Переработка Нефти

ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРОЙ НЕФТИ

Позволь им описать неописуемое.

Дж Г. Байрон «Паломничество Чайлд-Гарольда»

Что такое сырая нефть? Чтобы ответить на этот воп­рос, нужно прежде всего сказать, чем она не является. Нефть — не индивидуальное химическое соединение, а смесь соединений. Наиболее интересное свойство, харак­теризующее поведение нефти, проявляется при нагрева­нии. Если нагреть нефть до температуры кипения и вы­держивать ее в этом состоянии, она полностью не испа­рится.

Для сравнения рассмотрим воду. Нагреем сосуд с во­дой до 100°С (212°F) и сохраним подогрев. Что произой­дет? Вода начнет кипеть и постепенно испаряться, и в конце концов, если продолжать нагревание — она вся выкипит.

Если бы в сосуде с водой был термометр, Вы бы обнаружили, что перед испарением последней порции воды температура все еще остается на уровне Так

Получилось, потому что химическое соединение Н2О ки­пит именно при этой температуре. При атмосферном дав­лении температура кипения воды — 100°С, не больше и

Меньше.

Состав сырой нефти

Вернемся к нефти. В отличие от воды, это не одно химическое соединение, а смесь нескольких тысяч разных Соединений. Некоторые из них очень простые, например, (метан); а некоторые — сложные, как, например, 8sH6o. Формулы СН4 и С85Н60 — это шифры (брутто-

Рис. 2.1. Температура кипения воды 100°С (212°F)

Формулы) определенных химических соединений, понят­ные для химика. Более подробно мы обсудим этот вопрос позднее (чтобы не увязнуть раньше времени). Большин­ство веществ, входящих в состав нефти, — это опреде­ленные комбинации атомов углерода и водорода, кото­рые называются углеводородами. Важно, что каждое из этих соединений характеризуется своей собственной тем­пературой кипения, и в этом заключается самое полезное и наиболее широко используемое в нефтеперерабатываю­щей промышленности физическое свойство нефти.

Кривые разгонки

Чтобы все стало понятно, возьмем тот же сосуд и заполним его сырой нефтью средней плотности. Затем
поднесем к нему горелку и начнем нагревать нефть. Ког­да температура достигнет 65°С (150°F), сырая нефть за­кипит. Теперь мы продолжим нагревание, так чтобы тем­пература оставалась на этом уровне. Через некоторое вре­мя мы заметим, что нефть перестала кипеть.

Следующий шаг состоит в том, чтобы прибавить пла­мя горелки и нагреть нашу нефть приблизительно до 230°С (450°F). Она снова начнет кипеть, а через некоторое вре­мя опять перестанет.

Такие шаги можно повторять снова и снова, и все меньше нефти будет оставаться в сосуде. Возможно, Вы уже поняли, что происходит. На первой стадии испари­лись соединения с температурами кипения ниже (150°F); те, что кипят в интервале от 65 до 230°С (450°F), испарились на второй стадии, и так далее.

Сырая нефть кипит при

65°С и 230°С и 400°С и 480°С

(150°F)... (450° F)... (750°F)... (900°F)..

Рис - 2.2. Температура кипения сырой нефти,

Таким образом мы получили так называемую кривую разгонки нефти. Это график, на одной оси которого от­кладывается температура, а на другой — общий объем­ный процент выкипевшей нефти. Каждый вид сырой не­фти характеризуется своей собственной уникальной кри-

Рис. 2.3. Кривая разгонки сырой нефти

Вой разгонки, которая помогает определить, какие хи­мические соединения содержит данная нефть. Как пра­вило, чем больше атомов углерода в соединении, тем выше его температура кипения, как показывает следую­щий пример:

* lbs/gal = фунт/галлон (0,1198 г/см3)

Фракции

Для дальнейшего обсуждения характеристик сырой нефти будет полезно собрать определенные соединения в группы, называемые фракциями. Фракция (или погон) объединяет все соединения, которые кипят между каки­ми-либо двумя температурами, а эти температуры назы­вают границами кипения фракции или пределами выки­пания.

Обычно сырая нефть содержит следующие фракции

В других главах много внимания будет уделено харак­теристикам отдельных фракций, но кое-что понятно уже из названий.

Важно отметить, что различные нефти сильно разли­чаются по составу. В легких нефтях обычно больше бензи­на, нафты и керосина, а в тяжелых — газойля и мазута. Возможно, Вы уже пришли к выводу, что вес и темпера­тура кипения соединения взаимосвязаны. Это и в самом деле так. В целом, чем тяжелей соединение, тем выше его температура кипения. И наоборот, чем выше границы кипения фракции, тем тяжелее фракция.

Фракционирование сырой нефти

Чтобы собрать воедино все сказанное выше по поводу кривых разгонки, будет полезно проделать некоторые арифметические действия. Возьмем кривые для двух сырых Нефтей, показанные на рисунке 2.5, и определим на осно­вании стадий разгонки, в какой из этих нефтей выше со­держание керосиновой фракции (больший керосиновый погон). Керосин кипит в интервале 160—230°С (315—450°F).

Используя рисунок 2.5, проделаем следующие опера­ции:

Для более тяжелой нефти начнем от точки 160°С (315°F) на оси ординат и будем двигаться вправо до пересечения с кривой разгонки. Точку пересечения обозначим точка А. Точка А соответствует 26% на оси абсцисс.

Теперь начнем от 230°С (450°F) и будем двигаться вправо до пересечения с той же самой кривой, полу­чив таким образом точку В. Она отвечает 42% на оси абсцисс.

10 30 50 70

Общая объемная доля, %

90

Рис. 2.5. Керосиновая фракция в двух типах сырой нефти.

Рассчитаем изменение объемной доли от исходной до конечной точки кипения керосина, что составляет 42 - 26 = 16%. Таким образом, более тяжелая нефть содержит 16% керосина.

Температура кипения, °F (°С) 1000 (538)

900 (482)

800 (427)

700 (371)

600 (315)

500 (260)

400 (204)

300 (149)

200 (93)

100 (38)

А теперь те же самые операции проделаем для легкой нефти и найдем 66,5 — 48,5 = 18%.

Значит, легкая нефть содержит больше керосина, чем тяжелая.

Плотность

Плотность характеризует массу соединения. Химики Постоянно используют величину, называемую относи­
тельной плотностью, которая является отношением масс неизвестного вещества и хорошо известного, например воды.

Относительная плотность вещества — это масса неко­торого объема этого вещества, деленная на массу того же объема воды.

Похоже, химический подход показался технологам слишком примитивным. Действительно, в нефтеперера­батывающей промышленности наиболее широко исполь­зуется такая хитрая величина, как API (плотность, выра­женная в единицах Американского института нефти). По какой-то давно забытой причине, плотность API, кото­рая измеряется в градусах, находят по следующей фор­муле:

Если эти формулы повертеть так и сяк, то обнаружатся некоторые факты и зависимости, на которые можно мыс­ленно опереться, обдумывая введенные понятия.

Для воды относительная плотность равна 1, a API = 10°.

Чем больше величина плотности в "API, тем легче соединение.

Для относительной плотности все наоборот.

Ниже приведены примеры типичных величин плотно­сти:

Содержание серы

Теперь уместно обсудить еще один параметр, по кото­рому могут различаться сырые нефти, а именно содер­жание серы. Природа наделила сырую нефть таким не­удобным свойством, как переменное количество серы в зависимости от типа нефти. Еще более усложняет ситуа­цию то обстоятельство, что сера содержится не в виде элементной серы, а в виде соединений. Это означает, что °на химически связана с молекулой какого-нибудь угле­водорода, так что соединения такого типа не так легко отделить от соединений, состоящих только из углерода и водорода.

Когда обсуждают сырые нефти с различным содержа­нием серы, их обычно подразделяют на «сладкие» (sweet) 11 «кислые» (sour).* Эта классификация, которая на пер­вый взгляд кажется необычной и несколько восточной, ,1а самом деле имеет гораздо большее отношение к вкусу,

Их называют в США, а в Европе и России нефти делятся

Амалосернистые, сернистые и высокосернистые.

Чем Вы могли бы подумать. Давным-давно, когда добыча нефти в Пенсильвании только начиналась, нефть исполь­зовалась в качестве лампового масла для освещения поме­щений вместо китового жира. Если керосиновая фракция содержала слишком много серы, то ее сгорание сопро­вождалось отвратительным запахом. На нефтяных место­рождениях Пенсильвании керосин пробовали на вкус, чтобы узнать, пригоден ли он для отправки на рынки Нью-Йорка и Филадельфии. Если керосин оказывался сладким, его признавали годным, а если кислым — то считался негодным.

По принятой в настоящее время классификации «слад­кие» (малосернистые) нефти содержат не более 0,5 мас.% серы, а кислые (сернистые) — не менее 2,5 мас.%. Не­фти с промежуточным содержанием серы иногда назы­вают «среднесладкими» или «среднекислыми», но грани­ца между этими категориями четко не обозначена. Что для одного сладко, для другого может быть кисло — а на вкус нефть больше не пробуют.

Измерение объема сырой нефти

Разработка нефтяных месторождений в Пенсильвании положила начало еще одной договоренности. На первых порах нефть доставляли на рынок в вагонах или на же­лезнодорожных платформах в 50-галлонных винных боч­ках (1 галлон США равен 3,785 л). Чтобы учесть потери во время транспортировки, в пункте назначения оплачива­лось только 42 галлона. Оплата и теперь производится из того же расчета. Производители вскоре догадались столько нефти и отправлять.

В настоящее время для измерения количества нефти сложилось два стандарта. В США, где транспортировка сначала осуществлялась по железной дороге в бочках или в цистернах, а впоследствии — по нефтепроводу, проще всего было измерять нефть по объему. В других странах, преимущественно в Европе, нефть в основном транспор - по морю. В этом случае более удобно определять

Вес (водоизмещение). В результате, в США коммерческие операции с нефтью производятся в баррелях (1 нефтя­ной баррель равен 159 л), а в Европе чаще в тоннах.

Резюме: На рисунке 2.7 показаны кривые разгонки для пяти различных сырых нефтей, три из которых добы­ваются в США, а две — в других странах. Некоторые из них содержат больше легких фракций, а другие — боль­ше тяжелых. Цены на эти нефти также различны, поэто­му их переработка не одинаково выгодна, особенно если учитывать необходимое для этого оборудование.

УПРАЖНЕНИЯ

1. (а) Начертите кривые разгонки для следующих сырых нефтей.

Объемные %

(б) Сколько нафты (105—155°С или 220-315°F) содер­жится в каждой из этих нефтей?

2. Представьте себе, что у Вас есть две колбы, содержа­щие равные объемы нефтяного битума (API 11°) и на­фты (API50°). Определите плотность API продукта, кото­рый получится при их смешивании. Имейте в виду, что ответ не 30,5°/4Р/.

Ill