Переработка Нефти

ПЕРЕГОНКА НЕФТИ

Зачем нам вставать, еслирассвело?

Джон Донн «Рассвет»

Случайный человек, который пройдет мимо нефтепе­рерабатывающего завода и увидит множество высоких колонн, наверное решит, что это колонны крекинга. Это распространенная ошибка. Большинство этих высоких колонн является в действительности ректификационны­ми колоннами того или иного типа. Колонны крекинга, которые обычно короче и приземистее, будут рассмотре­ны в одной из следующих глав.

Перегонка нефти является замечательным изобрете­нием технологов-нефтяников, основанным на важной ха­рактеристике нефти, описанной в предыдущей главе, а именно, на кривой разгонки. Механизм, который при этом используется, не очень сложен и поэтому не осо­бенно интересен. Однако для полноты изложения мы рас­смотрим здесь и эти элементарные веши.

Простой перегонный куб

Для начала полезно провести аналогию. Самогонщик из Кентукки использует простой перегонный куб, чтобы отделить светлый продукт от негодного остатка (см. рис. 3.1). После ферментации кислого сусла, то есть ког­да прошла медленная биохимическая реакция с образо­ванием спирта, смесь нагревают до начала кипения спир­та. Светлый продукт испаряется. В виде пара он оказыва­ется легче жидкости. Поэтому он перемещается вверх, отделяется от жидкости и попадает в холодильник, где охлаждается и снова превращается в жидкость (конден­сируется). То, что остаётся в кубе, выбрасывают, а то,

Что ушло вверх, разливают в бутылки. Описанный про­цесс является простой перегонкой.

Если бы самогонщик захотел продать продукт каче­ством выше среднего, он мог бы пропустить полученную жидкость через второй перегонный куб периодического действия, работающий аналогично первому. Во втором кубе более легкая часть жидкости отделилась бы от неко­торого количества неспиртовых примесей, которые в пер­вом кубе были увлечены вверх вместе с более легким погоном. Это произошло из-за того, что самогонщик не мог точно выдержать температуру кипения кислого сусла. Впрочем, возможно, он специально поднял температуру в первом кубе немного выше, чем нужно, чтобы полу­чить как можно больше продукта.

Такой двухступенчатый процесс можно превратить в непрерывный, как это показано на рисунке 3.2. В самом деле, раньше многие промышленные установки для пе­регонки выглядели именно так.

Ректификационная колонна

Ясно, что периодическая перегонка, описанная выше, не годится для переработки 100—200 тыс. баррелей (~16— 32 тыс. м3) сырой нефти в день, тем более что нужно разделить нефть на 5—6 компонентов. Ректификационная колонна позволяет проводить эту операцию постоянно, затрачивая гораздо меньше труда, оборудования и энер­гии в виде топлива и тепла.

Процесс, происходящий в ректификационной колон­не, схематично показан на рисунке 3.3. Внутрь поступает сырая нефть, а наружу выходят углеводородные газы (бу­тан и более лёгкие газы), бензин, нафта (лигроин), керо­син, лёгкий газойль, тяжелый газойль и кубовый остаток.

Чтобы понять, как все происходит внутри колонны, требуется рассмотреть некоторые тонкости. Первый эле­мент, который необходим для работы колонны — это сырьевой насос, перекачивающий сырую нефть из склад­ского резервуара в систему (см. рис. 3.4). Сначала нефть проходит через печь, в которой нагревается до темпера-

Рис. 3.3. Перегонка нефти

Туры порядка 385°С (750°F). Из предыдущей главы Вы знаете, что при этой температуре, как правило, испаря­ется больше половины нефти.

Полученная таким образом смесь жидкости и паров подаётся снизу в ректификационную колонну.

Внутри ректификационной колонны находится набор тарелок, в которых проделаны отверстия. Благодаря этим отверстиям нефть может подниматься вверх. Когда смесь пара и жидкости поднимается по колонне, то более плот­ная и тяжёлая часть отделяется и опускается на дно, а лёгкие пары поднимаются вверх, проходя через тарелки (рис. 3.5).

Отверстия в тарелках снабжены приспособлениями, называемыми барботажными колпачками (рис. 3.6). Они нужны для того, чтобы пары, через та­

Релки, барботировали через слой жидкости толщиной около 10 см, находящийся на тарелке. Это пробулькива - ние газа через слой жидкости и составляет суть ректифи­кации: горячие пары (при температуре не ниже 400°С

Рис. 3.5. Поступление нефти в ректификационную колонну.

Рис. 3.6. Барботажные колпачки на тарелке ректификацион­ной колонны

(750°F) проходят через жидкость. При этом тепло пере­дается от паров к жидкости. Соответственно пузырьки пара несколько охлаждаются и часть углеводородов из них переходит в жидкое состояние. По мере переноса тепла от паров к жидкости, температура паров снижает­ся. Так как температура жидкости ниже, некоторые со­единения в парах конденсируются (сжижаются).

После того как пары прошли через слой жидкости и потеряли часть более тяжелых углеводородов, они под­нимаются к следующей тарелке, где повторяется тот же процесс.

Тем временем количество жидкости на каждой тарел­ке растет за счет углеводородов, конденсирующихся из паров. Поэтому в колонне устанавливают приспособле­ние, которое называется сливной стакан и позволяет из­бытку жидкости перетекать вниз на следующую тарелку. Число тарелок должно быть таким, чтобы общее количе­ство продуктов, выходящих из ректификационной ко­лонны, было равным количеству сырой нефти, поступа­ющей внутрь. В действительности, некоторые молекулы несколько раз путешествуют туда и обратно — в виде пара поднимаются на несколько тарелок вверх, затем конденсируются и стекают уже как жидкость на несколь­ко тарелок вниз через сливные стаканы Именно эта про-

Рис. 3.7. Сливные стаканы и боковые выходы.

Мывка пара жидкостью за счет противотока и обеспечи­вает четкое разделение фракций. За один проход это было бы невозможно.

На различных уровнях колонны имеются боковые от­воды (рис. 3.7) для отбора фракций — более легкие про­дукты отбираются в верхней части колонны, а тяжелая жидкость выходит внизу.

Орошение и повторное испарение

Несколько дополнительных операций, происходящих вне ректификационной колонны, способствуют более ус­пешному проведению процесса перегонки. Чтобы тяже­лые продукты случайно не попали в верхнюю часть ко­лонны вместе с легкими фракциями, пары периодичес­ки направляют в холодильник. Вещества, которые кон­денсируются в холодильнике, снова поступают на одну из расположенных ниже тарелок. Это своего рода ороше­ние ректификационной колонны (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Орошение и повторное испарение.

И наоборот, некоторое количество легких углеводоро­дов может быть увлечено током жидкости в нижнюю часть колонны вместе с тяжелыми продуктами. Чтобы избежать этого, жидкость, выходящую через боковой от­вод, снова пропускают через нагреватель. В результате остатки легких углеводородов отделяются и повторно по­ступают в ректификационную колонну в виде пара. Этот процесс называется повторным испарением. Преимущество такой схемы заключается в том, что только небольшая часть общего потока сырой нефти должна повторно пе­рерабатываться для дополнительного возвращения про­дукта. Не нужно снова нагревать всю нефть, что позволя­ет сэкономить энергию и деньги.

Орошение и повторное испарение могут с тем же ус­пехом использоваться и в средней части колонны, что также способствует эффективному разделению. Повторно испаренная фракция, которая поступает в колонну, вно­сит туда дополнительное тепло, что помогает легким мо­лекулам отправиться в верхнюю часть колонны. Точно так же орошение предоставляет тяжелым молекулам, ко­торые случайно оказались выше, чем им положено, пос­ледний шанс сконденсироваться в жидкость.

Состав некоторых сырых нефтей может быть таким, что на части тарелок в колонне не окажется достаточно­го количества парожидкостной смеси. В этих случаях оро­шение и повторное испарение позволяют регулировать потоки так, чтобы процесс ректификации (разделения) мог продолжаться.

Границы кипения фракций

. При анализе процесса перегонки нефти принципиаль­но важной характеристикой являются границы кипения фракций. Так называют температуры, при которых продук­ты перегонки отделяются друг от друга. В частности, тем­пература, при которой продукт (фракция, погон) начи­нает кипеть, называется точкой начала кипения (ТНК). Температура, при которой 100% данной фракции испари­лось, называется точкой выкипания (ТВ) этой фракции. Таким образом, каждая фракция имеет две границы — ТНК и ТВ.

Если мы снова обратимся к диаграмме, изображенной на рисунке 3.3, то легко увидим, что температура выкипа­ния нафты (лигроина) является точкой начала кипения для керосиновой фракции. То есть ТНК и ТВ двух соседних фракций совпадают, по крайней мере, номинально.

Однако ТНК и ТВ могут и не совпадать — это зависит от того, насколько хорошее разделение обеспечивает про­цесс ректификации. Возможно, рассматривая всю эту си­стему тарелок и барботажных колпачков, Вы задавали себе вопрос, насколько же хорош результат. Естественно, процесс перегонки неидеален и приводит к появлению, извините за выражение, так называемых хвостов.

Предположим, что мы анализируем нафту (лигроин) и керосин в лаборатории и для каждой из этих фракций получили кривые разгонки — такие, как изображены на рисунке 3.9. Рассмотрите их внимательно, и Вы заметите, что температура выкипания нафты около a

Точка начала кипения керосина около 150°С (305°F).

Рисунок 3.10 более наглядно иллюстрирует, что такое хвосты. На этом рисунке изображена зависимость температу­ры, но на этот раз не от общей объемной доли испарившей­ся нефти, а от объемной доли нефти, испарившейся имен­но при этой температуре (для тех, кто знаком с математи­ческим анализом, можно сказать, что это первая производ­ная функции, обратной изображенной на рисунке 3.9).

Хвосты почти всегда появляются при перегонке. Это настолько обычное явление, что считается само собой разумеющимся. Однако чтобы не усложнять себе жизнь, пришли к компромиссу. В качестве границ фракций при 1 перегонке берут так называемые эффективные границы | кипения, то есть температуры, при которых фракции ус­ловно считаются разделенными. В дальнейшем, при упот­реблении термина границы кипения, мы будем иметь в виду эффективные границы.

Рис. 3.10. Хвосты фракций на кривой разгонки.

Установление границ фракций

Когда мы рассматривали границы фракций в преды­дущей главе, а также обсуждали их выше, могло сло­житься впечатление, что эти величины для каждой фрак­ции точно установлены. На самом же деле в применении к конкретной ректификационной колонне эти границы можно несколько смещать. Например, смещение грани­цы между нафтой (лигроином) и керосином может иметь следующие последствия. Предположим, что температур­ная граница сместилась со 157 (315) до 162°С (325°F). Во - первых, при этом изменятся объемы продуктов ректифи­кации, выходящих из колонны — получится больше на - фты и меньше керосина. Дело в том, что фракция, кипя­щая между 157 и 162°С, теперь будет выходить через отверстие для нафты, а не для керосина.

При этом плотность и нафты (лигроина), и керосина увеличится. Как же так может быть? Погон, который теперь переместился во фракцию нафты (лигроина), тя­желее, чем нафта в среднем. Одновременно он легче, чем в среднем керосин. Вот так обе фракции и стали тяжелее!

Некоторые другие свойства также изменятся, но плот­ность — единственная халактепистика. котопую МЫ до

Сих пор рассмотрели. При обсуждении дальнейшей судь­бы продуктов перегонки в последующих главах мы упо­мянем другие возможные последствия изменения границ кипения фракций.

Если Вы сейчас узнаете, куда отправляются продукты, полученные при перегонке, Вам будет легче понять суть последующих глав. Легкие фракции, выходящие в верхней части колонны (верхний погон), поступают на установку газофракционирования. Прямогонный бензин отправляет­ся на компаундирование для получения автомобильного бензина. Нафта (лигроин) подается на установку рифор - минга, керосин поступает на установку гидроочистки, лег­кий газойль направляется на смешение для получения ди - стиллятного (дизельного) топлива, тяжелый газойль слу­жит сырьем для каталитического крекинга, и, наконец, прямогонный остаток подается на вакуумную перегонку.

УПРАЖНЕНИЯ

1. Заполните пропуски, выбрав слова из следующего списка:

Хвосты сливной стакан

ТНК ТВ

Печь прямогонный бензин

Сырая нефть фракционирование

Периодический непрерывный

Увеличивается уменьшается

Верхний погон холодильник барботажный колпачок

А. Когда самогон выходит из верхней части перегонного

Куба, его нужно пропустить через, прежде

Чем разливать в бутылки.

Б. режим не очень эффективен в совре­

Менной нефтепереработке. В настоящее время рек­тификация сырой нефти осуществляется только в режиме.

В. Приспособление, увеличивающее эффективность пере­мешивания в ректификационной колонне, называется

TOC \o "1-3" \h \z г. Отверстия в тарелках ректификационной колонны снабжены либо.

Д. Хвосты возникают, потому что одной

Фракции перекрывается с другой

Фракции.

Е. По мере продвижения паров вверх по колонне, их тем­пература.

Ж. При понижении температуры выкипания фракции в ректификационной колонне, объем этой фракции а плотность API.

2. Управляющий нефтеперерабатывающего завода по­лучил задание производить зимой 33 тыс. бар./сут котельного топлива. Он знает, что будет получать 200 тыс. бар./сут сырой нефти — 30 тыс. бар. из Луизиа­ны и 170 тыс. бар. из Западного Техаса. Кривые разгон­ки этих нефтей приведены ниже. Еще одно условие ' состоит в том, что требуется получить как можно боль­ше реактивного топлива. То есть из нефти нужно вы­жать как можно больше. Интервал кипения реактивно­го топлива - 300—525°F (150—275°С), это и будут гра­ницы соответствующей фракции в ректификационной колонне.

Наконец, чтобы обеспечить выпуск 33 тыс. бар./сут ко­тельного топлива, нужно получать 20 тыс. бар./сут легкого прямогонного газойля при перегонке сырой нефти

И направлять его на получение котельного топлива.

Задача: Какие температурные границы следует устано­вить для фракции ЛПГ, чтобы получить 20 тыс. бар./сут?[1]

Данные по разгонке:

Указание: Рассчитайте кривую разгонки для смешан­ной нефти. ТВ реактивного топлива является ТНП фрак­ции ЛПГ. Остается рассчитать ТВ для фракции ЛПГ так, чтобы получилось 20 тыс. бар./сут.