Атмосферно - вакуумная перегонка нефти

Содержание 
 

     Введение 
 

     Нефть и природный газ известны человечеству с глубокой древности. Описание источников нефти содержится в трудах Геродота (V век до н. э.), Плутарха и Плиния Старшего (I век до н. э). Гиппократ (IV – V века до н. э.) рекомендовал лекарства, содержащие в своем составе нефть. Нефть применялась в качестве топлива, как средство освещения, в военном деле («греческий огонь»).

     В средние века нефть добывали из специально вырытых колодцев. Уже в XIII веке в  районе Баку функционировали нефтяные источники. В последующем вместо колодцев стали использовать скважины, что позволило извлекать нефть из более глубоких слоев. Первые скважины бурили ударным способом с помощью металлического долота, а нефть после окончания фонтанирования извлекали специальными ведрами (желонками). Недостаток в так называемых светлых нефтях, используемых для освещения, вызвал потребность в разработке методов переработки нефтей, сначала для повышения выхода осветительного масла (фотогена). В России подобный метод был освоен в XVI – XVII веках, после того, как в царствование Б.Годунова (XVI век:) в Москву из Ухты была завезена «горячая вода густа» (нефть):

     Интерес к процессам перегонки нефти  для получения различных ценных продуктов появился в первой половине XIX века. В 1821 – 23 гг. в Моздоке братьями Дубиниными была построена первая кубовая установка для перегонки нефти, на которой из нее выделялось до 40% фотогена (керосина). Легкая часть – бензин при этом методе терялась, а мазут использовали для смазки колес. В 1837 году в Баку инженером Боскобойниковым был сооружен первый нефтеперегонный завод. Подобное производство керосина из нефти в Англии было организовано в 1848 году и в США в 1860 году.

     Бурное  развитие нефтеперерабатывающей промышленности начинается с 60-х годов XIX века. Б 1869 году в Баку существовало уже 23 нефтеперегонных завода, а к 1876 году число их возросло до 123. В этот период основным целевым продуктом переработки являлся осветительный керосин, выход которого составлял около 25%. Бензиновая фракция (всего около 0,5%) и мазут промышленного применения не находили. С 1876 года после изобретения В.Г. Шуховым форсунки для сжигания жидкого топлива, мазут стал широко использоваться в топках паровых котлов. К этому же времени было налажено производство из мазута смазочных масел.

     В 1890 году В.Г. Шухов и Гаврилов запатентовали  трубчатую нефтеперегонную установку  непрерывного действия, которая стала  прообразом современных установок  AT и АВТ.

     Коренной  переворот в методах переработки  нефти происходит после изобретения двигателя внутренного сгорания. В связи с этим, бензин, не находивший ранее промышленного применения, становится с начала XX века одним из важнейших нефтепродуктов. 

     1 Роль нефти и  газа в современном  мире 
 

     Энергетические  ресурсы играют ведущую роль в  современной экономике. Уровень развития производительных сил каждого государства определяется в значительной степени масштабами потребления энергоресурсов. О важной роли энергоресурсов свидетельствует то обстоятельство, что более 70 % добываемых в мире полезных ископаемых относится к источникам энергии.

     Основные  виды энергоресурсов - уголь, нефть, природный  газ, гидроэлектроэнергия и ядерная  энергия.

     Нефть и природный газ с середины 60-х годов прошлого столетия начинают играть ведущую роль в мировой энергетике. В таких странах, как Германия, Великобритания, на долю нефти и природного газа приходится 55 - 60 % от общего потребления энергоресурсов, в США и Японии 75 - 80 %.

     К достоинствам нефти и газа как  источников энергии относятся сравнительно невысокая стоимость добычи, возможность безотходной переработки с получением многообразных видов топлива и химического сырья. Однако ресурсы нефти и газа ограничены. Они значительно меньше, чем запасы угля, горючих сланцев и битуминозных песков. В то же время добыча нефти и газа значительно превышает добычу других горючих ископаемых.

     Высокий уровень потребления нефти в  мире служит основанием для высказываемого рядом ученых и специалистов предположения о неизбежности скорого истощения нефтяных запасов. Наиболее часто высказывается точка зрения об исчерпании мировых нефтяных запасов к концу XXI века.

     В условиях, когда нефть стала основным видом энергетического сырья, возросло ее экономическое и политическое значение в мире. Наличие собственных ресурсов нефти, возможность организовать экспорт нефти и нефтепродуктов позволяют различным государствам добиваться значительных успехов в экономическом и социальном развитии. Вместе с тем колебание мировых цен на нефть, конъюнктура на нефтяном рынке приводят к серьезным изменениям в экономической политике как нефтедобывающих стран, так и государств, промышленность которых базируется на привозной нефти. Мировые цены на нефть в последние годы были нестабильными.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 Назначение первичной  переработки 
 

     Нефть, как уже было указано, представляет собой чрезвычайно сложную смесь взаимно растворимых органических веществ. Разделить ее нацело на составляющие компоненты практически невозможно, но этого для промышленного применения нефтепродуктов и не требуется. На практике нефть делят на фракции, отличающиеся по пределам выкипания. Это разделение проводится на установках первичной перегонки нефти с применением процессов дистилляции и ректификации.

     Полученные  фракции служат сырьем для дальнейшей переработки, или используются как товарные продукты. Первичная перегонка - первый технологический процесс переработки нефти. Установки первичной перегонки имеются на каждом НПЗ. 

     2.1 Ректификация 

     При однократном испарении взаимно  растворимых жидкостей и последующей конденсации паров получают две фракции: легкую, в которой содержится больше низкокипящих фракций, и тяжелую, в которой содержится меньше низкокипящих фракций, чем в исходном сырье. Следовательно, при перегонке происходит обогащение одной фазы низкокипящими, а другой  - высококипящими компонентами. Однако достичь требуемого разделения компонентов нефти и получить конечные продукты, кипящие в заданных температурных интервалах, с помощью перегонки нельзя. Поэтому после однократного испарения нефтяные пары подвергаются ректификации.

     Ректификацией называется диффузионный процесс разделения жидкостей, различающихся по температурам кипения, за счет противоточного многократного  контактирования паров и жидкости.

     Контактирование паров и жидкости осуществляется в вертикальных цилиндрических аппаратах - ректификационных колоннах, снабженных специальными устройствами  - ректификационными тарелками или насадкой,  - позволяющими создать тесный контакт между паром, поднимающимся вверх по колонне, и жидкостью, стекающей вниз (рисунок 1).

     В среднюю часть в виде пара, жидкости или парожидкостной смеси подается сырье, которое необходимо разделить  на две части - высококипящую и низкокипящую. Зона, в которую подается сырье, носит название эвапорационной, так как в ней происходит эвапорация -  однократное испарение нагретой в печи или теплообменнике смеси на паровую и жидкую фазы. В некоторых случаях эвапорационная зона отделена от колонны, и эвапорация производится в самостоятельном аппарате. Однако у большинства колонн, в частности на установках первичной перегонки, однократное испарение и ректификация совмещаются.

     I – холодное орошение; II – ректификат; III – циркулирующая горячая струя; IV – остаток; V – сырье 

     Рисунок 1 – Схема ректификационной колонны 

     В работающей ректификационной колонне через каждую тарелку проходят четыре потока:

     1) жидкость - флегма, стекающая с вышележащей  тарелки; 

     2) пары, поступающие с нижележащей  тарелки; 

     3) жидкость - флегма, уходящая на нижележащую тарелку;

     4) пары, поднимающиеся на вышележащую  тарелку.

     Пары  и жидкость, поступающие на тарелку, не находятся в состоянии равновесия, однако, вступая в соприкосновение, стремятся к этому состоянию. Жидкий поток с вышележащей тарелки поступает в зону более высокой температуры, и поэтому из него испаряется некоторое количество низкокипящего компонента, в результате чего концентрация последнего в жидкости уменьшается. С другой стороны, паровой поток, поступающий с нижележащей тарелки, попадает в зону более низкой температуры и часть высококипящего продукта из этого потока конденсируется, переходя в жидкость. Концентрация высококипящего компонента в парах таким образом понижается, а низкокипящего - повышается. Фракционный состав паров и жидкости по высоте колонны непрерывно изменяется.

     Часть ректификационной колонны, которая расположена выше ввода сырья, называется концентрационной, а ниже – отгонной. В обеих частях колонны происходит один и тот же процесс ректификации. С верха концентрационной части в паровой фазе выводится целевой продукт необходимой чистоты - ректификат, а с низа - жидкость, еще в заметной степени обогащенная низкоки-пящим компонентом. В отгонной части из этой жидкости окончательно отпаривается низкокипящий компонент. В виде жидкости с низа этой части колонны выводится второй целевой компонент – остаток.

     Для нормальной работы ректификационной колонны  необходимо, чтобы с верха колонны на нижележащие тарелки непрерывно стекала жидкость (флегма). Поэтому часть готового продукта (ректификата) после конденсации возвращается на верхнюю тарелку колонны в виде так называемого орошения. С другой стороны, для нормальной работы колонны необходимо, чтобы с низа колонны вверх непрерывно поднимались пары. Чтобы создать в колонне паровой поток, часть уходящего из колонны остатка подогревается, испаряется и возвращается обратно в колонну.

     На  рисунке 1 изображена схема так называемой простой колонны, состоящей из концентрационной и отгонной частей и имеющей два  вывода продуктов - с верха и низа. Существуют колонны, в которых имеется только концентрационная часть, когда сырье вводится под нижнюю тарелку колонны, или только отгонная, когда сырье подается на верхнюю тарелку.

     На  современных установках по переработке  нефти наряду с простыми колоннами широкое распространение получили сложные колонны, в которых как бы совмещается несколько простых колонн (рисунок 2). Сырье в таких колоннах поступает в среднюю часть одной из секций и разделяется на жидкую и паровую фазы.

     I – сырье; II – ректификат; III, IV, V – боковые погоны; VI – остаток; VII – водяной пар 

     Рисунок 2 – Схема сложной ректификационной колонны с выносными отгонными  секциями

     Жидкая  фаза опускается по тарелкам нижней (отгонной) части секции и при этом из нее  отгоняются легкие фракции.

     Паровая фаза поднимается по тарелкам верхней  концентрационной части секции 1, постепенно облегчаясь по составу, и затем поступает в секцию 2. Секция 1 представляет собой полную ректификационную колонну, ректификат которой служит сырьем секции 2. В секции 2 от смеси отделяется фракция, которая частично перетекает в секцию 1, а частично поступает в отдельно расположенную отгонную часть. Здесь фракция дополнительно ректифицируется. Ректификат секции 2 является сырьем секции 3.

     В секциях 3 и 4 отделяются в виде боковых  погонов еще две фракции. Как  секция 2, так и секции 3 и 4 представляют концентрационные части простых колонн. Отгонные части этих колонн выделены в самостоятельные колонны, которые обычно именуются отпарными или стриппингами. Готовые продукты отбираются с низа отгонных секций, а отогнанные легкие фракции отводятся в основную колонну, с верха которой уходит самый легкий дистиллят.

     Сложные колонны применяются в тех  случаях, когда не требуется особенно высокой четкости разделения продуктов. Для четкого и сверхчеткого фракционирования (при вторичной перегонке бензинов, газоразделении) обычно устанавливается несколько простых ректификационных колонн, в каждой из которых выделяется один или два целевых компонента.

     В тех случаях, когда на заводе необходимо получить максимальное количество светлых продуктов, перегонку ведут до гудрона. Выделенные из мазута темные дистиллятные фракции и гудрон затем используются для получения более легких нефтепродуктов методами крекинга, коксования и др. Перегонку до гудрона проводят и в том случае, если на заводе организуется производство нефтяных масел, кокса, битума. Если же требуется получить максимальное количество котельного топлива, то ограничиваются перегонкой до мазута. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3 Технологические   схемы установок  первичной перегонки  нефти 
 

     Атмосферные и вакуумные трубчатые установки существуют независимо друг от друга или комбинируются в составе одной установки.

     Атмосферные трубчатые установки подразделяются в зависимости от их технологической схемы на установки с однократным и двукратным испарением нефти.

     Принципиальная  схема установки с однократным  испарением приводится на рисунок 3, а. Нефть пропускается сырьевым насосом  через теплообменники и трубчатую  печь в ректификационную колонну. В эвапорационном пространстве происходит однократное испарение нефти. Пары нефти затем разделяют ректификацией на целевые фракции, а из жидкости также с применением процесса ректификации удаляют легкокипящие фракции.

     Схема установки с двукратным испарением приводится на рисунке 3, б. Нагретая в теплообменнике нефть подается в так называемую отбензинивающую колонну.

     I -  нефть; II  -  газ; III -  бензин; IV - керосин; V - дизельная фракция; VI -  мазут 

     Рисунок 3 - Схема  атмосферной перегонки  с однократным (а) и двукратным (б) испарением нефти  

     В эвапорационном пространстве этой колонны происходит испарение нефти. Поскольку нефть нагрета только до 200 - 240°С, количество образующихся паров невелико и в них в основном содержатся бензиновые фракции. На ректификационных тарелках концентрационной части колонны бензин отделяется от более тяжелых фракций и в виде паров уходит из колонны. Вместе с парами бензина удаляются пары воды, поступившей на установку первичной перегонки с нефтью.

     Полуотбензиненную нефть забирают насосом и через  трубчатую печь подают в основную, атмосферную колонну, где происходит повторное испарение нефти и ректификация паров с выделением тяжелого бензина (смешиваемого затем с бензином, получаемым в отбензинивающей колонне), керосиновой и дизельной фракции. Остатком является мазут.

     Достоинством  схемы с однократным испарением является то, что легкие и тяжелые фракции испаряются совместно. Это способствует более глубокому отделению тяжелых компонентов при относительно низких (300 - 325°С) температурах подогрева нефти. Установки однократного испарения компактны, имеют малую протяженность трубопроводов, требуют меньше топлива, чем другие установки.

     Недостатки  схемы с однократным испарением следующие:

     1) при перегонке нефтей с повышенным (выше 15%) содержанием бензиновых фракций значительно увеличивается давление в теплообменниках и трубах печного змеевика, что приводит к необходимости применять более прочную и металлоемкую аппаратуру, увеличивать давление в линии нагнетания сырьевого насоса;

     2) если на перегонку подается нефть, из которой плохо удалена вода, то это также приводит к повышению давления в печи и может вызвать повреждение фланцевых соединений печных труб;

     3) если перегоняемая нефть недостаточно хорошо обессолена, то при ее нагреве в трубах печи будут отлагаться минеральные соли, из-за этого происходят местные перегревы в змеевиках печей, что в конечном итоге может приводить к аварии - прогару труб.

     При двукратном испарении газ, вода и  значительная часть бензина удаляются  из нефти до ее поступления в печь. Это обстоятельство облегчает условия работы как печи, так и основной ректификационной колонны и является основным преимуществом схемы с двукратным испарением. Схема с двукратным испарением особенно удобна в тех случаях, когда часто происходит изменение типа перерабатываемой нефти. На установках двукратного испарения устранены недостатки, характерные для установок однократного испарения.

     Однако, чтобы достичь такой же глубины  отбора дистиллятов, как при однократном  испарении, нефть на установках двукратного  испарения приходится нагревать  до более высокой температуры (360 - 370 °С). На установке с двукратным испарением удваивается количество ректификационных колонн, загрузочных насосов, растут размеры конденсационной аппаратуры.

     На  установках и блоках вакуумной перегонки  также применяются схемы однократного и двукратного испарения (рисунок 4). Наиболее распространены блоки с однократным испарением мазута (рисунок 4, а). Они построены на большинстве отечественных НПЗ. Но, как показал опыт эксплуатации, на таких блоках не удается получить хорошо отректифицированные вакуумные дистилляты с четкими пределами перегонки, необходимые для получения высококачественных масел. Среднее значение «налегания» температур выкипания смежных вакуумных дистиллятов составляет 70 - 130°С.

     Добиться  улучшения четкости вакуумных дистиллятов  можно за счет увеличения числа ректификационных тарелок. Однако такое решение не всегда приемлемо, поскольку при увеличении числа тарелок в колонне снижается вакуум, повышается температура на нижних тарелках, может уменьшиться глубина отбора и ухудшиться качество дистиллятов. Более рациональный путь улучшения качества вакуумных дистиллятов -  перегонка по схеме двукратного испарения (рисунок  4, б, в).

     Схема, приведенная на рисунке 4, б, предусматривает  отбор в первой вакуумной колонне  широкой масляной фракции, которая  после нагрева в печи разделяется во второй колонне на фракции с более узкими пределами перегонки. По варианту, изображенному на рисунке 4, в, в первой вакуумной колонне от мазута отделяется в виде бокового погона легкий масляный дистиллят. Остаток - полугудрон вновь нагревается в печи и подается во вторую колонну, в которой отбираются остальные дистилляты.

     При двухступенчатой вакуумной перегонке  расходуются дополнительные количества топлива, пара, электроэнергии. Однако достигаемое улучшение качества масляных дистиллятов, а в конечном итоге, товарных масел компенсирует эти затраты. Среднее значение налегания температур выкипания снижается до 30 - 60 °С.

     I - мазут; II - водяной пар; III -  пары с верха вакуумных колонн; IV -  вакуумный дистиллят (фракция 350 - 500°С); V, VI, VII - масляные погоны; VIII - полугудрон; IX - гудрон 

     Рисунок 4 - Схемы вакуумной перегонки  мазута с однократным (а) и двукратным (б, в) испарением 

     4 Основная аппаратура  установок первичной  перегонки нефти 
 

     4.1 Теплообменные аппараты 

     Теплообменные аппараты, применяемые на НПЗ, и в  частности на установках прямой перегонки, делятся на следующие группы:

     1) теплообменники типа «труба в  трубе»;

     2) кожухотрубчатые теплообменники;

     3) аппараты воздушного охлаждения;

     4) теплообменники непосредственного смешения.

     Теплообменники  типа «труба в трубе» (рисунок 5) легко  разбираются для чистки и могут быть использованы при любой разности температур теплообменивающихся сред. Они применяются на установках прямой перегонки для подогрева нефти остаточными продуктами - мазутом или гудроном.

     1 – наружная труба; 2 – внутренняя  труба; 3 – разъемный двойник; 4 –  приварной двойник 

     Рисунок 5 – Четырехходовой теплообменник типа «труба в трубе» 

     Кожухотрубчатые теплообменники получили большое распространение на современных НПЗ, существуют кожухотрубчатые теплообменники жесткотрубного типа и с плавающей головкой. 
 

     4.2 Аппараты воздушного  охлаждения 

     Аппараты  воздушного охлаждения состоят из пучка  труб с коллекторами (сборными трубами), вентилятора с электродвигателем, регулирующих устройств и опорной части. Теплопередача в аппаратах воздушного охлаждения (АВО) происходит по принципу противотока. Вентилятором воздух прогоняется через межтрубное пространство. Пучок труб охлаждается снаружи. За счет теплоотвода через поверхность охлаждается продукт, протекающий внутри трубок. Чтобы воздух равномерно распределялся по всей охлаждающей поверхности труб, вентилятор соединяется с трубными пучками посредством диффузоров.

     Рисунок 6 - Аппарат воздушного охлаждения горизонтального типа (АВГ) 

     Трубы, коллекторы и рамы образуют секции. Коллекторы снабжаются съемными крышками или пробками, что создает возможность очистки внутренней поверхности труб.

     Существуют  аппараты воздушного охлаждения различной  конструкции, отличающиеся расположением трубных секций. Наиболее часто применяются горизонтальные (АВГ, рисунок 6) и зигзагообразные (АВЗ, рисунок 7) холодильники. Конструкция аппаратов зигзагообразного типа отличается простотой монтажа и обслуживания. По сравнению с прочими типами АВО эти аппараты имеют наибольшую поверхность теплообмена и занимают наименьшую площадь. Число ходов в секциях АВЗ может изменяться в широких пределах. На установках первичной перегонки применяются аппараты воздушного охлаждения горизонтального типа с площадью поверхности теплообмена до 1,8 тыс. м² и зигзагообразные - до 7,5 тыс. м². 

     Рисунок 7 - Аппарат воздушного охлаждения зигзагообразного типа

     4.3 Трубчатые печи 

     С помощью трубчатых печей технологическим  потокам установок сообщается теплота, необходимая для проведения процесса.

     Трубчатые печи классифицируются по характерным  для них признакам:

     1) полезной тепловой мощности;

     2) производительности, т. е. количеству нагреваемого в единицу времени продукта;

     3) технологическому назначению;

     4) конструктивным особенностям.

      По технологическому назначению печи НПЗ делятся на печи атмосферной  перегонки нефти, вакуумной перегонки  мазута, стабилизации бензина, каталитического риформинга, пиролиза и др.