ПЕРЕРАБОТКА ЖИДКОГО ТОПЛИВА

Для добычи нефти и природно­го газа производят бурение скважин с помощью буровых устано­вок, состоящих из буровой вышки, колонн буровых труб, силовых и подъемных машин, электростанций и другого оборудования. Бу­рение скважин ведут с помощью вращения бурового инструмента — долота совместно с колонной свинченных буровых труб, либо за­бойным способом, когда колонна неподвижна, а вращается только долото; вращение долота производят с помощью электромотора (электробур) или турбины (турбобур), приводимой в действие потоком глинистого раствора, нагнетаемого в турбобур. Последний метод наиболее эффективен и наименее энергоемок.

Извлечение нефти из скважин производится фонтанным, ком­прессорным (газлифтным) или глубинно-насосным методами. По мере выработки пласта давление становится недоста­точным для подъема нефти на поверхность, и тогда переходят к принудительным методам — компрессорному и глубинно-насосному.

Нефть, поступающая на поверхность, содержит попутные газы (50—100 м³/т), воду (200—300 кг/т), минеральные соли (10—15 кг/т) На нефтяных промыслах производят подготовку нефти к переработке —удаление растворенных газов, воды, механических примесей, минеральных солей, атакже стабилизацию нефти. Отде­ление попутных газов ведут много­ступенчатой сепарацией в сепарато­рах-газоотделителях (трапах), где снижают давление и скорость пото­ка нефти; в результате происходит десорбция газов, совместно с кото­рыми удаляют, а затем частично конденсируют «газовый бензин» (конденсат) — смеси наиболее лег­ких углеводородов.

Удаление минеральных солей осуществляют многократной про­мывкой нефти водой, растворяю­щей соли. Воду, образующую эмуль­сию с нефтью, удаляют при даль­нейшей операции — обезвоживании нефти. Обезвоживают нефть, разрушая водно-нефтяную эмульсию химическими и технологическими методами; подогретая эмульсия расслаивается при обра­ботке ПАВ-деэмульгаторами. Остаточная вода присутствует в нефти в виде мельчайших частиц; такую эмульсию разрушают в электродегидрататорах при воздействии переменного электриче­ского тока высокого напряжения (30—45 кВ). Одновременно с обезвоживанием происходит и обессоливание нефти. Для нейтра­лизации химически активных примесей, корродирующих аппара­туру и трубопроводы (сернистые соединения, кислоты), нефть об­рабатывают дозированными количествами щелочей или аммиака.

Состав и классификация нефтей.Нефть представляет собой сложную смесь разнообразных химических соединений, в первую очередь углеводородов. В состав нефти входят жидкие и раство­ренные твердые парафиновые углеводороды (алканы), нафтеновые (циклоалканы), ароматические (арены) углеводороды — всего сот­ни наименований. Углеводородная часть нефти составляет 90— 95% от ее массы. Нефть содержит также нафтеновые кислоты, смолистые и асфальтовые вещества, сернистые соединения, азотис­тые соединения вида аминов, пиридина, хинолина и др. Элемен­тный состав нефти (массовые доли в %) меняется в пределах:

С —83—87; Н —12—14; S —0,3—3; О — 0,1 —1,0; N — 0,001—0,4.Классификация нефтей производится главным образом по прин­ципу наибольшего содержания в них углеводородов одного или не­скольких видов; по этому принципу нефти принято делить на па­рафиновые, парафино-нафтеновые, нафтеновые, нафтено-ароматические, парафино-нафтеноароматические и ароматические. По со­держанию твердых парафинов нефти делят на малопарафинистые (до 1,5% твердых парафинов), парафинистые (1,5—6%) и высоко-парафинистые (более 6%). По содержанию сернистых соединений нефти делят па малосернистые, содержащие до 0,5% S, сернис­тые — от 0,5% до 2% S и высокосернистые — более 2% S.

Физические свойства нефти определяются ее составом. Некото­рые из них изменяются в следующих пределах: относительная плотность от 0,72 до 1; температура застывания от —20 до +20°С (высокопарафинистая нефть); температура кипения — ни­же 100°С; вязкость — от 0,3 до 4 см²/с, цвет — от светло-желтого до темно-коричневого.

Характеристика важнейших нефтепродуктов.На нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) вырабатывают горючие и смазочные материалы, твердые и полужидкие смеси парафинов (парафин, це­резин, вазелин), битумы, электродный кокс, растворители, а также индивидуальные парафиновые, олефиновые (алкены) и аромати­ческие углеводороды. К жидким горючим нефтепродуктам отно­сятся: 1) моторные топлива — карбюраторные для авиационных и автомобильных поршневых двигателей с воспламенением от искры; топливо для реактивных двигателей; дизельное топливо для поршневых двигателей внутреннего сгорания; 2) котельное топливо для тепловых электростанций, промышленных печей, теплоходов и теп­ловозов— мазут и другие нефтяные остатки.

К карбюраторным топливам относятся авиационные бензины различных марок, автомобильные бензины и тракторное топливо— лигроины и керосин. Основной характеристикой бензинов и других карбюраторных топлив являются их детонационные свой­ства. Детонационные свойства бензинов определяют по их октановому числу; шкала октановых чисел отсчитывается от 0, за который принимают наименее стойкий н-гептан, до 100 — числа, отвечающего весьма стойкому к детонации изооктану. Наи­большую стойкость к детонации проявляют изомерные цикличе­ские и особенно ароматические углеводороды, некоторые из них (бензол, толуол, ксилол) имеют октановое число выше 100. Для низкооктановых бензинов применяют антидетонационные добавки. По­вышение октанового числа бензинов сейчас достигается не за счет токсичных антидетонационных присадок, а применением таких ме­тодов получения и обработки бензиновых фракций, как риформинг, а также добавкой к бензинам ароматических углеводородов.

Реактивные топлива представляют собой фракции керосина или смеси бензина с керосиновыми фракциями (авиабензины). Дизель­ное топливо, применяемое для поршневых двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, — это керосины, газойли и соляровые фракции. Дизельное топливо характеризуется цетановым числом, оценивающим самовоспламеняемость топлива, а так­же вязкостью, температурой застывания и др. Цетановое число — это содержание (объемные доли в %) цетана — гексадекана, при­нятого за 100 в смеси с a-метилнафталином, принятом за нуль, эквивалентной по самовоспламеняемости с испытуемым топливом в стандартных условиях. Чем выше цетановое число, тем лучше ка­чество дизельного топлива.

Смазочные масла — высококипящие фракции нефти, очищен­ные от примесей, в зависимости от области применения делят на индустриальные, турбинные, компрессорные, трансмиссионные, при­борные, моторные, специального назначения. Особую группу составляют смазочные масла, используемые в качестве ра­бочих жидкостей в гидравлических системах и тормозных смесях, а также трансформаторах и конденсаторах как электроизолирую­щая среда.

Консистентные смазки — это смазки, загущенные каким-либо загустителем, например мылами, твердыми углеводородами.

Для химической промышленности особенно важны индивиду­альные углеводороды переработки нефти и нефтяных газов; к ним относятся: парафины — метан, этан, пропан; олефины — этилен, пропилен; ароматические — бензол, толуол, ксилол. Углеводороды нефтепереработки служат основной сырьевой базой для органиче­ского и микробиологического синтеза, а также производства вы­сокомолекулярных продуктов.

Методы пере­работки нефти делят на первичные и вторичные. Первичные — физические методы разделения нефти основаны на разных температурных интервалах кипения отдельных фракций нефти; это прямая гонка нефти. Вторичные — химические методы, основаные нa полном преобразовании нефтяного сырья в результате глубоких структурных превращений углеводородов под влиянием повышен­ных температуры и давления, а также применения катализаторов; это различные виды крекинга и риформинга нефти и нефтепро­дуктов.

Все методы переработки нефти и нефтепродуктов основаны на высокотемпературных эндотермических процессах и реакциях, для осуществления которых необходим подвод теплоты извне. Типовыми реакторами для нагревания нефти и нефтепродуктов и для проведения химических превращений служат трубчатые печи различных типов с внешним обогревом пламенного или беспламенного горения.

В трубчатых печах нефть или нефтепродукты проходят внутри печи по трубам, сгруппированным в секции, нагреваясь до задан­ной температуры дымовыми газами, образующимися при сжигании топлива. Гидродинамический режим движения сырья в трубчатых печах близок к модели идеального вытеснения. Передача теплоты от горючих газов к жидким нефтепродуктам, протекающим по тру­бам, происходит излучением (радиацией) или конвекцией.

Различные типы трубчатых печей отличаются друг от друга числом и расположением конвекционных камер, горелок, перего­родок, радиантных труб, профилем свода и т. д.

На рис. 1, 2 изображены двухкамерная пламенная печь с наклонным сводом и вертикальная цилиндрическая печь беспламенного горения.
В двухкамерной печи горение топлива происходит в му­фельных каналах, где расположены форсунки. Более совершенны и экономич­ны печи с беспламенным сжигани­ем газообразного топлива и с излу­чающими стенками.

Основной аппаратурой перегонки нефти и разделения продуктов переработки нефти на фракции служат ректификационные ко­лонны различных типов. При ректификации происходит много­кратное контактирование паров и жидкости, позволяющее разде­лять нефть и нефтепродукты на фракции, различающиеся по тем­пературе кипения. На нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) применяют главным образом барботажные колпачковые ректифи­кационные колонны тарельчатого типа, имеющие 30—60 тарелок. Процессы каталитической деструктивной переработки нефти (кре­кинг) проводят в каталитических реакторах, обычно имеющих зо­ну катализа и зону регенерации потерявшего активность катали­затора. Применяют реакторы со взвешенным (кипящим) слоем ка­тализатора и с движущимся катализатором. Помимо основных ре­акционных аппаратов на НПЗ имеется вспомогательная аппара­тура— теплообменники, сборники, конденсаторы и др.

Прямая перегонка нефти. При перегонке нефти получают фракции (дистиллаты), температуры отбора и выход которых при пе­регонке отдельных видов нефтей представлены в табл. 9.2.

Перегонку нефти осуществляют на одно- или двухступенчатых установках. В одноступенчатых установках перегонку ведут при атмосферном давлении с получением моторных топлив и мазута, который применяют как топливо или для дальнейшей переработ­ки. Более рационально (меньший расход топлива) применение двухступенчатых атмосферно-вакуумных установок; на первой сту­пени под атмосферным давлением получают моторные топлива и мазут, а на второй ступени при пониженном давлении выделяют из мазута смазочные масла и гудрон, перерабатываемый в пек, асфальт, нефтяной кокс. Перегонка мазута производится под ваку­умом во избежание расщепления тяжелых углеводородов.

Нефтяное сырье последовательно проходит через теплообменни­ки, где нагревается до ~175°С за счет теплоты фракций ат­мосферной и вакуумной перегонки, и поступает в трубчатую печь, где нагревается до ~350°С. Парожидкостная смесь из трубчатой печи подается в нижнюю часть ректификационной колонны атмо­сферного давления, где происходит испарение летучих фракций и отделение паров от жидкого остатка — мазута. По высоте колонны в точно определенных интервалах температур ведется отбор дистиллатов — продуктов перегонки. Отобранные дистиллаты охлаж­дают в теплообменниках и водяных холодильниках. Бензиновый дистиллат частично возвращают на орошение колонны.

Таблица1