3.3.3 Процеси переробки нафти. Пряма перегонка нафти

Нафта є складною сумішшю великої кількості взаємно розчинних вуглеводнів, які мають різні температури початку кипіння. На цій властивості нафти заснована її перегонка, тобто ступінчасте випаровування і конденсація окремих фракцій. На рис. 3.35 показано панорамне зображення нафтопереробного заводу.

Нагрівання нафти, в першу чергу, призводить до випаровування найлегших вуглеводнів. У міру відгону вуглеводнів з низькою температурою кипіння, відносний вміст у нафті важчих продуктів, з високою температурою кипіння, збільшується. Оскільки пружність парів останніх значно менша пружності парів продуктів з низькою температурою кипіння, то за такої температури перегонки вона може опинитися нижчою за атмосферний тиск, і нафта перестане кипіти. Тому для того щоб перегонка тривала далі, треба підвищити температуру нафти, що залишилася. При нагріванні пружність парів зростатиме і, коли вона досягне величини зовнішнього тиску, нафта знову закипить. Таким чином, перегонка нафти відбувається за температури, яка безперервно підвищується.

Рисунок 3.35 – Панорама нафтопереробного заводу

У процесі перегонки нафти з неї випаровуватимуться все нові, важчі вуглеводні високої температури кипіння. На різних етапах перегонки пари, які виділяються з нафти, складаються не з одного якого-небудь вуглеводню, а з суміші вуглеводнів, які мають близьку температуру кипіння.

Фракції вуглеводнів, що утворюються за низької температури кипіння, називаються легкими, а високої – важкими.

Температуру падіння першої краплі пари, яка сконденсувалася, вважають початком кипіння фракції. Температуру, за якої випаровування фракції припиняється, вважають кінцем кипіння фракції.

Фракції вуглеводнів, одержані в широких темпера-турних границях, називають дистилятами. Шляхом подальшої переробки дистилятів отримують різні нафтопродукти. При перегонці нафти отримують бензинові, гасові, газойлеві та інші дистиляти. Бензинові дистиляти википають за температури 35...205 °С, гасові в межах 150...300 °С, газойлеві – за температур 180...350 °С.

Одним тільки випаровуванням не можна досягти чіткого розділення фаз на вузькі фракції. При нагріванні суміші взаємно розчинних речовин (якими є нафта) в парову фазу переходять не тільки молекули легких компонентів, але і частина молекул важчого компоненту. Частина молекул легкого компоненту може бути розчиненою в залишку. Для розділення рідких неоднорідних сумішей вуглеводнів на практично вузькі фракції, які розрізняються за температурою кипіння, в процесі перегонки нафти застосовують ректифікацію.

Суть ректифікації полягає в тому, що між висхідним потоком пари і рідиною (флегмою), яка стікає вниз, відбувається тепло- і масообмін. У результаті цього пари збагачуються компонентами низької температури кипіння, а рідина – компонентами високої температури кипіння. Якщо контактів між рідиною і парами цілком достатньо, то пари складатимуться, в основному, з компонентів низької температури кипіння, а рідина – з компонентів високої температури кипіння. Ректифікація здійснюється в ректифікаційних колонах.

У ректифікаційну колону подається сировина, яка підігріта до необхідної температури і є сумішшю пари та рідини. Пари піднімаються вгору колоною, а рідина стікає вниз. На верхню частину ректифікаційної колони подається зрошування, що є продуктом, отриманим після конденсації парів, які відходять з верхньої її частини. Зустрічаючись з гарячими парами, які піднімаються, рідина, що зрошує колону нагрівається і поступово випаровується. При цьому вона отримує тепло у парів, внаслідок чого деяка кількість їх конденсується і стікає у вигляді флегми в нижню частину колони. Цей процес випаровування і конденсації повторюється вздовж всієї висоти колони на кожній тарілці.

Фракційний склад флегми і парів вуглеводнів, по висоті колони, безперервно змінюється, оскільки флегма, яка стікає вниз, збагачується важкими вуглеводнями, а пари, які піднімаються, збагачуються більш легкими, що випаровуються. Потоки парів, які піднімаються вгору, спричиняють випаровування сировини, яка подається в колону, і частково випаровування залишку, з нижньої частини колони. Потік рідини, що стікає вниз, утворюється у верхній частині колони завдяки зрошуванню. Температура усередині колони змінюється вздовж висоти згідно з температурою кипіння компонентів, які розділяються: у верхній частині колони вона близька до температури кипіння компоненту, що легко кипить.

Схема установки прямої перегонки нафти показана на рис. 3.36.

Нафта нагрівається в трубчастій печі 3, усередині якої змонтований змійовик, який складається з багатьох сполучених труб. Поверхня труб нагрівається за допомогою форсунок, або пальників, в яких згорає рідке, або газоподібне паливо.

Нафта, яка прокачується цими трубопроводами, нагрівається до необхідної температури і надходить у нижню частину ректифікаційної колони 5, куди подається також водяна пара. У колоні відділяються, у вигляді пари, всі фракції, які мають бути відібрані з нафти.

У верхній частині колони відходять найлегші за густиною фракції – гас та бензин, які охолоджуються в холодильниках, конденсуються в конденсаторах, і направляються в резервуари. Частина бензинової фракції після охолоджування повертається назад у колону для зрошування.

Рисунок 3.36 – Схема установки для перегонки нафти:

1 – теплообмінник; 2 – віддільник води і бруду;

3 – трубчаста піч; 4 – насос; 5 – ректифікаційна колона

Нижче з колони відбираються гасова і дизельна, а також інші фракції. Дистиляти, отримані при прямій перегонці нафти, потребують подальшого перероблення, для отримання товарних нафтопродуктів. З нижньої частини колони відходить залишок перегонки нафти – мазут.

Мазут, залежно від якості нафти, може бути використаний як сировина для каталітичного та гідрокрекінгу, виробництва змащувальних олив і бітуму. Без переробки мазут можна використовувати як котельне паливо.

На рис. 3.37 показано точки відбору фракцій на установці нафтопереробного заводу.