревании хлороэтана со сплавом натрия и свинца:

При горении бензина, содержащего эту присадку, образуются частицы свинца и оксида свинца(II). Они замедляют определенные стадии горения бензинового топлива и тем самым препятствуют его детонации. Вместе с тетраэтилсвинцом в бензин добавляют еще 1,2-дибромоэтан. Он реагирует со свинцом и образуя бромид Поскольку бромид представляет собой летучее соединение, он удаляется из автомобильного двигателя с выхлопными газами (см. разд. 15.2).

Лигроин (нафта). Эту фракцию перегонки нефти получают в промежутке между бензиновой и керосиновой фракциями. Она состоит преимущественно из алканов (табл. 18.7).

Лигроин получают также при фракционной перегонке легкой масляной фракции, получаемой из каменноугольной смолы (см. табл. 18.5). Лигроин из каменноугольной смолы имеет высокое содержание ароматических углеводородов.

Большую часть лигроина, получаемого при перегонке нефти, подвергают риформингу для превращения в бензин. Однако значительная его часть используется как сырье для получения других химических веществ (см. ниже).

Керосин. Керосиновая фракция перегонки нефти состоит из алифатических алканов, нафталинов (см. выше) и ароматических углеводородов. Часть ее подвергается

Таблица 18.7. Углеводородный состав лигроиновой фракции типичной ближневосточной нефти

очистке для использования в качестве источника насыщенных углеводородов-парафинов, а другая часть подвергается крекингу с целью превращения в бензин. Однако основная часть керосина используется в качестве горючего для реактивных самолетов.

Газойль. Эта фракция переработки нефти известна под названием дизельного топлива. Часть ее подвергают крекингу для получения нефтезаводского газа и бензина. Однако главным образом газойль используют в качестве горючего для дизельных двигателей. В дизельном двигателе зажигание топлива производится в результате повышения давления. Поэтому они обходятся без свечей зажигания. Газойль используется также как топливо для промышленных печей.

Мазут. Эта фракция остается после удаления из нефти всех остальных фракций. Большая его часть используется в качестве жидкого топлива для нагревания котлов и получения пара на промышленных предприятиях, электростанциях и в корабельных двигателях. Однако некоторую часть мазута подвергают вакуумной перегонке для получения смазочных масел и парафинового воска. Смазочные масла подвергают дальнейшей очистке путем экстракции растворителя. Темный вязкий материал, остающийся после вакуумной перегонки мазута, называется «битум», или «асфальт». Он используется для изготовления дорожных покрытий.

Мы рассказали о том, как фракционная и вакуумная перегонка наряду с экстракцией растворителями позволяет разделить сырую нефть на различные практически важные фракции. Все эти процессы являются физическими. Но для переработки нефти используются еще и химические процессы. Эти процессы можно подразделить на два типа: крекинг и риформинг.

Крекинг

В этом процессе крупные молекулы высококипящих фракций сырой нефти расщепляются на меньшие молекулы, из которых состоят низкокипящие фракции. Крекинг необходим потому, что потребности в низкокипяших фракциях нефти - особенно в бензине - часто опережают возможности их получения путем фракционной перегонки сырой нефти.

В результате крекинга кроме бензина получают также алкены, необходимые как сырье для химической промышленности. Крекинг в свою очередь подразделяется на три важнейших типа: гидрокрекинг, каталитический крекинг и термический крекинг.

Гидрокрекинг. Эта разновидность крекинга позволяет превращать высококипящие фракции нефти (воски и тяжелые масла) в низкокипящие фракции. Процесс гидрокрекинга заключается в том, что подвергаемую крекингу фракцию нагревают под очень высоким давлением в атмосфере водорода. Это приводит к разрыву крупных молекул и присоединению водорода к их фрагментам. В результате образуются насыщенные молекулы небольших размеров. Гидрокрекинг используется для получения газойля и бензинов из более тяжелых фракций.

Каталитический крекинг. Этот метод приводит к образованию смеси насыщенных и ненасыщенных продуктов. Каталитический крекинг проводится при сравнительно

невысоких температурах, а в качестве катализатора используется смесь кремнезема и глинозема. Таким путем получают высококачественный бензин и ненасыщенные углеводороды из тяжелых фракций нефти.

Термический крекинг. Крупные молекулы углеводородов, содержащихся в тяжелых фракциях нефти, могут быть расщеплены на меньшие молекулы путем нагревания этих фракций до температур, превышающих их температуру кипения. Как и при каталитическом крекинге, в этом случае получают смесь насыщенных и ненасыщенных продуктов. Например,

Термический крекинг имеет особенно важное значение для получения ненасыщенных углеводородов, например этилена и пропена. Для термического крекинга используются паровые крекинг-установки. В этих установках углеводородное сырье сначала нагревают в печи до 800°С, а затем разбавляют его паром. Это увеличивает выход алкенов. После того как крупные молекулы исходных углеводородов расщепятся на более мелкие молекулы, горячие газы охлаждают приблизительно до 400°С водой, которая превращается в сжатый пар. Затем охлажденные газы поступают в ректификационную (фракционную) колонну, где они охлаждаются до 40°С. Конденсация более крупных молекул приводит к образованию бензина и газойля. Несконденсировавшиеся газы сжимают в компрессоре, который приводится в действие сжатым паром, полученным на стадии охлаждения газов. Окончательное разделение продуктов производится в колоннах фракционной перегонки.

Таблица 18.8. Выход продуктов крекинга с паром из различного углеводородного сырья (масс. %)

В европейских странах главным сырьем для получения ненасыщенных углеводородов с помощью каталитического крекинга является лигроин. В Соединенных Штатах главным сырьем для этой цели служит этан. Его легко получают на нефтеперерабатывающих заводах как один из компонентов сжиженного нефтяного газа или же из природного газа, а также из нефтяных скважин как один из компонентов природных сопутствующих газов. В качестве сырья для крекинга с паром используются также пропан, бутан и газойль. Продукты крекинга этана и лигроина указаны в табл. 18.8.

Реакции крекинга протекают по радикальному механизму (см. разд. 18.1).

Риформинг

В отличие от процессов крекинга, которые заключаются в расщеплении более крупных молекул на менее крупные, процессы риформинга приводят к изменению структуры молекул или к их объединению в более крупные молекулы. Риформинг используется в переработке сырой нефти для превращения низкокачественных бензиновых фракций в высококачественные фракции. Кроме того, он используется с целью получения сырья для нефтехимической промышленности. Процессы риформинга могут быть подразделены на три типа: изомеризация, алкилирование, а также циклизация и ароматизация.

Изомеризация. В этом процессе молекулы одного изомера подвергаются перегруппировке с образованием другого изомера. Процесс изомеризации имеет очень важное значение для повышения качества бензиновой фракции, получаемой после первичной перегонки сырой нефти. Мы уже указывали, что эта фракция содержит слишком много неразветвленных алканов. Их можно превратить в разветвленные алканы, нагревая данную фракцию до под давлением 20-50 атм. Этот процесс носит название термического риформинга.

Для изомеризации неразветвленных алканов может также применяться каталитический риформинг. Например, бутан можно изомеризовать, превращая его в -метил-пропан, с помощью катализатора из хлорида алюминия при температуре 100°С или выше:

Эта реакция имеет ионный механизм, который осуществляется с участием карбкатионов (см. разд. 17.3).

Алкилирование. В этом процессе алканы и алкены, которые образовались в результате крекинга, воссоединяются с образованием высокосортных бензинов. Такие алканы и алкены обычно имеют от двух до четырех атомов углерода. Процесс проводится при низкой температуре с использованием сильнокислотного катализатора, например серной кислоты:

Эта реакция протекает по ионному механизму с участием карбкатиона

Циклизация и ароматизация. При пропускании бензиновой и лигроиновой фракций, полученных в результате первичной перегонки сырой нефти, над поверхностью таких катализаторов, как платина или оксид на подложке из оксида алюминия, при температуре 500°С и под давлением 10-20 атм происходит циклизация с последующей ароматизацией гексана и других алканов с более длинными неразветвленными цепями:

Отщепление водорода от гексана, а затем от циклогексана называется дегидрированием. Риформинг этого типа в сущности представляет собой один из процессов крекинга. Его

называют платформингом, каталитическим риформингом или просто риформингом. В некоторых случаях в реакционную систему вводят водород, чтобы предотвратить полное разложение алкана до углерода и поддержать активность катализатора. В этом случае процесс называется гидроформингом.

Очистка от серы

Сырая нефть содержит сероводород и другие соединения, содержащие серу. Содержание серы в нефти зависит от месторождения. Нефть, которую получают из континентального шельфа Северного моря, имеет низкое содержание серы. При перегонке сырой нефти органические соединения, содержащие серу, расщепляются, и в результате образуется дополнительное количество сероводорода. Сероводород попадает в нефтезаводской газ или во фракцию сжиженного нефтяного газа (см. выше). Поскольку сероводород обладает свойствами слабой кислоты, его можно удалить, обрабатывая нефтепродукты каким-либо слабым основанием. Из полученного таким образом сероводорода можно извлекать серу, сжигая сероводород в воздухе и пропуская продукты сгорания над поверхностью катализатора из оксида алюминия при температуре 400 С. Суммарная реакция этого процесса описывается уравнением

Приблизительно 75% всей элементной серы, используемой в настоящее время промышленностью несоциалистических стран, извлекают из сырой нефти и природного газа (см. разд. 15.4).

На сегодняшний день основным природным источником углеводородов является нефть. Первые нефтеперерабатывающие заводы строили именно в местах добычи, однако техническая модернизация средств перевозки стала причиной отделения нефтепереработки от нефтедобычи. Центры переработки нефти все чаще строятся вдали от мест добычи, в регионах массового потребления нефтепродуктов или вдоль нефтепроводов.

Процесс переработки нефти

Переработка нефти происходит в три главных этапа:

на первом этапе нефтяное сырье разделяют на фракции, которые отличаются интервалами температур кипения (первичная переработка)
далее осуществляется переработка полученных фракций при помощи химических превращений находящихся в них углеводородов с образованием компонентов товарных нефтепродуктов (вторичная переработка)
на последнем этапе происходит смешивание компонентов с добавлением, если это необходимо, разных присадок, с образованием товарных нефтепродуктов с заданными показателями качества (товарное производство).

На нефтеперерабатывающих заводах производят моторные и котельные топлива, сжиженные газы, разные типы сырья для нефтехимических комбинатов, а также смазочные, гидравлические и прочие масла, битумы, нефтяные коксы, парафины. Исходя из того, какая применяется технология переработки нефти, на НПЗ производят от 5 до 40 позиций товарных нефтепродуктов. Нефтепереработка является непрерывным процессом, период деятельности производств между капитальными ремонтами в нынешних условиях достигает около 3-х лет.

Первичная переработка нефти

Первичные процессы переработки не предполагают химических изменений нефти и представляют собой ее физическое разделение на фракции. На территории России главные объёмы перерабатываемой сырой нефти привозятся на НПЗ от добывающих компаний по магистральным нефтепроводам. Незначительные объемы нефти привозятся по железной дороге. В странах-импортёрах нефти, которые обладают выходом к морю, поставка на припортовые НПЗ производится по воде.
В сырой нефти содержатся соли, которые вызывают быструю коррозию технологической аппаратуры. Чтобы удалить соли нефть смешивают с водой, в которой эти соли растворяются. Далее нефть подается на ЭЛОУ - электрообессоливащий аппарат. Процедура обессоливания ведется в электродегидраторах. В условиях тока высокого напряжения (свыше 25 кВ), смесь воды и нефти (эмульсия) разрушается, вследствие чего вода скапливается внизу аппарата и выводится. Все это происходит при температуре от 100 до 120°С. Нефть, из которой удалены соли, с ЭЛОУ подается на аппарат атмосферно-вакуумной перегонки, который на российских НПЗ называют АВТ - атмосферно-вакуумная трубчатка. Процесс АВТ разделен на два блока - атмосферную и вакуумную перегонку.
Задача атмосферной перегонки заключается в отборе светлых нефтяных фракций - бензиновой, керосиновой и дизельной, которые выкипают до 360°С. Объем их потенциального выхода достигает 45-60% на нефть. Остатком атмосферной перегонки является мазут. Нагретая в печи нефть разделяется на отдельные фракции в ректификационной колонне, внутри которой находятся контактные приспособления (тарелки). Сквозь эти тарелки пары поднимаются вверх, а жидкость стекает вниз. Вследствие такого процесса вверху колонны отводится бензиновая фракция в виде паров, а пары керосиновой и дизельных фракций превращаются в конденсат в других частях колонны и выводятся, а мазут не меняет своего состояния и в жидком виде откачивается с низа колонны.
Задачей вакуумной перегонки является отбор от мазута масляных дистиллятов на НПЗ топливно-масляного профиля, а также широкой масляной фракции (вакуумного газойля) на НПЗ топливного профиля. По окончанию вакуумной перегонки остается гудрон. Масляные фракции нужно отбирать под вакуумом потому, что при температуре около 400°С углеводороды подвергаются термическому разложению (крекингу), а окончание кипения вакуумного газойля составляет 520°С. По этой причине перегонка проводится в условиях остаточного давления 40-60 мм рт. ст., вследствие чего снижается максимальная температура в аппарате до 360-380°С.
В получаемой на атмосферном блоке бензиновой фракции содержатся газы (главным образом пропан и бутан) в объёме, который превышает требования по качеству, и не может быть использован ни в качестве компонента автомобильного бензина, ни в качестве товарного прямогонного бензина. Помимо этого, нефтепереработка, направленная на увеличение октанового числа бензина и изготовления ароматических углеводородов предполагает использование в качестве сырья узкие бензиновые фракции. Следовательно, необходимо включать в процесс переработки нефти отгон от бензиновой фракции сжиженных газов. Продукты первичной переработки нефти необходимо охладить в теплообменниках, где они отдают тепло подводимому на переработку холодному сырью, в результате чего экономится технологическое топливо. Высокотехнологичные аппараты первичной переработки чаще всего являются комбинированными и могут осуществлять вышеперечисленные процессы в разной конфигурации. Мощность подобных аппаратов достигает от 3 до 6 млн. тонн по сырой нефти ежегодно.

Вторичная переработка нефти

Вторичные способы переработки нефти включают такие процедуры, которые направлены на увеличение количества производимых моторных топлив. В ходе таких процессов осуществляется химическая модификация молекул углеводородов, находящихся в составе нефти, чаще всего, с их преобразованием в более удобные для окисления формы.
Все вторичные процессы делятся на три категории:

углубляющие: разные виды крекинга, висбрекинг, замедленное коксование, создание битумов и прочие
облагораживающие: риформинг, гидроочистка, изомеризация
прочие, к примеру, производство масел, МТБЭ, алкилирование, производство ароматических углеводородов.

Крекинг

Существуют такие виды крекинга:

термический
каталитический
гидрокрекинг.

Автомобильные бензины имеют в своем составе углеводороды с 4-12 атомами углерода, в дизельном топливе содержатся углеводороды с 12-25 атомами, а в масле - с 25-70 атомами. При увеличении числа атомов растет и масса молекул. Посредством крекинга происходит расщепление тяжелых молекул на более легкие и их превращение в легко кипящие углеводороды. При этом образуются бензиновые, керосиновые и дизельные фракции.
В термическом крекинге выделяют:

парофазный крекинг, при котором нефть нагревают до 520-550°С и давлении 2-6 атм. На сегодняшний день этот метод является устаревшим и не используется, потому что характеризуется низкой производительности и большим содержанием (до 40%) непредельных углеводородов в конечном продукте
жидкофазный крекинг осуществляется при температура 480-500°С и давлении 20-50 атм. Возрастает уровень производительности, уменьшается объем (25-30%) непредельных углеводородов. Бензиновые фракции, полученные термическим крекингом, применяют как компонент товарных автомобильных бензинов. Топлива после такого процесса имеют низкую химическую стабильность, которую можно улучшить при помощи введения в топливо особых антиокислительных добавок.

Каталитический крекинг является более совершенным технологическим процессом. Во время этого процесса происходит расщепление тяжелых молекул углеводородов нефти в условиях температуры 430-530°С и давления, которое близко к атмосферному в присутствии катализаторов. Задача катализатора - направить процесс и способствовать изомерации предельных углеводородов, а также реакции превращения из непредельных в предельные. Бензин, полученный таким образом, отличается высокой детонационной стойкостью и химической стабильностью.
Кроме этого используется подвид каталитического крекинга - гидрокрекинг. В ходе данного процесса тяжелое сырье разлагается при помощи водорода при температуре 420-500°С и давлении 200 атм. Реакция возможна только в особом реакторе в присутствии катализаторов (окиси W, Mo, Pt). Результатом гидрокрекинга является топливо для турбореактивных силовых агрегатов.
В процессе каталитического риформинга происходит ароматизация бензиновых фракций вследствие каталитического преобразования нафтеновых и парафиновых углеводородов в ароматические. Помимо ароматизации молекулы парафиновых углеводородов подвергаются изомерации, самые тяжелые углеводороды расщепляются на более мелкие.

Продукты переработки нефти

Всем известно, что нефть - это ценнейшее сырье является для производства топлива для различных средств передвижения, к примеру, бензин и дизельное топливо для автомобилей, авиационный керосин для реактивных двигателей самолетов. Топливо - это главный продукт переработки нефти. Однако одним топливом переработка нефти не заканчивается. Сегодня из нефти производят огромное количество других полезных компонентов, применяемых в совершенно неожиданных вещах. Подобные продукты переработки нефти мы используем в нашей повседневной жизни, но не подозреваем об их происхождении.
Самым востребованным на сегодняшний день можно назвать полиэтилен или пластик. Миллионами тонн полиэтиленовый пластик расходуется для создания пластиковых мешков, пищевых контейнеров и прочих товаров массового использования.
Наверно все люди когда-либо использовали вазелин. Его изобрел английский химик Роберт Чезбро, который был крайне любопытен и наблюдателен, вследствие чего сумел разглядеть полезные качества этого вещества в остатках переработки нефти еще в конце 19 века. Сегодня вазелин применяется в медицине, в косметологии и даже как пищевая добавка.
Косметикой и в частности губной помадой женщины пользуются не одно тысячелетие. Раньше губная помада содержала различные вредные компоненты. Однако сегодня она обладает рядом полезных качеств, а в ее состав входят углеводороды: жидкий и твердый парафин, церезин.
Еще одним популярнейшим продуктом, в составе которого присутствуют углеводороды, является жевательная резинка. В ее основе лежат не только природные компоненты, но и полиэтиленовые и парафиновые смолы. Вследствие того, что жвачка состоит из полученных нефтепереработкой полимеров, она разлагается крайне долго. По этой причине не нужно бросать жвачку на улице, так как она будет лежать в земле много много лет.
Пожалуй, самый уникальный материал, получаемый из нефти - это нейлон. Современную жизнь сложно представить без нейлоновых колготок. Нейлон - очень крепкий и легкий материал. Одними колготками его использование не заканчивается. Из него изготавливают средства для мытья посуды и парашюты. Изобрели этот полимер в 1935 году специалисты компании DuPont.

Методы переработки нефти делятся на первичные и вторичные. Рассмотрим первичные методы при поступлении нефти на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ).

Предварительная подготовка нефти

Ректификация

Предварительно подготовленная сырая нефть разделяется на группы углеводородов (фракции) при помощи процессов первичной переработки — атмосферной перегонки и вакуумной дистилляции.
Сам процесс переработки представляет собой испарение сырой нефти и отгон полученных фракций за счёт разности температур закипания. Такой процесс называется прямой перегонки или ректификацией.

Атмосферная перегонка — происходит в ректификационной колонне при атмосферном давлении. В результате которой получают бензиновую, керосиновую, дизельную фракции и мазут.

Вакуумная дистилляция — разделение мазута, оставшегося от атмосферной перегонки, до гудрона с получением либо широкой дистиллятной фракции (топливный вариант), либо узких масляных фракций (маслянный вариант).

Таким образом, результатом первичной переработки нефти являются нефтепродукты и полупродукты для дальнейшей переработки вторичными методами с улучшением их товарного качества.

Процессы вторичной переработки нефти

Методы вторичной переработки нефти можно разделить на термические и каталитические.

Методы, используемые для вторичной переработки нефти можно разделить на термические и каталитические процессы.

Висбрекинг

Висбрекинг – процесс выработки из гудрона и подобных ему остаточных продуктов нефтепереработки котельного топлива с улучшенными эксплуатационными свойствами, характеризующимися пониженными уровнем вязкости и показателем температуры застывания.

При термическом крекинге происходит выработка дополнительного объема светлого сырья, также при использовании этого процесса обработки возможно получение нефтепродуктов, используемых на оборудовании, применяемом для производства электродного кокса и сырья, на основе которого получают технический углерод. Объем получаемого светлого нефтепродукта при этом достаточно низок и требует дальнейшей обработки.

Сырье для переработки путем риформинга – прямогонный бензин с октановым числом 80-85 единиц. Данный метод нефтепереработки позволяет вывести 78-82% конечного продукта. Вместе с тем, получаемый таким способом базовый бензин содержит достаточно высокий процент ароматических углеводородов (50-65%), в том числе до 7% бензола, что в значительной степени увеличивает уровень образования нагара и способствует увеличению уровня выбросов в атмосферу канцерогенных веществ, а также содержит недостаточное количество легких фракций.

Для получения бензина, соответствующего утвержденным стандартам, используют легкие изопарафины, которые выводят из парафинов нормального строения с помощью каталитической изомеризации в водородсодержащей среде.

В виде компонента товарного бензина на нефтеперерабатывающих заводах в процессе выработки сырья риформинга остается наиболее легкая часть прямого бензина, так называемая головка. При этом для основной доли перерабатываемой нефти характерно наличие головной фракции с низким октановым числом. Повышение октанового числа легкой фракции на 15-20 единиц возможно путем ее изомеризации, что позволяет использовать ее в качестве компонента товарного бензина.

Гидрокрекинг

Гидрокрекингом называют процесс переработки мазута, вакуумного газойля или деасфальтизата под давлением водорода, предназначенный для получения любых видов светлых нефтепродуктов, в том числе автомобильного бензина, дизельного топлива, сжиженных газов и других видов светлых нефтепродуктов. Вид конечного продукта зависит от настроек и объема используемого водорода.

Кстати, прочтите эту статью тоже: ЭЛОУ: варианты схем и типы электродегидраторов

Гидрокрекинг применяют и для выработки легкокипящих углеводородов. В этом случаем сырьевым материалом выступают среднедистиллятные фракции и тяжелый бензин.

С помощью процесса гидрокрекинга возможна выработка только продуктов разложения, реакции уплотнения при этом методе обработки нефтепродукта подавляются из-за воздействия водорода.

Предприятия, специализирующиеся на производстве топливно-масляной продукции, получают дистиллятные фракции посредством выделения из фракций вакуумного газойля, остаточные масляные фракции – из диасфальтизата гудрона. Обычно при производстве масел используют экстракционные процессы. При этом условия, необходимые для успешного протекания процессов переработки, различны, что обусловлено различием химического состава конечного продукта, получаемого из нефтей разного происхождения.

Для нормального функционирования сегодня нефтеперерабатывающие заводы должны отвечать следующим требованиям:

— иметь возможность производства достаточного объема конечного продукта, чтобы полностью покрывать потребности региона;

— производить продукцию, отвечающую современным высоким стандартам качества;

— стремиться к налаживанию безостановочного процесса нефтепереработки;

— осуществлять комплексное производство продукции нефтегазовой отрасли;

— удерживать высокий уровень конкурентоспособности;

— отвечать всем нормам технологической и экологической безопасности производства.

ВАМ БУДЕТ ИНТЕРЕСНО:

Нефтеперерабатывающие заводы России Перевод баррелей нефти в тонны и обратно Объем переработки сырой нефти в 2018 г на российских НПЗ останется на уровне 280 млн т. На Краснодарском НПЗ в 2017 г глубина переработки нефти выросла на 4,2%, до 74,1%

Нефть разделяется на фракции для получения нефтепродуктов в два этапа, то есть перегонка нефти проходит через первичную и вторичную обработку.

Процесс первичной нефтепереработки

На этом этапе перегонки производится предварительное обезвоживание и обессоливание сырой нефти на специальном оборудовании для выделения солей и остальных примесей, которые могут вызывать коррозию аппаратуры и снижать качество продуктов нефтепереработки. После этого в нефти содержится всего 3-4 мг солей на литр и не более 0,1 % воды. Подготовленный продукт готов к перегонке.

По причине того, что жидкие углеводороды кипят при различной температуре, это свойство используется при перегонке нефти, чтобы выделить из нее отдельные фракции при разных фазах кипения. Перегонка нефти на первых нефтеперерабатывающих предприятиях давала возможность выделять следующие фракции в зависимости от температуры: бензин (выкипает при 180°С и ниже), реактивное топливо (выкипает при 180-240°С) и дизтопливо (выкипает при 240-350°С). От перегонки нефти остается мазут.

В процессе перегонки нефть разделяется по на фракции (составные части). В результате получаются товарные нефтепродукты или их компоненты. Перегонка нефти является начальным этапом ее переработки на специализированных заводах.

При нагревании образуется паровая фаза, состав которой отличен от жидкости. Получаемые перегонкой нефти фракции обычно являются не чистым продуктом, а смесью углеводородов. Отдельные углеводороды удается выделить только благодаря многократной перегонке нефтяных фракций.

Прямая перегонка нефти выполняется

Методом однократного испарения (так называемая, равновесная дистилляция) или простой перегонки (фракционная дистилляция);

С использованием ректификации и без нее;

С помощью испаряющего агента;

Под вакуумом и при атмосферном давлении.

Равновесная дистилляция менее четко разделяет нефть на фракции, чем простая перегонка. При этом в парообразное состояние при одинаковой температуре в первом случае переходит больше нефти, чем во втором.

Фракционная перегонка нефти дает возможность получить различное для дизельных и реактивных двигателей), а также сырье (бензол, ксилолы, этилбензол, этилен, бутадиен, пропилен), растворители и другие продукты.

Процесс вторичной нефтепереработки

Вторичная перегонка нефти проводится способом химического или термического каталитического расщепления тех продуктов, что выделены из нее в результате первичной нефтеперегонки. При этом получается большее количество бензиновых фракций, а также сырье для производства ароматических углеводородов (толуола, бензола и других). Самой распространенной технологией вторичной нефтепереработки нефти является крекинг.

Крекингом называют процесс высокотемпературной переработки нефти и выделенных фракций для получения (в основном) продуктов, у которых меньшая К ним можно отнести моторное топливо, масла для смазки и т. п., сырье для нефтехимической и химической промышленности. Протекание крекинга проходит с разрывом С—С связей и образованием карбанионов или свободных радикалов. Разрыв связей С—С выполняется одновременно с дегидрированием, изомеризацией, полимеризацией и конденсацией промежуточных и исходных веществ. Последние два процесса образуют крекинг-остаток, т.е. фракцию с температурой кипения выше 350°C и кокс.

Перегонка нефти методом крекинга была запатентована в 1891 году В. Г. Шуховым и С. Гавриловым, затем эти инженерные решения повторил У. Бартон при сооружении в США первой промышленной установки.

Крекинг проводится посредством нагревания сырья или воздействия катализаторов и высокой температуры.

Крекинг позволяет выделить из мазута больше полезных составляющих.