Переработка нефти. Способы и технология переработки нефти

Нефть представляет собой полезное ископаемое, имеющее консистенцию маслянистой жидкости. Данное горючее вещество в основном имеет черный цвет, но это зависит от района его добычи. Рассматривая нефть с химической точки зрения, можно сказать, что это вещество является сложной смесью углеводородов, в которой также присутствуют такие примеси соединений, как сера, азот и пр. Запах жидкости зависит от содержания в ее составе сернистых соединений и ароматических углеводородов. Нефть использовали в различных целях, но только в прошлом веке начала использоваться прямая перегонка нефти, она стала главным сырьем для изготовления топлива и множества органичных составов.

Состав нефти

Впервые изучением нефти в XIX веке начал заниматься Карл Шорлеммер, который являлся известным немецким химиком. В ходе проведения исследований вещества он обнаружил в нем простейшие углеводороды бутан (С4Н10), гексан (С6Н14) и пентан (С5Н12). Спустя некоторое время российский ученый В. В. Марковников в процессе исследования обнаружил в нефти достаточное количество циклических насыщенных углеводородов — циклопентана (С5Н10) и циклогексана (С6Н12).

На сегодняшний день установлено, что нефть и нефтепродукты соответственно имеют в своем составе более одной тысячи различных веществ, но некоторые из них представлены в малом количестве. Стоит отметить, что в данном веществе содержатся алициклические, насыщенные, ненасыщенные и ароматические углеводороды, имеющие разнообразное строение. В состав нефти также могут входить соединения азота, серы, а также кислородсодержащие соединения (фенолы и кислоты).

В настоящее время технология переработки нефти включает в себя такие процессы: однократная перегонка нефти и ратификация смесей. К ней часто применяются обобщенные наименования.

В процессе разделения нефти путем перегонки и ратификации получают фракции и дистилляты. Они выкипают при определенных температурах и представляют собой довольно сложные смеси. При этом отдельные фракции нефти в некоторых случаях состоят из небольшого количества компонентов, значительно различающихся температурами кипения. По этой причине смеси могут классифицироваться на дискретные, непрерывные и дискретно-непрерывные.

Продукты переработки нефти

К продуктам переработки относится парафин, вазелин, церезин, различные масла и прочие вещества с выраженными водоотталкивающими свойствами. Благодаря данной особенности их применяют для изготовления чистящих средств и кремов.

Так называемая первичная перегонка нефти выполняется благодаря естественному напору подземных вод, которые располагаются под нефтяной залежью. Под давлением нефть будет поднята на поверхность с глубины. Ускорить процедуру можно с применением насосов. Данная процедура позволяет добыть около 25-30% нефти. Для вторичной добычи в нефтяной пласт в основном накачивают воду или же нагнетают диоксид углерода. В результате этих действий на поверхность можно вытеснить еще примерно 35% вещества.

В процессе первичной перегонки нефти и вторичной термической переработки выделяются продукты перегонки нефти, в которых содержится сероводород. В значительной степени это зависит от условий предварительной сепарации нефти, а также эксплуатируемых месторождений. Содержание в составе нефти сероводорода является важным показателем, определяющим множество факторов.

Методы переработки нефти. Фракционная перегонка

Главным методом переработки является фракционная перегонка нефти. Данная процедура подразумевает разделение вещества на фракции, которые отличаются по составу. Дистилляция основана на различии в температурах кипения компонентов нефти.

Фракция представляет собой химическую часть вещества с одинаковыми физическими и химическими свойствами, которая выделяется в процессе перегонки.

Прямая перегонка представляет собой физический метод переработки нефти с применением атмосферно-вакуумной установки.

Принцип работы атмосферно-вакуумной установки

В специальной трубчатой печи происходит нагрев нефти при температуре 350°С. В результате этой процедуры образуется смесь жидкого остатка и паров вещества, которая поступает в ректификационную колонну с теплообменниками.

Далее соблюдается схема перегонки нефти, которая предусматривает осуществление в ректификационной колонне разделения паров нефти на фракции, которые составляют собой различные нефтепродукты. При этом температура их кипения имеет различия в несколько градусов.

Тяжелые фракции вещества поступают в устройство в жидкой фазе. Они отделяются от паров в нижней ее части и в виде мазута отводятся из нее.

Применяются следующие способы перегонки нефти для получения топлива в зависимости от химического состава нефти. В первом случае отбирают авиационные бензины в интервале температур кипения от 40 до 150°С, а также керосин для производства реактивного топлива - от 150 до 300°С. Во втором случае добывают автомобильные бензины при температуре кипения от 40 до 200°С, а дизельные топлива - от 200 до 350°С.

Мазут, который остается после отгона топливных фракций, применяют для образования крекинг-бензинов и масел. Углеводороды, имеющие температуру кипения меньше 40°С, используются в качестве сырья для изготовления определенных синтетических продуктов, добавок к некоторым бензинам, а также как топливо для автомобилей.

Таким образом, вакуумная перегонка нефти позволяет добыть такие дистилляты: бензин, керосин, соляр, лигроин и газойль. Средний выход бензиновых фракций зависит от характеристик добываемого вещества и варьируется от 15 до 20%. Доля остального топлива составляет до 30%. Лигроин обладает большей плотностью, нежели бензин, и применяется для создания высокооктановых бензинов, а также в качестве дизельного топлива для автомобилей. Газойль представляет собой промежуточный продукт между смазочными маслами и керосином. Его образовывает прямая перегонка нефти, после чего его применяют в качестве сырья для каталитического крекинга и топлива для дизелей.

Продукты, получаемые в результате прямой перегонки, отличаются высокой химической стабильностью благодаря отсутствию в своем составе непредельных углеводородов.

Крекинг

Увеличить выход бензиновых фракций можно благодаря применению крекинг-процессов для переработки нефти. Крекинг представляет собой процесс перегонки нефти и нефтепродуктов, который основан на расщеплении молекул сложных углеводородов в условиях высоких давлений и температур. В 1875 году крекинг был впервые предложен А.А. Летним, российским ученым, после чего он был разработан в 1891 году В.Г. Шуховым. Несмотря на это, первая промышленная установка, в которой предусматривалась прямая перегонка, была сооружена в США.

Крекинг делится на следующие виды: термический, каталитический, гидрокрекинг и каталитический риформинг. Термический крекинг применяется для образования бензина, керосина и дизельного топлива. К примеру, при температуре до 500°С и давлении 5 МПа имеющийся в составе дизельного топлива и керосина углеводород цетан разлагается на вещества, которые входят в состав бензина.

Термический крекинг

Бензин, создаваемый путем термического крекинга, обладает невысоким октановым числом и большим содержанием непредельных углеводородов. Из этого можно сделать вывод, что бензин имеет плохую химическую стабильность. Поэтому его будут применять только в качестве компонента для образования товарных бензинов.

На сегодняшний день установки для термического крекинга не сооружаются. Это объясняется тем, что с их помощью получают продукты перегонки нефти, которые в условиях хранения окисляются. В них образовываются смолы, поэтому в вещество вводят специальные присадки, предназначенные для снижения степени осмоления.

Каталитический крекинг

Каталитический крекинг представляет собой процесс перегонки нефти для получения бензина, который основан на расщеплении углеводородов и изменении их структуры, что происходит благодаря катализатору и высоким температурам. Впервые каталитический крекинг был осуществлен в 1919 году в России на заводской установке.

При каталитическом крекинге в качестве сырья применяют фракции соляра и газойля, которые образуются в случае прямой перегонки нефти. Их нагревают до температуры около 500°С при соблюдении давления 0,15 МПа с использованием алюмоселикатного катализатора. Он позволяет ускорить процедуру расщепления молекул сырья и превращает продукты распада в ароматические углеводороды. Прямая перегонка позволяет бензинам иметь большее октановое число, нежели при термическом крекинге. Продукты каталитического крекинга представляют собой обязательные составляющие топлива марки А-72 и А-76.

Гидрокрекинг

Гидрокрекинг представляет собой процедуру переработки, которая распространяется на нефть и нефтепродукты. Он состоит из крекирования и гидрирования сырья. Его выполняют в условиях температуры около 400°С и давления водорода до 20 МПа. При этом используются специальные молибденовые катализаторы. В таком случае октановое число бензиновых фракций будет еще больше. Данный процесс также способен повысить выход светлых нефтепродуктов, таких как реактивное и дизельное топливо, бензин.

Каталитический риформинг

Сырьем для каталитического риформинга служат бензиновые фракции, получаемые при температуре не более 180°С в процессе первичной перегонки нефти. Данную процедуру производят в условиях водосодержащего газа. При этом температура составляет около 500°С, а давление 4 МПа. Также применяется платиновый или молибденовый катализатор.

Гидроформингом называют риформинг с применением молибденового катализатора, а платформингом - процедуру с использованием платинового катализатора. Более простым и безопасным методом является платформинг, поэтому его применяют намного чаще. Для получения высокооктанового компонента автомобильных бензинов используют каталитический риформинг.

Получение смазочных масел

В 1876 году В.И. Рогозиным был сооружен первый в мире завод по изготовлению мазута и масел около Нижнего Новгорода. Рассматривая способ производства, масла можно разделить остаточные и дистиллятные масла. В первом случае мазут нагревают до температуры около 400°С в вакуумной колонне. Из мазута выходит только 50% дистиллятных масел, а остальная часть состоит из гудрона.

Остаточные масла представляют собой очищенные гудроны. Для их образования полугудрон или мазут дополняют сжиженным пропаном, в условиях невысокой температуры около 50°С. Прямая перегонка позволяет производить трансмиссионные и авиационные масла. В смазочных маслах, которые будут получены из мазута, содержатся углеводороды. Кроме них, имеются сернистые соединения, нафтеновые кислоты, а также смолисто-асфальтовые вещества, поэтому необходимо выполнять их очистку.

Нефтеперерабатывающая промышленность России

Нефтеперерабатывающая промышленность представляет собой отрасль нефтяной промышленности России. На данный момент в стране действует более тридцати крупных предприятий, специализирующихся на переработке нефти. Ими добываются большие объемы автомобильного бензина, дизельного топлива и мазута. Преимущественное количество предприятий начало свое существование в последние два десятилетия. При этом некоторые из них занимают лидирующие позиции на рынке.

В большинстве случаев ими применяется фракционная перегонка нефти, которая наиболее актуальна в современных условиях. Предприятиями изготавливаются высококачественные средства, которые пользуются большим спросом не только на отечественном, но и на мировом рынке.

Нефть представляет собой важнейшее исходное сырье для промышленности России. Вопросы, которые связаны с этим ресурсом, во все времена считались одними из главных для экономики страны. Переработка нефти в России осуществляется специализированными предприятиями. Далее рассмотрим особенности этой отрасли более подробно.

Общие сведения

Отечественные нефтеперерабатывающие заводы стали появляться еще в 1745 году. Первое предприятие было основано братьями Чумеловыми на реке Ухте. Оно выпускало весьма востребованные в то время керосин и смазочные масла. В 1995 году первичная переработка нефти составила уже 180 млн тонн. Среди основных факторов размещения предприятий, занятых в этой отрасли, выступают сырьевой и потребительский.

Развитие отрасли

Основные нефтеперерабатывающие предприятия появились в России в послевоенные годы. До 1965-го в стране было создано порядка 16 мощностей, что составляет больше половины действующих в настоящее время. Во время экономических преобразований 1990-х годов отмечался значительный спад производства. Это было связано с резким снижением внутреннего потребления нефти. Вследствие этого качество выпускаемой продукции было достаточно низким. Упал и коэффициент глубины переработки до 67,4%. Только к 1999 году Омскому НПЗ удалось приблизиться к европейским и американским стандартам.

Современные реалии

В последние несколько лет переработка нефти стала выходить на новый уровень. Это обусловлено инвестициями в эту отрасль. С 2006 года они составили более 40 млрд руб. Кроме того, значительно увеличился и коэффициент глубины переработки. В 2010 году по указу Президента РФ было запрещено подключать к магистралям те предприятия, у которых он не достигал 70%. Глава государства объяснил это тем, что таким комбинатам необходима серьезная модернизация. В целом по стране количество таких мини-предприятий достигает 250. К концу 2012-го было запланировано построить крупный комплекс на конце трубопровода, проходящего к Тихому океану по Восточной Сибири. Его глубина переработки должна была составить порядка 93%. Этот показатель будет соответствовать уровню, который достигнут на аналогичных предприятиях США. Нефтеперерабатывающая промышленность, консолидированная в большей своей части, находится под контролем таких компаний, как "Роснефть", "Лукойл", "Газпром", "Сургутнефтегаз", "Башнефть" и пр.

Значение отрасли

На сегодняшний день добыча и переработка нефти считаются одними из самых перспективных отраслей промышленности. Постоянно увеличивается число крупных и мелких предприятий, занятых в них. Переработка нефти и газа приносит стабильный доход, оказывая положительное влияние на экономическое состояние страны в целом. Наиболее развита данная отрасль в центре государства, Челябинской и Тюменской областях. Продукты переработки нефти востребованы не только внутри страны, но и за ее пределами. Сегодня предприятиями производятся керосин, бензин, авиационное, ракетное, дизельное топливо, битумы, моторные масла, мазут и так далее. Практически все комбинаты созданы рядом с вышками. Благодаря этому переработка и транспортировка нефти осуществляются с минимальными затратами. Наиболее крупные предприятия располагаются в Поволжском, Сибирском, Центральном ФО. На эти нефтеперерабатывающие заводы приходится порядка 70% всех мощностей. Среди субъектов страны лидирующие позиции в отрасли занимает Башкирия. Переработка нефти и газа осуществляется в Ханты-Мансийске, Омской области. Работают предприятия и в Краснодарском крае.

Статистика по регионам

В европейской части страны основные производства располагаются в Ленинградской, Нижегородской, Ярославской и Рязанской областях, Краснодарском крае, на Дальнем Востоке и юге Сибири, в таких городах, как Комсомольск-на-Амуре, Хабаровск, Ачинск, Ангарск, Омск. Современные НПЗ сооружены в Пермском крае, Самарской области и Башкирии. Эти регионы всегда считались крупнейшими центрами по добыче нефти. С перемещением производств в Западную Сибирь промышленные мощности в Поволжье и на Урале стали избыточными. На 2004 год лидером среди субъектов РФ по первичной обработке нефти стала Башкирия. В этом регионе показатели находились на уровне 44 млн тонн. В 2002 году на заводы Башкортостана приходилось порядка 15% общего объема переработки нефти по РФ. Это около 25,2 млн т. На следующем месте оказалась Самарская область. Она давала стране порядка 17,5 млн тонн. Далее по объему были Ленинградская (14,8 млн) и Омская (13,3 млн) области. Общая доля этих четырех субъектов составила 29% от общероссийской нефтепереработки.

Технология переработки нефти

В производственный цикл предприятий входят:

Подготовка сырья.
Первичная переработка нефти.
Вторичный перегон фракций.

В современных условиях переработка нефти осуществляется на предприятиях, оснащенных сложными по своей конструкции машинами и аппаратами. Они функционируют в условиях низкой температуры, высокого давления, глубокого вакуума и зачастую в агрессивной среде. Процесс переработки нефти включает в себя несколько ступеней на комбинированных или отдельных установках. Они предназначены для получения широкого ассортимента продукции.

Очистка

В ходе этого этапа осуществляется обработка сырья. Очистке подвергается нефть, поступающая с промыслов. В составе нее находятся 100-700 мг/л солей и вода (менее 1%). В ходе очистки содержание первого компонента доводится до 3-х и менее мг/л. Доля воды при этом составляет меньше 0,1%. Очистка осуществляется на электрообессоливающих установках.

Классификация

Любой завод по переработке нефти применяет химические и физические методы обработки сырья. Посредством последних достигается разделение на масляные и топливные фракции либо удаление нежелательных комплексных химических элементов. Переработка нефти химическими методами позволяет получить новые компоненты. Эти превращения классифицируются:

Основные этапы

Главным процессом после очистки на ЭЛОУ выступает атмосферная перегонка. В ходе нее осуществляется отбор топливных фракций: бензиновых, дизельного и реактивного топлива, а также осветительного керосина. Также при атмосферной перегонке отделяется мазут. Он используется или в качестве сырья для следующей глубокой переработки, или как элемент котельного топлива. Фракции затем подвергаются облагораживанию. Они проходят гидроочистку от гетероатомных соединений. Бензины подвергаются каталитическому риформингу. Этот процесс используется для повышения качества сырья либо для получения индивидуальных ароматических углеводородов - материала для нефтехимии. К последним, в частности, относят бензол, толуол, ксилолы и так далее. Мазут проходит вакуумную перегонку. Этот процесс позволяет получить широкую фракцию газойля. Это сырье проходит последующую переработку на установках гидро- или каталитического крекинга. В результате получают компоненты моторных топлив, масляные узкие дистиллятные фракции. Они далее направляются на следующие этапы очистки: селективную обработку, депарафинизацию и прочие. После вакуумной перегонки остается гудрон. Он может использоваться как сырье, применяемое при глубокой переработке для получения дополнительного объема моторных топлив, нефтяного кокса, строительного и дорожного битума, или как компонент котельного топлива.

Способы переработки нефти: гидроочистка

Этот метод считается наиболее распространенным. С помощью гидроочистки осуществляется переработка нефти сернистого и высокосернистого типа. Этот метод позволяет повысить качество моторных топлив. В ходе процесса удаляют сернистые, кислородные и азотистые соединения, выполняют гидрирование олефинов сырья в водородной среде на алюмокобальтмолибденовых либо никельмолибденовых катализаторах при давлении в 2-4 Мпа и температуре 300-400 градусов. Другими словами, при гидроочистке органические вещества, содержащие азот и серу, разлагаются. Они вступают в реакцию с водородом, который циркулирует в системе. В результате образуются сероводород и аммиак. Полученные соединения удаляются из системы. В ходе всего процесса 95-99% от исходного сырья превращаются в очищенный продукт. Вместе с этим образуется небольшой объем бензина. Активный катализатор подвергается периодической регенерации.

Каталитический крекинг

Он протекает без давления при температуре 500-550 градусов на цеолитсодержащих катализаторах. Данный процесс считается наиболее эффективным и углубляющим переработку нефти. Это обусловлено тем, что в ходе него из высококипящих мазутных фракций (вакуумного газойля) можно получать до 40-60% высокооктанового автобензинового компонента. Кроме того, из них выделяют жирный газ (порядка 10-25%). Он, в свою очередь, используется на установках алкилирования или эфирных производствах для получения высокооктановых компонентов авто- или авиабензинов. В ходе крекинга на катализаторе формируются углистые отложения. Они резко снижают его активность - крекирующую способность в данном случае. Для восстановления компонент подвергается регенерации. Наиболее распространены установки, в которых циркуляция катализатора осуществляется в псевдоожиженном или кипящем слое и в движущемся потоке.

Каталитический риформинг

Это современный и достаточно широко используемый процесс для получения низко- и высокооктановых бензинов. Он проводится при температуре 500 градусов и давлении в 1-4 Мпа в водородной среде на алюмоплатиновом катализаторе. При помощи каталитического риформинга выполняются преимущественно химические превращения парафиновых и нафтеновых углеводородов в ароматические. Вследствие этого значительно увеличивается октановое число (до 100 пунктов). К продуктам, которые получают при каталитическом риформинге, относят ксилолы, толуол, бензол, применяемые затем в нефтехимической промышленности. Выходы риформата, как правило, составляют 73-90%. Для сохранения активности катализатор периодически подвергается регенерации. Чем ниже будет давление в системе, тем чаще выполняется восстановление. Исключение при этом составляет процесс платформинга. В ходе него катализатор не подвергают регенерации. В качестве главной особенности всего процесса выступает то, что он проходит в среде водорода, излишек которого удаляется из системы. Он намного дешевле, чем получаемый специально. Избыточный водород затем применяется в гидрогенизационных процессах переработки нефти.

Алкилирование

Этот процесс позволяет получать высококачественные компоненты автомобильных и авиационных бензинов. В его основе лежит взаимодействие олефиновых и парафиновых углеводородов с получением более высококипящего парафинового углеводорода. Еще недавно промышленное изменение данного процесса было ограничено каталитическим алкилированием бутилена изобутанами в присутствии фтористоводородной или серной кислот. В течение последних лет, кроме указанных соединений, используют пропилен, этилен и даже амилены, а в некоторых случаях смеси этих олефинов.

Изомеризация

Она представляет собой процесс, в ходе которого осуществляется превращение парафиновых низкооктановых углеводородов в соответствующие изопарафиновые фракции, имеющие более высокое октановое число. Используются при этом преимущественно фракции С5 и С6 либо их смеси. На промышленных установках при соответствующих условиях можно получить до 97-99,7% продуктов. Изомеризация проходит в водородной среде. Катализатор периодически подвергается регенерации.

Полимеризация

Этот процесс представляет собой превращение бутиленов и пропилена в олигомерные жидкие соединения. Они применяются в качестве компонентов автомобильных бензинов. Эти соединения также являются сырьем для нефтехимических процессов. В зависимости от исходного материала, производственного режима и катализатора объем на выходе может меняться в достаточно широких пределах.

Перспективные направления

В течение последних десятилетий особое внимание уделяется комбинированию и укреплению мощностей, занятых в первичной нефтепереработке. Еще одним актуальным направлением является внедрение установок крупнотоннажных комплексов по планируемому углублению обработки сырья. За счет этого будет сокращен производственный объем мазута и увеличен выпуск светлого двигательного топлива, нефтехимических продуктов для полимерной химии и органического синтеза.

Конкурентоспособность

Нефтеперерабатывающая промышленность сегодня - это весьма перспективная отрасль. Она отличается высокой конкурентоспособностью как на внутреннем, так и на международном рынке. Собственные производственные мощности позволяют полностью покрыть потребности в пределах государства. Что касается импорта, то он осуществляется в сравнительно небольших объемах, локально и эпизодически. Россия сегодня считается крупнейшим среди прочих стран экспортером нефтепродуктов. Высокая конкурентоспособность обусловлена абсолютной обеспеченностью сырьем и относительно невысоким уровнем расходов на дополнительные материальные ресурсы, электроэнергию, защиту окружающей среды. В качестве одного из негативных факторов в этом промышленном секторе выступает технологическая зависимость отечественной нефтепереработки от зарубежных государств. Несомненно, это не единственная проблема, которая существует в отрасли. На правительственном уровне постоянно ведется работа по улучшению ситуации в этом промышленном секторе. В частности, разрабатываются программы по модернизации предприятий. Особое значение имеет в данной области деятельность крупных нефтяных компаний, производителей современного производственного оборудования.

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.

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.

Владимир Хомутко

Время на чтение: 7 минут

А А

Как происходит первичная переработка нефти?

Нефть – это сложная смесь углеводородных соединений. Выглядит она как маслянистая вязкая жидкость с характерным запахом, цвет которой в основном варьируется от темно-коричневого до черного, хотя бывают и светлые, почти прозрачные нефти.

Эта жидкость обладает слабой флюоресценцией, её плотность меньше, чем у воды, в которой она почти не растворяется. Плотность нефти может иметь имеет значение от 0,65-0,70 грамм на кубический сантиметр (легкие сорта), а также 0,98-1,00 грамма на кубический сантиметр (тяжелые сорта).

Задача вакуумной перегонки – отбор из мазута дистиллятов масляного типа (если НПЗ специализируется на производстве масел и смазок) либо широкой масляной фракции широкого спектра, которая называется вакуумный газойль (если специализация НПЗ – производство моторного топлива). После вакуумной перегонки образуется остаток, называемый гудроном.

Необходимость такой переработки мазута под вакуумом объясняется тем, что при значении температуры более 380-ти градусов начинается процесс крекинга (термического разложения углеводородов), а точка выкипания вакуумного газойля – это более 520-ти градусов. Из-за этого перегонку необходимо проводить при остаточном значении давления на уровне 40-60 миллиметров ртутного столба, что дает возможность уменьшить максимальне температурное значение в установке до 360-ти – 380-ти градусов.

Вакуумная среда в такой колонне создается с помощью специализированного оборудования, основным ключевым элементом которого являются либо жидкостные, либо паровые эжекторы.

Получаемая прямой перегонкой продукция

С помощью первичной перегонки нефтяного сырья получают следующие продукты:

углеводородный газ, который выводят посредством головки стабилизации; применяется в качестве бытового топлива и сырья для процессов газофракционирования;
бензиновые фракции (температура выкипания – до 180 градусов); используется в качестве сырья для процессов вторичной перегонки в установках каталитического риформинга и крекинга, пиролиза и других видов переработки нефти (точнее, её фракций), с целью получения товарных автомобильных бензинов;
керосиновые фракции (температура выкипания – от 120-ти до 315 градусов); после прохождения гидроочистки их применяют как реактивное и тракторное топливо;
атмосферный газойль (дизельные фракции), который выкипает в диапазоне от 180-ти до 350-ти градусов; после чего, пройдя соответствующую обработку и очистку, он применяется как топливо для дивгателей дизельного типа;
мазут, который выкипает при температурах свыше 350-ти градусов; используется как топливо для котельных и как сырьё для термических крекинговых установок;
вакуумный газойль с температурой выкипания от 350 до 500 градусов и более; является сырьём для каталитического и гидрокрекинга, а также для производства масляных нефтепродуктов;
гудрон – температура выкипания – более 500 градусов; который выступает сырьем для установок коксования и термического крекинга, с целью получения битумов и различных видов нефтяных масел.

Технологическая схема прямой перегонки (из учебника в редакции Глаголевой и Капустина)

Расшифруем обозначения:

К-1 – колонна отбензинивания;
К-2 – колонна атмосферной переработки нефти;
К-3 – колонна отпаривания;
К-4 – установка стабилизации;