3. НЕФТЬ. ПРИРОДНЫЕ ГАЗЫ И ГАЗЫ НЕФТЕПЕРАРАБОТКИ

Нефть и продукты ее переработки

Нефть является основным источником предельных углеводородов. Количество предельных углеводородов, содержащихся в разных сортах нефти, сильно колеблется. В Советском Союзе наиболее богата предельными углеводородами грозненская нефть.

Нефть представляет собой жидкость от желтого до черного цвета (в зависимости от месторождения) с характерным запахом, легче воды. Состав ее весьма сложен — в ней содержатся углеводороды различных классов.

Нефть имеет тромадное народнохозяйственное значение. Кроме общеизвестного значения нефти как источника горючего для двигателей внутреннего сгорания (тракторов, авхомобилей и др.) непрерывно возрастает ее значение как сырья для химической промышленности. В связи с этим предприятия по переработке нефти делятся на собственно нефтеперерабатывающие заводы, основной продукций которых является моторное топливо (а отходы идут на химическую переработку), и нефтехимические предприятия, вырабатывающие широкий ассортимент химических веществ либо прямо из нефти, либо из продуктов, полученных с нефтеперерабатывающих заводов.

Рис. 5. Установка для ректификации: 1 — куб; 2 - ректификационная колонна; 3 — холодильник

Первый процесс переработки нефти на нефтеперерабатывающих заводах заключается в ее перегонке (так называемая прямая гонка).

Прямую гонку нефти проводят на специальных установках, состоящих из трубчатой печи, ректификационной колонны и теплообменной аппаратуры. Трубчатая печь представляет собой камеру, выложенную из огнеупорного материала. Внутри печи находятся трубы, по которым движется нефть. Трубы обогреваются теплом, выделяющимся при сгорании топлива в топочной камерё печи. При нагревании нефти в трубах до определенной температуры все подлежащие перегонке продукты, содержащиеся в нефти, переходят в парообразное состояние и отделяются от жидкого нелетучего остатка в испарительной колонне.

Смесь паров направляют в ректификационную колонну, из которой отбирают отдельные фракции (части нефти, различающиеся температурами кипения). Такую разгонку часто называют фракционной или дробной.

Ректификация служит для разделения смеси веществ, имеющих различные температуры кипения. Установка для ректификации (рис. 5) обычно состоит из куба 1, предназначенного для испарения смеси, ректификационной колонны 2, в которой производится непосредственное разделение смеси на

«отдельные компоненты, и холодильника 3 для конденсации выходящих из колонны паров.

Ректификационная колонна представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, разделенный на части горизонтальными тарелками (рис. 6), на каждой из которых имеется несколько отверстий — паровых патрубков а, лерекрытых колпачками с зазубренными краями. не доходящими до дна тарелки в.

Подлежащая разделению смесь непрерывно подается на определенную тарелку колонны и постепенно стекает на тарелки, расположенные ниже. Пары этой же смеси, поднимающиеся из куба, соприкасаются с менее нагретой смесью, находящейся на тарелках. При этом из смеси, находящейся на тарелках, испаряются легколетучие (низкокипящие) компоненты и в виде паров поступают на тарелки верхней части колонны, на которых конденсируется наиболее высококипящая их часть. Это происходит следующим образом. Сверху колонна орошается низкокипящим конденсатом — так называемой «флегмой», отбираемой из конденсатора.

Рис. 6. Тарелка ректификационной колонны: а — отверстия для паровой смеси; б - колпачки; в — дно тарелки; г - отверстия для жидкости:

На тарелках верхней части колонны поднимающиеся пары, соприкасаясь с низкокипящим конденсатом (флегмой), обогащаются более летучим компонентом, а стекающая жидкость — менее летучим компонентом. Таким образом, ректификацию можно представить себе как сумму последовательных перегонок смеси на каждой тарелке колонны, в результате которых происходит разделение смеси на низкокипящие компоненты, отбираемые из жонденсатора, и высококипящие компоненты, собирающиеся в кубе колонны. Последние могут быть удалены из куба через специальный вентиль.

При прямой гонке нефти обычно отбирают три основные

«фракции:

Бензиновая фракция (бензины прямой гонки), обладающая наиболее низкой температурой кипения, состоит обычно из углеводородов, содержащих от пяти до десяти атомов углерода в молекуле. Из этой фракции в свою очередь с помощью новой дробной перегонки выделяют различные сорта бензинов:

1. Легкий бензин — так называемый петролейный эфир; «фракция 40-75 °С; плотность Применяется главным образом в качестве растворителя.

2. Средний бензин (собственно бензин); фракция зависимости от назначения различают несколько видов бензина: авиационный, автомобильный и т. д. Средний бензин — наиболее ценная фракция, используемая для двигателей внутреннего сгорания.

3. Тяжелый бензин (лигроин); фракция 120-140°С; плотность Применяется в качестве топлива для дизельных двигателей.

Керосиновая фракция содержит обычно углеводороды, имеющие от 5 до атомов углерода. После специальной очистки применяется в качестве горючего для тракторных двигателей, как компонент топлив. для реактивных двигателей и для бытовых целей (осветительный керосин).

Мазут — содержит углеводороды с большим числом углеродных атомов Его подвергают дальнейшей переработке. Для предупреждения разложения мазута, которое происходит при температурах выше 300 °С, его перегоняют с водяным паром или вакууме (под уменьшенным давлением). При этом из мазут» выделяют так называемые соляровые масла и различные смазочные масла.

Соляровые и смазочные масла широко применяются в технике: первые в качестве моторного топлива, вторые для смазки механизмов.

Остаток мазута после отгонки соляровых и смазочных масел называется гудроном; идет для изготовления искусственного асфальта (в отличие от природного, который является, по-видимому, продуктом постепенного окисления веществ, содержащихся в нефти).

Парафин, выделяемый из масляных фракций некоторых сортов нефти и состоящий из смеси твердых углеводородов, применяется для изготовления свечей, в текстильной промышленности, в качестве сырья для получения различных химических веществ, например высших карбоновых кислот.

Наиболее ценная бензиновая фракция составляет всего лишь от 5 до 20% от массы нефти. Это послужило причиной изыскания новых технологических процессов переработки нефти с целью повышения выхода бензиновой фракции. Одним из таких видоизмененных процессов переработки является крекинг нефти. Существует несколько видов крекинга нефти.

Термический крекинг ведут при температуре 450-550 °С и давлении 20-70 кгс/см. При этом молекулы углеводородов с большим числом углеродных атомов расщепляются на более мелкие молекулы предельных и непредельных углеводородов, составляющих фракцию бензинов. Кроме того, при крекинге выделяется значительное количество так называемых газов крекинга, содержащих много непредельных углеводородов, которые применяются в качестве сырья для химический промышленности и для синтеза высококачественных компонентов моторного топлива.

Сырьем для термического крекинга являются как тяжелые фракции и остатки перегонки нефти, так и легкие фракцииг

лигроин, керосин и др. Применяя крекинг, из нефти удается получить вдвое больше бензинов, чем при обычной дробной разгонке.

Крекинг при низких давлениях и температуре 550-600 °С проводят в паровой фазе (так называемый парофазный крекинг). Сырье — фракции прямой гонки.

Каталитический крекинг проводится при 450 °С и атмосферном давлении; катализатором обычно служат активированный алюмосиликаты. Это — наиболее широко распространенный в настоящее время процесс производства компонентов автомобильных бензинов.

Процессы пиролиза, применяемые для переработки самого разнообразного нефтяного сырья — от газов до тяжелых остатков, — проводятся при температурах от 600 до 1200 °С и предназначены для получения газообразного и жйдкого сырья нефтехимического синтеза.

Исследование свойств бензинов, применяемых в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания, показало, что эти свойства во многом зависят от структуры углеводородов, входящих в состав того или иного бензина. Оказалось, что состав бензинов сильно влияет на легкость воспламенения при сжатии (так называемую детонацию), вызывающую характерный стук работающего мотора. Причиной детонации является преждевременное воспламенение горючей смеси в цилиндрах двигателя. Детонация не позволяет увеличивать степень сжатия горючей смеси в рабочем цилиндре двигателя и, таким образом, мешает увеличению мощности двигателя. Кроме того, детонация приводит к быстрому изнашиванию двигателя.

При исследовании влияния состава бензинов на их склонность к детонации выяснилось, что чем более разветвлена цепь предельного углеводорода, тем меньше детонация при его сгорании в двигателе, а следовательно, тем большую степень сжатия горючей смеси, можно допустить в рабочих цилиндрах двигателя. Так, например, очень незначительной детонацией обладает 2,2,4-триметилпентан (изооктан):

Поэтому детонационную способность бензинов стали выражать в условных единицах — октановых числах, причем условно принято считать октановое число изооктана равным 100 Оказалось, что наибольшей детонационной способностью обладают бензины, содержащие углеводороды нормального строения, в частности н-гептан, октановое число которого условились считать равным нулю. Чтобы определить октановое число данного бензина, его испытывают на специальных двигателях с переменной степенью сжатия и сравнивают со смесями, содержащими в различном процентном соотношении н-гептан и изооктан. Если, например, детонационная способность данного бензина окажется равной детонационной способности смеси, состоящей из 80% изооктана и 20% -гептана, то говорят, что данный бензин имеет октановое число 80.

Исключительно важное значение бензинов, потребляемых в громадных количествах в качестве топлива для двигателей

внутреннего сгорания, заставило искать пути для их получения Мы уже упоминали об одном способе — крекинге, при котором высокомолекулярные сложные углеводороды, входящие в состав тяжелых фракций нефти, расщепляются на низкомолекулярные углеводороды, составляющие легкие фракции.

Рис. 7. Схема ректификации дистиллята, получаемого при стабилизации сырой нефти: 1, 2, 3, 4 — ректификационные колонны; 5 — дефлегматоры; 6 — сепараторы; 7 — кипятильники.

В результате крекинга нефтяного сырья, наряду с газообг разными продуктами и коксом, образуются жидкие дистилляты (крекинг-бензины).

Крекинг-бензины по составу отличаются от бензинов прямой гонки. В них: содержится значительное количество непредельных (до 25%) и ароматических (стр. 205) углеводородов. Содержание предельных углеводородов в этих видах бензина примерно одинаково.

При переработке нефти с целью получения углеводородов применяют специальные методы их выделения.

Низшие предельные углеводороды (до включительно) выделяют из сырой нефти в процессе ее стабилизации. Стабилизация заключается в предварительном удалении растворимых в

нефти газообразных углеводородов в ректификационных колонках при давлении Полученная смесь низших предельных углеводородов (дистиллят) поступает вновь на ректификацию для разделения на индивидуальные углеводороды.

Принципиальная схема ректификации дистиллята, получаемого при стабилизации сырой нефти, изображена на рис; 7.

Углеводороды, содержащие более пяти углеродных атомов, имеют обычно близкие температуры кипения. Их выделяют в виде смесей — фракций с узким интервалом температур выкипания. Довольно часто такие узкие фракции используют для дальнейшей химической переработки без дополнительного разделения. Для выделения из узких фракций индивидуальных углеводородов пользуются различными современными методами разделения: экстракцией селективными растворителями, азеотропной и экстрактивной перегонкой и др.

Этими методами особенно широко пользуются для получения чистых ароматических углеводородов из ароматизированных (полученных в результате пиролиза) бензинов. Ароматические углеводороды получают из нефти и некоторыми специальными методами (стр. 216).