Нефтепереработка — это даже не фундамент современной технологической цивилизации, во многом это она сама и есть. Посмотрите вокруг: большая часть окружающих нас вещей сделана из нефти, или при её непосредственном участии. Ведь нефть — чрезвычайно сложная смесь разных по свойствам углеводородов. Это лучше всего проявляется при нагревании. В отличие от «однородной» воды, способной выпариться полностью при 100°С и нормальном атмосферном давлении, нефть ведёт себя намного интереснее.
Что такое фракции?
При нагревании сырая нефть закипает в несколько заходов. Первый наступает, когда температура достигнет 65°С. Продолжая поддерживать эту температуру, мы с удивлением заметим, что спустя некоторое время кипение… прекратится, а количество нефти — уменьшится! Настойчивый исследователь на этом не остановится и продолжит процесс нагревания, и на отметке в 230°С нефть закипит снова и, потеряв часть массы, «успокоится».
Упорные исследователи, достигнув отметок в 400 и 480°С, получат в итоге вязкую чёрную субстанцию, которую нагревать прежним способом уже не получится. Если нарисовать график, на котором отметить температуры кипения и объёмы испарившейся нефти, мы получим так называемую кривую разгонки. Эта кривая, как отпечаток пальцев у человека, уникальна для каждого месторождения и прямо указывает на состав нефти: обычно соединения с большим количеством атомов углерода кипят при более высокой температуре.
В «лёгкой» нефти плотностью до 0,88 г/см 3 преобладают бензиново-керосиновые фракции, они при прочих равных условиях обеспечивают больший выход бензина. К такому типу относятся нес колько эталонных марок:
- британская североморская Brent crude
- американская West Texas Intermediate crude (WTI)
- Страны ОПЕК предпочитают ссылаться на 7-марочную «корзину», в которую, помимо прочих, входят «лёгкая» нефть – саудовская Saudi Arabian Light crude
- нигерийская Bonny (Nigerian Bonny Light crude)
- сахарская смесь Saharan Blend из Алжира.
- Российская Urals к «лёгким» относится лишь частично – это смесь западносибирской нефти Siberian Light и высокосернистой нефти Урала и Поволжья.
Процесс ректификации нефти разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путём многократных испарений жидкости и конденсации паров
Как мы говорили ранее, нефть состоит из компонентов, их ещё называют фракции. Это группы соединений, закипающие в определённых температурных границах, называемых границами кипения фракции или пределами выкипания. Обычно сырая нефть содержит следующие фракции:
Переработка нефти
Главная задача нефтепереработки — выделить из сырой нефти нужные фракции. Мы уже частично описали этот процесс: сырую нефть постепенно нагревают и из неё «выпаривается» нужная фракция, позже фракцию «вылавливают» путём конденсирования. Всё это происходит в ректификационных колоннах, самой выразительной детали внешнего антуража любого нефтеперерабатывающего завода (НПЗ). В этих огромных цилиндрах перегонка идёт непрерывно, а число извлекаемых фракций больше, чем мы описали.
Как мы говорили ранее, нефть состоит из компонентов, их ещё называют фракции. Это группы соединений, закипающие в определённых температурных границах, называемых границами кипения фракции или пределами выкипания. Обычно сырая нефть содержит следующие фракции: Мощный насос выкачивает нефть из складских резервуаров в ректификационную колонну. Далее нефть проходит через печь и нагревается до температуры 350–390°С, так что непосредственно в колонну попадает горячая газожидкостная смесь. Колонна разделена дисками-«тарелками» с многочисленными трубками (нечто вроде дуршлага), через которые горячие пары поднимаются в верхнюю часть колонны.
Основная фишка ректификационной колонны кроется в бульканье (на профессиональном языке — барботаж). На каждом разделительном диске имеется отверстие-трубка, задача которой — заставить пары проходить через слой нефтяной жидкости. Что же происходит при барботаже? Горячие (около 400°С) пузырьки пара, проходя сквозь жидкость, отдают ей часть энергии и охлаждаются, и часть летучей фракции конденсируется в этой жидкости. На следующей тарелке процесс повторяется. Таким образом на каждой тарелке конденсируется определённая фракция, более горячая уходит дальше вверх на следующую тарелку.
Постепенно уровень жидкой фазы на тарелках повышается, и её излишки сливаются вниз через так называемые сливные стаканы. Таким образом, на каждом разделительном диске сверху будет накапливаться жидкая фаза одной фракции, и чем выше диск, тем легче будет накопленная фракция.
Конечно, какие-то молекулы попадают не в «свою тарелку», но технологи нашли эффективное противоядие — увеличение количества циклов испарения-конденсации. Конечно, процесс не идеален, приходится мириться с появлением так называемых «хвостов» — остатков фракций, не успевших выкипеть до конца и попавших на чужой уровень. Однако их доля не превышает нескольких процентов, к тому же избавиться от них позволяет дальнейшая переработка, ведь перегонка нефти в ректификационных колоннах — это первый этап обработки, дальше всё зависит, с какой фракцией мы имеем дело.
Расщепление мармелада
Проще всего с верхними фракциями. Это нефтяные газы: их раньше просто сжигали, но с развитием нефтехимии лёгкие углеводороды всё чаще используются для производства пластмасс, аэрозолей, синтетических материалов и т. д. Кроме того, сжиженные газы применяются в качестве топлива для транспорта и предприятий коммунального хозяйства.
Но если с газами всё более-менее понятно, то с другими продуктами перегонки дело обстоит сложнее. Прямогонный бензин после дополнительных процедур очистки можно поставлять на заправки, но его получается мало, примерно 20%. А что же делать с тяжёлыми фракциями, потребность в которых существенно ниже? Что делать с тяжёлым газойлем и мазутным остатком — «мармеладом»? Да-да, своё название он получил из-за сходства с густым мармеладом.
На помощь приходит крекинг (англ. cracking — расщепление) — «раскалывание» тяжёлых углеводородных молекул на лёгкие осколки полезных фракций за счёт разрыва углеродных связей C-C. Для такой операции требуется высокая температура, не менее 480°С, при которой средняя кинетическая энергия молекул превышает энергию их внутренних связей.
Первый этап крекинг-процесса — нагрев герметичного котла с мазутом до 130°C для удаления воды, воздуха и других примесей. Все они сбрасываются наружу. На заре нефтепереработки приоритетным продуктом был керосин, а лёгкие фракции, в том числе и бензиновые, рассматривались как отходы: их сжигали или выливали в водоёмы.
После очистки мазута нагрев котла усиливается, и температура его содержимого повышается до 345°C. Пары лёгких углеводородов специально не отводятся, а наоборот, по возвратным трубопроводам возвращаются в котёл, повышая давление до 5–6 атмосфер, с тем, чтобы не дать закипеть мазуту и «запустить» процесс крекинга, разрывающий тяжёлые молекулы типа алканов С20 (число атомов углерода) на обрывки С2-С18. А углеводороды С8-С10 — это и есть бензиновые фракции, а С15 — дизельные. Результаты крекинга — остаточная фракция с температурой кипения более 350°C и нефтяной кокс, представляющий собой чистый спёкшийся углерод. Сырьём для крекинга могут быть не только тяжёлые остатки, но и сырая нефть, при этом полученный бензин обладает более высоким октановым числом, чем прямогонный аналог.
Таким образом, крекинг увеличивает глубину переработки, доводя выход лёгких составляющих в 1,5 раза, с 40–45 до 55–60%!
