Проблема подготовки высоковязких нефтей появилась в связи с расширением добычи высоковязких, тяжелых нефтей (ВВН) и природных нефтебитумов (ПНБ). К ВВН относят нефти с плотностью 920–990 кг/м3 и вязкостью до 1000 Па×с при 20°С.
ПНБ – это органическая масса нефтебитуминозных пород (песчаников, известняков) с плотностью около 1000 кг/м3 и выше и вязкостью
до 5000 Па×с.
Как ВВН, так и ПНБ характеризуются высоким содержанием смол и асфальтенов (до 40 мас. %), серы (до 5 мас. %), азота (до 1 мас. %) и металлов (до 1500 мг/кг).
Добывают ВВН термическим воздействием на пласт – внутрипластовым горением или закачкой высокотемпературного водяного пара.
Для извлечения ПНБ используют 2 метода – вытеснительный (путем внутрипластового горения) и экстракционный, когда породу добывают, дробят и обрабатывают горячей водой или органическими растворителями для извлечения органического вещества. В нашей стране используют метод внутрипластового горения.
Во всех случаях добычи ВВН или извлечения ПНБ из породы образуются очень стойкие эмульсии воды с органической массой либо за счет влаги, образующейся при горении в пласте, либо за счет экстрагирующей воды.
Повышенная стойкость таких эмульсий определяется тем, что плотность ВВН и ПНБ близка к плотности воды, они богаты природными эмульгаторами, малы размеры глобул воды (до 50 % глобул имеют диаметр менее 10 мкм). Разделение таких эмульсий задача очень сложная и даже
20–30 кратное увеличение расхода деэмульгатора иногда не дает эффекта. Для разрушения данных эмульсий применяют специальные методы. В частности, к ВВН или ПНБ добавляют 10–15 мас. % легкого растворителя – керосина, который с одной стороны снижает плотность и вязкость нефти, а с другой являясь неэлектролитным деэмульгатором растворяет часть сольватных оболочек на глобулах воды. В этом случае, такие эмульсии приближаются к обычным и их удается разрушить на установках ЭЛОУ в
2–3 ступени. После ЭЛОУ растворитель отгоняется от нефти и направляется в начало процесса.
В качестве растворителя используют также изопропиловый спирт, обладающий способностью поглощать воду. В этом случае растворитель не только снижает плотность и вязкость нефти, растворяет адсорбционные оболочки, но и поглощает воду. Эффективность обезвоживания в данном случае повышается, однако метод имеет недостатки: исключается подача промывочной пресной воды на ЭЛОУ (ухудшается обессоливание) и требуется специальная ступень отделения обводненного спирта от нефти и обезвоживания спирта для его повторного использования.
В промышленности в качестве растворителей нашли применение только бензиновые и керосиновые фракции.
Смешение нефтей
Существенное влияние как на качество получаемых товарных нефтепродуктов, так и на экономическую эффективность производства оказывают характеристики поставляемых с промысла на НПЗ нефтей. Нефти различных месторождений и даже нефти одного месторождения, но извлечённые с различной глубины или разных скважин и в разное время, могут отличаться по составу, физико-химическим свойствам и технологическим характеристикам.
Так, бензиновые фракции одних нефтей могут содержать много изопарафиновых углеводородов, другие н-парафинов, что существенно влияет на детонационную стойкость товарных бензинов.
Масляные и дизельные фракции ряда нефтей не содержат в своем составе твердых парафинов и из них можно получать низкозастывающие базовые масла и дизельные топлива без дополнительного проведения депарафинизации.
Отдельные фракции добываемых нефтей могут не содержать сернистых соединений, в то время как для других характерно наличие в них этих веществ.
С одной стороны, речь идет о периодических изменениях в ассортименте поставляемого сырья, связанных с постоянным обновлением структуры добываемых и перерабатываемых нефтей. Высокосернистые нефти добываются в Башкирии, сернистые – в Татарии, сернистые и малосернистые в Западной Сибири, малосернистые в Оренбургской и Саратовской областях и т.д. В настоящее время увеличивается доля сернистых, парафинистых, высоковязких нефтей с пониженным содержанием светлых фракций. Наиболее экономически выгодный экспорт малосернистой нефти (Siberian light) вынуждает транспортировать на нефтеперерабатывающие заводы России более высокосернистую, высоковязкую тяжелую нефть, переработка которой требует специфических режимов, наличия в схемах НПЗ установок гидроочистки, депарафинизации и специального распределения сырьевых и товарных потоков на предприятии.
С другой стороны, проявляется нестабильность качества сырья из-за колебания состава и качества нефтяных смесей, поступающих на НПЗ по трубопроводу. В России система магистральных нефтепроводов не позволяет, как правило, поставлять на нефтеперерабатывающие заводы индивидуальные нефти, за исключением производства нефтепродуктов специального назначения. Такая система подачи нефтяного сырья на НПЗ вынуждает предприятия перерабатывать нефти усредненного качества, полученные смешением нефти различных месторождений. В настоящее время компаундирование сырьевых компонентов является широко распространенным приемом в технологии транспорта и переработки нефти.
Вместе с тем представление о нефтяной системе как о структурированной, обладающей определенным балансом сил межмолекулярных взаимодействий, позволяет рассматривать процесс смешения нефти не как чисто механический, а как физико-химический процесс взаимодействия коллоидно-дисперсных структур, как фактор внешнего воздействия на систему, способный изменить энергетический баланс сил и способствующий формированию новой коллоидно-дисперсной нефтяной системы.
Происходящие при смешении структурные изменения определенным образом влияют на неаддитивные изменения физико-химических свойств нефтяных систем. Эти изменения носят, как правило, полиэкстремальный характер. Было показано, что аналогичные изменения происходят также при смешении некондиционных высококачественных нефтей в условиях их перекачки и хранения. В этом случае происходит неаддитивное изменение таких физико-химических свойств нефтяных смесей, как кинематическая вязкость, поверхностное натяжение, плотность, оптические свойства, устойчивость, дисперсность и ряд других характеристик системы. Эти параметры при транспорте нефти по трубопроводу оказывают существенное влияние на ряд технико-экономических показателей, например таких, как объем перекачки и энергетические затраты. Установлено, что при смешении близких по свойствам нефтей показатели кинематической вязкости и температура застывания возрастают и превышают расчетные значения. При смешении нефтей, резко различающихся по свойствам, но близких по количественному содержанию углеводородных групп, наблюдаются как положительные, так и отрицательные отклонения или равномерное чередование максимумов и минимумов при полиэкстремальных изменениях свойств системы, что обуславливает необходимость тщательного подбора состава композиций. Оптимальное смешение и регулировка свойств основного потока при его формировании, а также при подкачке некондиционных нефтей позволяет удерживать качественные характеристики нефтей в допустимых пределах, что очень важно для нефтеперекачивающих станций и узлов смешения. Кроме того, следует иметь в виду, что основной поток также представляет собой нефтесмесь, качество которой может существенно изменяться с течением времени.
Неаддитивные изменения структуры и физико-химических свойств нефтяных компаундов в зависимости от их состава приводят к изменению количества и качества продуктов, получаемых в процессе переработки таких смешанных систем, а также режимов работы установок нефтеперерабатывающих заводов.
Таким образом, на основании комплексного подхода к вопросам смешения нефтей, в зависимости от конкретных целей и производственной необходимости, следует организовать оптимальное смешение нефтяных потоков в процессе их транспортировки, хранения и переработки на НПЗ, что позволит получить существенный экономический эффект при минимальных затратах.
Глава 6
ПЕРВИЧНАЯ ПЕРЕГОНКА НЕФТИ
Переработка нефти – это отрасль тяжелой промышленности, охватывающая как переработку нефти и газового конденсата, так и производство различных высококачественных нефтепродуктов (моторных и энергетических топлив, смазочных и специальных масел, битумов, нефтяного кокса, парафинов, растворителей, сырья для нефтехимии и других продуктов).
Промышленная переработка нефти и газовых конденсатов на современных нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) осуществляется посредством сложных многоступенчатых физических и химических процессов на отдельных или комбинированных крупнотоннажных технологических установках, предназначенных для получения широкого ассортимента товарных нефтепродуктов.