Введение
История переработки нефти насчитывает около двух столетий. Первые сведения о перегонке нефти в кубе и ее осветлении, т. е. получении светлой фракции керосина (как тогда он именовался - "фотогена") относятся к середине XVIII в. В 1745 г. в районе Ухты был построен первый куб для перегонки нефти. По своим масштабам это производство было ничтожным, но большинство историков рассматривают его как начальный момент в истории мировой и отечественной переработки нефти.
Позднее, в 1823 г., в районе г. Моздока на Северном Кавказе братья Дубинины - Василий, Герасим и Макар - соорудили кубовую установку для перегонки нефти, добываемой из колодцев в районе станицы Вознесенской на Терском хребте. Это производство функционировало более 20 лет с ежегодной выработкой нескольких десятков тонн керосина для освещения при вместимости куба по нефти около 500 л. Легкая бензиновая фракция при этом терялась (сжигалась), остаток перегонки (мазут) частично использовали как колесную смазку, а остальное также сжигали.
В последней четверти XIX в. (1876-78 гг.) внимание русских ученых было привлечено к остаточной фракции перегонки нефти - мазуту, из которого на основе идей Д.И. Менделеева было начато производство смазочных масел ("олеонафты"). Они были получены впервые инженером В.И. Рагозиным и после демонстрации на Всемирной Парижской выставке в 1878 г. нашли широкое применение.
Важным этапом в технологии перегонки нефти явился переход в 1885-86 гг. от единичных перегонных кубов периодического действия к кубовым батареям непрерывного действия, позволявшим разделить нефть в непрерывном режиме сразу на 3-5 фракций с различными пределами кипения. Создатели этих батарей - инженеры А.Ф. Инчик, В.Г. Шухов и И.И. Един. В 1890 г. В.Г. Шухов и СП. Гаврилов получили патент на нефтеперегонную установку принципиально нового типа - трубчатую, у которой непрерывный нагрев нефти осуществлялся в трубном змеевике печи, а разделение испарившейся нефти на фракции - в специальных тарельчатых колоннах.
Суть этого гениального изобретения лежит в основе всех современных установок первичной перегонки нефти.
Как отмечалось выше, на начальных этапах перегонки легкие фракции нефти (до 150-180 °С) сжигались как ненужный побочный продукт, и даже к началу XX века ситуация в этом отношении не изменилась.
Потребность в бензине стала нарастать с появлением автомобилей и других транспортных средств, снабженных двигателями внутреннего сгорания, что немедленно отразилось на технологии переработки нефти, где наряду с керосином стали получать моторное топливо - бензин.
Задача первичной переработки нефти - разделить отдельные фракции (дистилляты) без изменения их природного химического состава, она включает два этапа технологии - глубокое обезвоживание и обессоливание нефти, и собственно дистилляцию нефти на фракции. При этом получаемые дистилляты составляют три группы продуктов - светлые дистилляты (3-4 фракции, выкипающие в интервале от 25-30 °С до 350 °С), средние дистилляты (2-3 фракции, выкипающие от 350 °С до 500 или 550 °С) и остаток (гудрон), кипящий выше 500-550 °С.
Процесс прямой гонки проводится в установках трубчатого типа (название - по названию трубчатых печей), которые включают трубчатые печи различного типа, ректификационные и отпарные колонны, теплообменники и холодильники.
Продуктами прямой гонки на установках AT являются моторные топлива (бензин, авиационный керосин), дизельное топливо и значительное количество остатка - мазута. На установках АВТ на второй ступени подвергается разгонке мазут с образованием смазочных масел и остатки - гудрона, перерабатываемого в битум, пек, нефтяной кокс. Этим на установках АВТ достигается большая глубина переработки нефти, нежели на установках AT.
Теоретические основы процесса
Индексация нефтей и ее связь с технологией их переработки
Нефти различных месторождений даже в пределах одного месторождения значительно отличаются друг от друга по химическому составу, а также по содержанию смол, серы и парафина.
В разное время предлагались различные химические, генетические, промышленные и товарные классификации нефтей. В настоящее время действует технологическая классификация нефтей.
В основу ее положено содержание серы в нефтях и светлых нефтепродуктах, выход фракций, выкипающих до 350°С, потенциальное содержание, а также индекс вязкости базовых масел и содержание парафина в нефтях.
Нефти, содержащие не более 0,5 вес. % серы, считаются малосернистыми и относятся к I классу, однако если в одном или во всех дистиллятных топливах из данной нефти содержание серы выше установленных пределов, то эту нефть относят ко II классу, т. е. к сернистым нефтям.
Нефти, содержащие от 0,51 до 2,0 вес. % серы, считаются сернистыми, и их относят ко II классу. Однако и в этом случае учитывается содержание серы в продуктах: если во всех дистиллятных топливах из данной нефти количество серы не превышает норм, предусмотренных для топлив из малосернистой нефти, то эта нефть должна быть отнесена к I классу и считается малосернистой. В случае, когда при таком же количестве серы в нефти (0,51—2,0 вес.%) одно или все топлива содержат серы больше, чем указано в нормах для сернистой нефти, эта нефть должна быть отнесена к III классу, т. е. к высокосернистым нефтям.
Нефти, содержащие более 2,0 вес. % серы, относятся к высокосернистым, т. е. к III классу, однако если все топлива содержат серу в количествах, не превышающих пределов для топлив из сернистой нефти, то эта нефть должна быть отнесена ко II классу, т. е. к сернистым.
В зависимости от выхода фракций, выкипающих до 350°С, нефти делятся на три типа: Т1 Т2 и Т3, а в зависимости от суммарного содержания дистиллятных и остаточных базовых масел - на четыре группы: М1 М2, М3 и М4. По величине индекса вязкости базовых масел классификацией предусмотрены 4 подгруппы нефтей: И1 И2, И3 и И4.
По содержанию парафина различают нефти трех видов: П1 П2 и П3. К виду П1 относятся малопарафинистые нефти, содержащие не более 1,5 вес. % парафина с температурой плавления 50°С и при условии, что из них получаются без депарафинизации реактивное топливо, зимнее дизельное топливо (фракция 240-350°С) с температурой застывания не выше минус 45°С и базовые масла, температуры застывания которых в зависимости от вязкости варьируются.
Вид П2 включает парафинистые нефти, содержащие от 1,51 до 6,0 вес. % парафина, при условии, что из них без депарафинизации получаются реактивное топливо и летнее дизельное топливо (фракция 240-350° С) с температурой застывания не выше минус 10°С и с применением депарафинизации - дистиллятные масла.
К виду П3 относятся высокопарафинистые нефти, в которых более 6,0 вес. % парафина. Из них не может быть получено без депарафинизации летнее дизельное топливо. Эти нефти рекомендуется использовать для производства парафина.
Если из малопарафинистой нефти не может быть получен хотя бы один из предусмотренных технологической классификацией нефтепродуктов без депарафинизации, то эта нефть должна быть отнесена к виду П2. Аналогично, если из парафинистой нефти не может быть получено дизельное летнее топливо без депарафинизации, то считают, что эта нефть вида П3, и наоборот, высокопарафинистая нефть, из которой возможно получение дизельного топлива без депарафинизации, должна принадлежать к виду П2.
Используя эту классификацию, для любой промышленной нефти можно составить шифр. По шифру нефти легко составить представление о наиболее рациональных путях её переработки и о возможности замены ею ранее применявшейся в данном технологическом процессе.
Выбор направления переработки нефти и ассортимента получаемых нефтепродуктов определяется физико-химическими свойствами нефти, уровнем развития техники нефтепереработки и потребностями в товарных нефтепродуктах данного экономического района. Различают три основных варианта переработки нефти: 1) топливный; 2) топливно-масляный; 3) нефтехимический (комплексный).
По топливному варианту нефть перерабатывают в основном на моторные и котельные топлива. При одной и той же мощности завода по нефти топливный вариант переработки отличается наименьшим числом технологических установок и низкими капиталовложениями. Переработка нефти по топливному варианту может быть глубокой и неглубокой. При глубокой переработке нефти стремятся получить максимально возможный выход высококачественных авиационных и автомобильных бензинов, зимних и летних дизельных топлив и топлив для реактивных двигателей. Выход котельного топлива в этом варианте сводится к минимуму. Таким образом, предусматривается такой набор процессов вторичной переработки, при котором из тяжелых нефтяных фракций и остатка - гудрона получают высококачественные легкие моторные топлива. Сюда относятся каталитические процессы - каталитический крекинг, каталитический риформинг, гидрокрекинг и гидроочистка, а также термические процессы, например коксование. Переработка заводских газов в этом случае направлена на увеличение выхода высококачественных бензинов. При неглубокой переработке нефти предусматривается высокий выход котельного топлива.
По топливно-масляному варианту переработки нефти наряду с топливами получают смазочные масла. Для производства смазочных масел обычно подбирают нефти с высоким потенциальным содержанием масляных фракций. В этом случае для выработки высококачественных масел требуется минимальное число технологических установок. Масляные фракции (фракции, выкипающие выше 350°С), выделенные из нефти, сначала подвергают очистке избирательными растворителями: фенолом или фурфуролом, чтобы удалить часть смолистых веществ и низкоиндексные углеводороды, затем проводят депарафинизацию при помощи смесей метилэтилкетона или ацетона с толуолом для понижения температуры застывания масла. Заканчивается обработка масляных фракций доочисткой отбеливающими глинами.
За последние годы в технологию производства масел все больше внедряются процессы гидроочистки взамен селективной очистки и обработки отбеливающими глинами. Таким способом получают дистиллятные масла (легкие и средние индустриальные, автотракторные и др.). Остаточные масла (авиационные, цилиндровые) выделяют из гудрона путем его деасфальтизации жидким пропаном. При этом образуются деасфальтизат и асфальт. Деасфальтизат подвергают дальнейшей обработке, подобно масляным дистиллятам, а асфальт перерабатывают в битум или кокс.
При любом из двух разобранных вариантов переработки нефти следует предусматривать процессы по производству сырья для нефтехимической промышленности: этилена, пропилена, бутиленов, бензола, толуола, ксилолов и др. Из года в год увеличивается доля нефти, используемой как сырье для нефтехимической промышленности.
Нефтехимический (комплексный) вариант переработки нефти по сравнению с предыдущими вариантами отличается большим ассортиментом нефтехимических продуктов и в связи с этим наибольшим числом технологических установок и высокими капиталовложениями. В последние годы наблюдается тенденция к строительству крупных нефтеперерабатывающих комбинатов с весьма широким применением процессов нефтехимии. Нефтехимический вариант переработки нефти представляет собой сложное сочетание предприятий, на которых помимо выработки высококачественных моторных топлив и масел не только проводится подготовка сырья (олефинов, ароматических, нормальных и изопарафиновых углеводородов и др.) для тяжелого органического синтеза, но и осуществляются сложнейшие физико-химические процессы, связанные с многотоннажным производством азотных удобрений, синтетического каучука, пластмасс, синтетических волокон, моющих веществ, жирных кислот, фенола, ацетона, спиртов, эфиров и многих других химикалий.