WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

William L. Leffler SECOND EDITION Petroleum Refining FOR THE NONTECHNICAL PERSON T>ennWellBooks MpennWell Publishing Company Tulsa Oklahoma

USA СЕРИЯ *ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ И НЕСПЕЦИАЛИСТОВ» Уильям Д. Леффнер Переработка Нефти Рекомендовано Министерством общего и профессионального образования Российской Федерации для использования в учебном процессе со студентами высших учебных заведений, обучающимися по химико-технологическим специальностям * S S s L ЗАО «ОЛИМП-БИЗНЕС» МОСКВА 2004 УДК 665.63 ББК 35.514 Л53 Перевод с английского 3. П. Свитанько Научный редактор перевода проф. В. И. Келарев Ответственный редактор Я. Л. Рудерман Леффлер Уильям Л.

Л53 Переработка нефти. — 2-е изд., пересмотренное / Пер с англ. — М.: ЗАО «Олимп—Бизнес», 2004. — 224 с: ил. — (Серия «Для профессионалов и неспециалистов»).

ISBN 5-901028-05- Книга профессора У. Л. Леффлера «Переработка неф ти» представляет собой научно-популярное описание процессов переработки нефти на современном нефтепе рерабатывающем заводе. В ней содержатся в концентри рованном виде важнейшие сведения о функционирова нии такого завода в целом и его отдельных блоков и ус тановок, а также о выпускаемых нефтепродуктах — авто мобильном бензине, дизельном, реактивном, котельном топливе, коксе, битуме и др. Описаны процессы пер вичной переработки нефти, процессы, улучшающие ка чество продукции и максимально повышающие глубину переработки нефти.

Книга рассчитана на широкий круг читателей.

УДК 665. ББК 35. © PennWell Publishing Company, 1979, © ЗАО «Олимп—Бизнес», перевод на рус. яз., ISBN 5-901028-05-8 (рус.) оформление и вступительная ISBN 0-87814-280-0 (англ.) статья, 1999, Содержание К ЧИТАТЕЛЮ ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ [.ВВЕДЕНИЕ II. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРОЙ НЕФТИ Состав сырой нефти — Кривые разгонки Фракции Фракционирование сырой нефти Плотность Содержание серы Измерение объема сырой нефти Упражнения III. ПЕРЕГОНКА НЕФТИ Простой перегонный куб — Ректификационная колонна Орошение и повторное испарение Границы кипения фракций Установление границ фракций Упражнения IV. ВАКУУМНАЯ ПЕРЕГОНКА Явление крекинга — Влияние пониженного давления Вакуумная перегонка — Упражнения V. Х И М И Я Н Е Ф Т И Атомы и молекулы — Углеводороды Нафтены Олефиновые и ароматические углеводороды Упражнения VI. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ Технологический процесс — Реактор 6 Содержание Регенератор Ректификационная колонна крекинга Выходы продуктов крекинга Параметры процесса Упражнения VII. ГАЗОФРАКЦИОНИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ Установка фракционирования насыщенного газа — Назначение Установка фракционирования крекинг-газа Водород — Складское оборудование Упражнения VIII. АЛКИЛИРОВАНИЕ Химическая реакция — Технологический процесс Выходы продуктов Упражнения IX. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РИФОРМИНГ Химические реакции — Оборудование Регенерация Параметры процесса Упражнения X. УМЕНЬШЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ОСТАТКА Термический крекинг — Коксование Легкий крекинг (висбрекинг) Упражнения XI. ГИДРОКРЕКИНГ Технологический процесс — Оборудование и химические реакции Упражнения XII. КОМПАУНДИРОВАНИЕ БЕНЗИНА Давление насыщенных паров Октановое число Содержание Этилированный бензин Спирты и кислородсодержащие добавки Компаундирование бензина и его влияние на технологические операции Упражнения XIII. ДИСТИЛЛЯТНЫЕ ТОПЛИВА Дизельный двигатель — Дизельное топливо Печное топливо XIV. НЕФТЯНОЙ БИТУМ И ОСТАТОЧНОЕ ТОПЛИВО Нефтяной битум — Прямогонный нефтяной битум Окисленный битум Дистиллятный раствор битума — Битумные эмульсии Остаточные топлива Получение остаточного топлива XV. ПРОИЗВОДСТВО ВОДОРОДА, СЕРЫ И ГИДРООЧИСТКА Гидроочистка — Получение водорода Получение серы Упражнения XVI. ИЗОМЕРИЗАЦИЯ Изомеризация бутана — Технологический процесс — Изомеризация С5/Сб XVII. ИЗВЛЕЧЕНИЕ АРОМАТИКИ РАСТВОРИТЕЛЯМИ Применение — Технологический процесс Выделение бензола XVIII. ПРОИЗВОДСТВО ЭТИЛЕНА Взаимосвязь между операциями 8 Содержание Технологический процесс ^ Упражнения XIX. ПРОСТАЯ И СЛОЖНАЯ ПЕРЕРАБОТКА.

НЕФТИ Новый взгляд на сложность Отраслевая модель «Моментальный снимок» Отраслевые тенденции XX. СЫРАЯ НЕФТЬ, ГАЗОКОНДЕНСАТ И ГАЗОВЫЙ БЕНЗИН Добыча нефти на промыслах Установки газофракционирования Транспортировка и использование XXI. ЦЕННОСТЬ ТОПЛИВА ЕГО ТЕПЛОТВОРНАЯ СПОСОБНОСТЬ Теплосодержание •— Номограмма сравнительной ценности топлив ОТВЕТЫ И РЕШЕНИЯ ГЛАВА II ГЛАВА III ГЛАВА IV ГЛАВА V ГЛАВА VI ГЛАВА VII ГЛАВА VIII ГЛАВА IX ГЛАВАХ ГЛАВА XI ГЛАВА XII ГЛАВА XV ГЛАВА XVIII Предметный указатель К ЧИТАТЕЛЮ Нефть является важнейшим источником энергии. Спе циалисты считают, что через 50 лет нефть вместе с углем будут обеспечивать около половины потребности плане ты в энергии. В современном обществе миллионы людей так или иначе связаны с нефтяной отраслью — это гео логи, энергетики, технический персонал нефтедобываю щих и перерабатывающих предприятий, рабочие бензо колонок и заправочных станций, биржевые трейдеры, продавцы, транспортники и т.д. Многие люди, работа ющие в этой отрасли, только понаслышке знают о кре кинге, висбрекинге, риформинге, алкилировании, ком паундировании и других процессах, превращающих нефть в известные всем бензин, керосин, битум, и понятия не имеют, что за этим стоит.

В книге У. Л. Леффлера «Переработка нефти» простым и ясным языком рассказано о сырой нефти и ее пере гонке, о каталитическом крекинге, алкилировании, ри форминге — процессах переработки нефти на современ ном нефтеперерабатывающем заводе, о выпускаемых нефтепродуктах — бензине, керосине, коксе, битуме, дизельном, реактивном и котельном топливах;

приведе ны сведения о работе различных заводских установок, а также подробно описаны различия между простой и сложной переработкой нефти. Автор шаг за шагом про водит читателя по всей технологической цепочке, фор мируя представление о современном нефтеперерабаты вающем производстве;

не отвлекаясь на детали и частно сти, дает возможность проследить, как преодолеваются технические сложности и решаются экономические про блемы.

«Переработка нефти» не имеет достойных аналогов и Уже много лет является бестселлером в Северной Амери ке. Она выдержала два переиздания и многочисленные Дополнительные тиражи.

Эта книга может служить пособием для менеджеров, экономистов, бизнесменов, транспортников и многих Других специалистов, работающих в области нефтепере 10 К читателю работки. Она будет интересна студентам, преподавателям и просто любознательным людям, которые хотят понять, как работает нефтеперерабатывающий завод.

Это лучшая книга для самообразования и чудесный справочник по переработке нефти. Прочитав ее, вы с удивлением обнаружите, что «эта нефтепереработка», которая казалась очень сложной и непонятной, на самом деле вполне доступна.

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ Недавно мне позвонила знакомая, только что назна ченная генеральным менеджером одного из крупнейших нефтеперерабатывающих заводов на побережье Мекси канского залива в США, и спросила, где можно срочно достать экземпляр этой книги. Хотя она получила техни ческое образование (инженер-нефтепереработчик), она никогда раньше не работала ни на нефтеперерабатываю щем заводе, ни в какой-либо другой отрасли, связанной с нефтью, и уже потеряла надежду быстро изучить необ ходимые основы.

Как же изменились времена! Когда я был принят в эту же нефтяную компанию 35 лет назад, работники про ходили весь путь снизу доверху. Сначала я специализиро вался в области коммерции, но через несколько лет мне посчастливилось проработать 18 месяцев на крупном неф теперерабатывающем заводе, принадлежащем компании, на Среднем Западе США. Для меня, человека ничего не смыслившего в технике, это было временем интенсив ного образования в технической части дела. Вернувшись из командировки, я попытался поделиться своими но выми знаниями с коллегами, с которыми работал в от деле коммерции. Схемы, заметки и эпизоды, которые я при этом использовал, и послужили основой для книги «Переработка нефти».

С тех пор, после двух изданий, многочисленных до полнительных тиражей и десятков тысяч проданных эк земпляров, я пришел к выводу, что круг читателей кни ги значительно шире, чем мне представлялось вначале.

Книга была предназначена для людей, выполняющих раз нообразные вспомогательные операции по отношению к нефтеперерабатывающему заводу, — биржевых маклеров, продавцов, финансистов, составителей планов, транс портников, поставщиков. Однако за эти годы я встречал экземпляры книги на рабочих столах и книжных полках У помощника госсекретаря США по энергетике и его сотрудников, профессора Массачусетского технологиче ского института и управляющего нефтеперерабатываю 12 Предисловие к русскому изданию щей компании. Со смешанным чувством я обнаружил, кто оказался лучшим покупателем данной книги. Одна из наиболее крупных и известных в мире консалтинго вых компаний закупила огромное количество экземпля ров, чтобы обучить свой персонал чему-либо в данной отрасли промышленности, в которой они при этом пред лагали услуги. Пугающее открытие.

Книга задумана хотя бы для того, чтобы помочь вам на равных участвовать в разговоре инженеров, занятых в области нефтепереработки. Они говорят на своем соб ственном языке. По моему опыту, в это дело не так легко включиться, если только вы не научитесь спрашивать «Почему?» вместо «Что такое?». Я надеюсь, что книга выполнит эту задачу — она поможет вам в достаточной степени понимать их язык, чтобы задавать правильные вопросы.

Уильям Л. Леффлер, Лондон, I ВВЕДЕНИЕ Начало— самая важная часть работы Платон «Республика» Если Вы открыли эту книгу, Вам уже не требуется введение в ее предмет — Вы и так им занимаетесь. Вряд ли эту книгу станет читать кто-нибудь, кому это не нужно.

Книга устроена так, что может выполнить три различ ных задачи. Во-первых, ее можно использовать как спра вочник, так как в начале имеется подробное оглавление, а в конце — хороший указатель. Кроме того, ее можно рассматривать как учебник. Сочетание лекций, чтения книги и решения задач может оказаться очень эффектив ным. Но поскольку большинству людей недоступна такая роскошь, как послушать лектора, то эта книга рассчита на в основном на тех, кто будет учиться самостоятельно.

Вследствие этого, довольно сухой материал разбавлен некоторой долей легкомыслия и, по возможности, при ближен к практике.

Если Вы будете изучать материал самостоятельно, мо гут оказаться полезными следующие советы. Глава II, по священная сырой нефти, является самой важной. В главе III, рассказывающей о перегонке нефти, приво дится много технических подробностей, которые не так существенны, поэтому не стоит их пугаться. Главы по вакуумной перегонке (глава IV), каталитическому кре кингу, алкилированию, риформингу, переработке нефтя ных остатков и гидрокрекингу имеют принципиальное значение. Изучение технических приспособлений, кото Рьге используются на нефтеперерабатывающем заводе (глава VII), не так уж важно.

Глава, касающаяся компаундирования бензина, может оказаться наиболее интересной и полезной, потому что в Ней обсуждается нечто хорошо знакомое, но тем не менее 14 Переработка нефти загадочное: двигатель автомобиля. И, наконец, очень важ ной может оказаться глава XIX, появившаяся только в последнем издании и посвященная различиям между про стой и сложной переработкой нефти. Эта глава объединяет все предыдущие, так как эти различия определяются именно процессами, описанными в главах III—XVII.

Главы XIII—XVIII, XX и XXI — что-то вроде lagniappe (это слово означает небольшой подарок, который торго вец преподносит клиенту во время продажи). Информа ция, приведенная в этих главах, полезна, но не жизнен но важна. Короче говоря, Вашего внимания должно хва тить хотя бы на первые двенадцать глав.

И последнее замечание: когда Вы прочтете книгу, у Вас должно появиться не меньше вопросов, чем их было до чтения... возможно, вопросов будет даже больше. Это замечание — попытка авторов стимулировать активность читателей, а не оправдаться. Лучше всего найдите гра мотного нефтепереработчика, которому можно будет за давать вопросы, возникающие по мере изучения книги.

II ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРОЙ НЕФТИ Позволь им описать неописуемое.

Дж Г. Байрон «Паломничество Чайлд-Гарольда» Что такое сырая нефть? Чтобы ответить на этот воп рос, нужно прежде всего сказать, чем она не является.

Нефть — не индивидуальное химическое соединение, а смесь соединений. Наиболее интересное свойство, харак теризующее поведение нефти, проявляется при нагрева нии. Если нагреть нефть до температуры кипения и вы держивать ее в этом состоянии, она полностью не испа рится.

Для сравнения рассмотрим воду. Нагреем сосуд с во дой до 100°С (212°F) и сохраним подогрев. Что произой дет? Вода начнет кипеть и постепенно испаряться, и в конце концов, если продолжать нагревание — она вся выкипит.

Если бы в сосуде с водой был термометр, Вы бы обнаружили, что перед испарением последней порции воды температура все еще остается на уровне 100°С. Так получилось, потому что химическое соединение Н2О ки пит именно при этой температуре. При атмосферном дав лении температура кипения воды — 100°С, не больше и не меньше.

Состав сырой нефти Вернемся к нефти. В отличие от воды, это не одно химическое соединение, а смесь нескольких тысяч разных ^единений. Некоторые из них очень простые, например, ^;

Н4 (метан);

а некоторые — сложные, как, например, sH 6 0. Формулы СН 4 и Cg 5 H 6 0 — это шифры (брутто 16 Переработка нефти формулы) определенных химических соединений, понят ные для химика. Более подробно мы обсудим этот вопрос позднее (чтобы не увязнуть раньше времени). Большин ство веществ, входящих в состав нефти, — это опреде ленные комбинации атомов углерода и водорода, кото рые называются углеводородами. Важно, что каждое из этих соединений характеризуется своей собственной тем пературой кипения, и в этом заключается самое полезное и наиболее широко используемое в нефтеперерабатываю щей промышленности физическое свойство нефти.

Кривые разгонки Чтобы все стало понятно, возьмем тот же сосуд и заполним его сырой нефтью средней плотности. Затем ^_ II. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРОЙ НЕФТИ поднесем к нему горелку и начнем нагревать нефть. Ког да температура достигнет 65°С (150°F), сырая нефть за кипит. Теперь мы продолжим нагревание, так чтобы тем пература оставалась на этом уровне. Через некоторое вре мя мы заметим, что нефть перестала кипеть.

Следующий шаг состоит в том, чтобы прибавить пла мя горелки и нагреть нашу нефть приблизительно до 230°С (450°F). Она снова начнет кипеть, а через некоторое вре мя опять перестанет.

Такие шаги можно повторять снова и снова, и все меньше нефти будет оставаться в сосуде. Возможно, Вы уже поняли, что происходит. На первой стадии испари лись соединения с температурами кипения ниже 65°С (150°F);

те, что кипят в интервале от 65 до 230°С (450°F), испарились на второй стадии, и так далее.

Таким образом мы получили так называемую кривую разгонки нефти. Это график, на одной оси которого от кладывается температура, а на другой — общий объем ный процент выкипевшей нефти. Каждый вид сырой не фти характеризуется своей собственной уникальной кри 18 Переработка нефти вой разгонки, которая помогает определить, какие хи мические соединения содержит данная нефть. Как пра вило, чем больше атомов углерода в соединении, тем выше его температура кипения, как показывает следую щий пример:

Фракции Для дальнейшего обсуждения характеристик сырой нефти будет полезно собрать определенные соединения в II. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРОЙ НЕФТИ группы, называемые фракциями. Фракция (или погон) объединяет все соединения, которые кипят между каки ми-либо двумя температурами, а эти температуры назы вают границами кипения фракции или пределами выки пания.

Обычно сырая нефть содержит следующие фракции В других главах много внимания будет уделено харак теристикам отдельных фракций, но кое-что понятно уже из названий.

Важно отметить, что различные нефти сильно разли чаются по составу. В легких нефтях обычно больше бензи на, нафты и керосина, а в тяжелых — газойля и мазута.

Возможно, Вы уже пришли к выводу, что вес и темпера тура кипения соединения взаимосвязаны. Это и в самом деле так. В целом, чем тяжелей соединение, тем выше его температура кипения. И наоборот, чем выше границы кипения фракции, тем тяжелее фракция.

Фракционирование сырой нефти Чтобы собрать воедино все сказанное выше по поводу кривых разгонки, будет полезно проделать некоторые арифметические действия. Возьмем кривые для двух сырых нефтей, показанные на рисунке 2.5, и определим на осно вании стадий разгонки, в какой из этих нефтей выше со держание керосиновой фракции (больший керосиновый погон). Керосин кипит в интервале 160—230°С (315—450°F).

20 Переработка нефти Используя рисунок 2.5, проделаем следующие опера ции:

1. Для более тяжелой нефти начнем от точки 160°С (315°F) на оси ординат и будем двигаться вправо до пересечения с кривой разгонки. Точку пересечения обозначим точка А. Точка А соответствует 26% на оси абсцисс.

2. Теперь начнем от 230°С (450°F) и будем двигаться вправо до пересечения с той же самой кривой, полу чив таким образом точку В. Она отвечает 42% на оси абсцисс.

II. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРОЙ НЕФТИ 3. Рассчитаем изменение объемной доли от исходной до конечной точки кипения керосина, что составляет 42 - 26 = 16%. Таким образом, более тяжелая нефть содержит 16% керосина.

4. А теперь те же самые операции проделаем для легкой нефти и найдем 66,5 — 48,5 = 18%.

Значит, легкая нефть содержит больше керосина, чем тяжелая.

Плотность Плотность характеризует массу соединения. Химики Постоянно используют величину, называемую относи 22 Переработка нефти тельной плотностью, которая является отношением масс неизвестного вещества и хорошо известного, например воды.

Относительная плотность вещества — это масса неко торого объема этого вещества, деленная на массу того же объема воды.

Похоже, химический подход показался технологам слишком примитивным. Действительно, в нефтеперера батывающей промышленности наиболее широко исполь зуется такая хитрая величина, как API (плотность, выра женная в единицах Американского института нефти). По какой-то давно забытой причине, плотность API, кото рая измеряется в градусах, находят по следующей фор муле:

I Если эти формулы повертеть так и сяк, то обнаружатся некоторые факты и зависимости, на которые можно мыс ленно опереться, обдумывая введенные понятия.

1. Для воды относительная плотность равна 1, a API = 10°.

2. Чем больше величина плотности в °АР1, тем легче соединение.

3. Для относительной плотности все наоборот.

Ниже приведены примеры типичных величин плотно сти:

II. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРОЙ НЕФТИ Содержание серы Теперь уместно обсудить еще один параметр, по кото рому могут различаться сырые нефти, а именно содер жание серы. Природа наделила сырую нефть таким не удобным свойством, как переменное количество серы в зависимости от типа нефти. Еще более усложняет ситуа цию то обстоятельство, что сера содержится не в виде элементной серы, а в виде соединений. Это означает, что °на химически связана с молекулой какого-нибудь угле водорода, так что соединения такого типа не так легко отделить от соединений, состоящих только из углерода и водорода.

Когда обсуждают сырые нефти с различным содержа нием серы, их обычно подразделяют на «сладкие» (sweet) и «кислые» (sour).* Эта классификация, которая на пер вый взгляд кажется необычной и несколько восточной, На самом деле имеет гораздо большее отношение к вкусу, Гак их называют в США, а в Европе и России нефти делятся а малосернистые, сернистые и высокосернистые.

24 Переработка нефти чем Вы могли бы подумать. Давным-давно, когда добыча нефти в Пенсильвании только начиналась, нефть исполь зовалась в качестве лампового масла для освещения поме щений вместо китового жира. Если керосиновая фракция содержала слишком много серы, то ее сгорание сопро вождалось отвратительным запахом. На нефтяных место рождениях Пенсильвании керосин пробовали на вкус, чтобы узнать, пригоден ли он для отправки на рынки Нью-Йорка и Филадельфии. Если керосин оказывался сладким, его признавали годным, а если кислым — то считался негодным.

По принятой в настоящее время классификации «слад кие» (малосернистые) нефти содержат не более 0,5 мас.% серы, а кислые (сернистые) — не менее 2,5 мас.%. Не фти с промежуточным содержанием серы иногда назы вают «среднесладкими» или «среднекислыми», но грани ца между этими категориями четко не обозначена. Что для одного сладко, для другого может быть кисло — а на вкус нефть больше не пробуют.

Измерение объема сырой нефти Разработка нефтяных месторождений в Пенсильвании положила начало еще одной договоренности. На первых порах нефть доставляли на рынок в вагонах или на же лезнодорожных платформах в 50-галлонных винных боч ках (1 галлон США равен 3,785 л). Чтобы учесть потери во время транспортировки, в пункте назначения оплачива лось только 42 галлона. Оплата и теперь производится из того же расчета. Производители вскоре догадались столько нефти и отправлять.

В настоящее время для измерения количества нефти сложилось два стандарта. В США, где транспортировка сначала осуществлялась по железной дороге в бочках или в цистернах, а впоследствии — по нефтепроводу, проще всего было измерять нефть по объему. В других странах, преимущественно в Европе, нефть в основном транспор тировали по морю. В этом случае более удобно определять II. ХАРАКТЕРИСТИКИ СЫРОЙ НЕФТИ вес (водоизмещение). В результате, в США коммерческие операции с нефтью производятся в баррелях (1 нефтя ной баррель равен 159 л), а в Европе чаще в тоннах.

Резюме: На рисунке 2.7 показаны кривые разгонки для пяти различных сырых нефтей, три из которых добы ваются в США, а две — в других странах. Некоторые из них содержат больше легких фракций, а другие — боль ше тяжелых. Цены на эти нефти также различны, поэто му их переработка не одинаково выгодна, особенно если учитывать необходимое для этого оборудование.

26 Переработка нефти УПРАЖНЕНИЯ 1. (а) Начертите кривые разгонки для следующих сырых нефтей.

(б) Сколько нафты (105—155°С или 220-315°F) содер жится в каждой из этих нефтей?

2. Представьте себе, что у Вас есть две колбы, содержа щие равные объемы нефтяного битума (API 11°) и на фты (API 50°). Определите плотность АР/продукта, кото рый получится при их смешивании. Имейте в виду, что ответ не 30,5°АР1.

Ill ПЕРЕГОНКА НЕФТИ Зачем нам вставать, если рассвело ?

Джон Донн «Рассвет» Случайный человек, который пройдет мимо нефтепе рерабатывающего завода и увидит множество высоких колонн, наверное решит, что это колонны крекинга. Это распространенная ошибка. Большинство этих высоких колонн является в действительности ректификационны ми колоннами того или иного типа. Колонны крекинга, которые обычно короче и приземистее, будут рассмотре ны в одной из следующих глав.

Перегонка нефти является замечательным изобрете нием технологов-нефтяников, основанным на важной ха рактеристике нефти, описанной в предыдущей главе, а именно, на кривой разгонки. Механизм, который при этом используется, не очень сложен и поэтому не осо бенно интересен. Однако для полноты изложения мы рас смотрим здесь и эти элементарные веши.

Простой перегонный куб Для начала полезно провести аналогию. Самогонщик из Кентукки использует простой перегонный куб, чтобы отделить светлый продукт от негодного остатка (см.

рис. 3.1). После ферментации кислого сусла, то есть ког да прошла медленная биохимическая реакция с образо ванием спирта, смесь нагревают до начала кипения спир та. Светлый продукт испаряется. В виде пара он оказыва ется легче жидкости. Поэтому он перемещается вверх, отделяется от жидкости и попадает в холодильник, где охлаждается и снова превращается в жидкость (конден сируется). То, что остаётся в кубе, выбрасывают, а то, 28 Переработка нефти что ушло вверх, разливают в бутылки. Описанный про цесс является простой перегонкой.

Если бы самогонщик захотел продать продукт каче ством выше среднего, он мог бы пропустить полученную жидкость через второй перегонный куб периодического действия, работающий аналогично первому. Во втором кубе более легкая часть жидкости отделилась бы от неко торого количества неспиртовых примесей, которые в пер вом кубе были увлечены вверх вместе с более легким погоном. Это произошло из-за того, что самогонщик не мог точно выдержать температуру кипения кислого сусла.

Впрочем, возможно, он специально поднял температуру в первом кубе немного выше, чем нужно, чтобы полу чить как можно больше продукта.

Такой двухступенчатый процесс можно превратить в непрерывный, как это показано на рисунке 3.2. В самом деле, раньше многие промышленные установки для пе регонки выглядели именно так.

III. ПЕРЕГОНКА НЕФТИ Ректификационная колонна Ясно, что периодическая перегонка, описанная выше, не годится для переработки 100—200 тыс. баррелей (-16— 32 тыс. м 3 ) сырой нефти в день, тем более что нужно разделить нефть на 5—6 компонентов. Ректификационная колонна позволяет проводить эту операцию постоянно, затрачивая гораздо меньше труда, оборудования и энер гии в виде топлива и тепла.

Процесс, происходящий в ректификационной колон не, схематично показан на рисунке 3.3. Внутрь поступает сырая нефть, а наружу выходят углеводородные газы (бу тан и более лёгкие газы), бензин, нафта (лигроин), керо син, лёгкий газойль, тяжелый газойль и кубовый остаток.

Чтобы понять, как все происходит внутри колонны, требуется рассмотреть некоторые тонкости. Первый эле мент, который необходим для работы колонны — это сырьевой насос, перекачивающий сырую нефть из склад ского резервуара в систему (см. рис. 3.4). Сначала нефть проходит через печь, в которой нагревается до темпера 30 Переработка нефти III. ПЕРЕГОНКА НЕФТИ туры порядка 385°С (750°F). Из предыдущей главы Вы знаете, что при этой температуре, как правило, испаря ется больше половины нефти.

Полученная таким образом смесь жидкости и паров подаётся снизу в ректификационную колонну.

Внутри ректификационной колонны находится набор тарелок, в которых проделаны отверстия. Благодаря этим отверстиям нефть может подниматься вверх. Когда смесь пара и жидкости поднимается по колонне, то более плот ная и тяжёлая часть отделяется и опускается на дно, а лёгкие пары поднимаются вверх, проходя через тарелки (рис. 3.5).

Отверстия в тарелках снабжены приспособлениями, называемыми барботажными колпачками (рис. 3.6). Они нужны для того, чтобы пары, поднимающиеся через та релки, барботировали через слой жидкости толщиной около 10 см, находящийся на тарелке. Это пробулькива ние газа через слой жидкости и составляет суть ректифи кации: горячие пары (при температуре не ниже 400°С 32 Переработка нефти (750°F) проходят через жидкость. При этом тепло пере дается от паров к жидкости. Соответственно пузырьки пара несколько охлаждаются и часть углеводородов из них переходит в жидкое состояние. По мере переноса тепла от паров к жидкости, температура паров снижает ся. Так как температура жидкости ниже, некоторые со единения в парах конденсируются (сжижаются).

После того как пары прошли через слой жидкости и потеряли часть более тяжелых углеводородов, они под нимаются к следующей тарелке, где повторяется тот же процесс.

Тем временем количество жидкости на каждой тарел ке растет за счет углеводородов, конденсирующихся из паров. Поэтому в колонне устанавливают приспособле ние, которое называется сливной стакан и позволяет из бытку жидкости перетекать вниз на следующую тарелку.

Число тарелок должно быть таким, чтобы общее количе ство продуктов, выходящих из ректификационной ко лонны, было равным количеству сырой нефти, поступа ющей внутрь. В действительности, некоторые молекулы несколько раз путешествуют туда и обратно — в виде пара поднимаются на несколько тарелок вверх, затем конденсируются и стекают уже как жидкость на несколь ко тарелок вниз через сливные стаканы Именно эта про 111. ПЕРЕГОНКА НЕФТИ мывка пара жидкостью за счет противотока и обеспечи вает четкое разделение фракций. За один проход это было бы невозможно.

На различных уровнях колонны имеются боковые от воды (рис. 3.7) для отбора фракций — более легкие про дукты отбираются в верхней части колонны, а тяжелая жидкость выходит внизу.

Орошение и повторное испарение Несколько дополнительных операций, происходящих вне ректификационной колонны, способствуют более ус пешному проведению процесса перегонки. Чтобы тяже лые продукты случайно не попали в верхнюю часть ко лонны вместе с легкими фракциями, пары периодичес ки направляют в холодильник. Вещества, которые кон денсируются в холодильнике, снова поступают на одну из расположенных ниже тарелок. Это своего рода ороше ние ректификационной колонны (рис. 3.8).

34 Переработка нефти И наоборот, некоторое количество легких углеводоро дов может быть увлечено током жидкости в нижнюю часть колонны вместе с тяжелыми продуктами. Чтобы избежать этого, жидкость, выходящую через боковой от вод, снова пропускают через нагреватель. В результате остатки легких углеводородов отделяются и повторно по ступают в ректификационную колонну в виде пара. Этот процесс называется повторным испарением. Преимущество такой схемы заключается в том, что только небольшая часть общего потока сырой нефти должна повторно пе рерабатываться для дополнительного возвращения про дукта. Не нужно снова нагревать всю нефть, что позволя ет сэкономить энергию и деньги.

Орошение и повторное испарение могут с тем же ус пехом использоваться и в средней части колонны, что III. ПЕРЕГОНКА НЕФТИ также способствует эффективному разделению. Повторно испаренная фракция, которая поступает в колонну, вно сит туда дополнительное тепло, что помогает легким мо лекулам отправиться в верхнюю часть колонны. Точно так же орошение предоставляет тяжелым молекулам, ко торые случайно оказались выше, чем им положено, пос ледний шанс сконденсироваться в жидкость.

Состав некоторых сырых нефтей может быть таким, что на части тарелок в колонне не окажется достаточно го количества парожидкостной смеси. В этих случаях оро шение и повторное испарение позволяют регулировать потоки так, чтобы процесс ректификации (разделения) мог продолжаться.

Границы кипения фракций. При анализе процесса перегонки нефти принципиаль но важной характеристикой являются границы кипения фракций. Так называют температуры, при которых продук ты перегонки отделяются друг от друга. В частности, тем пература, при которой продукт (фракция, погон) начи нает кипеть, называется точкой начала кипения (ТНК).

Температура, при которой 100% данной фракции испари лось, называется точкой выкипания (ТВ) этой фракции.

Таким образом, каждая фракция имеет две границы — ТНК и ТВ.

Если мы снова обратимся к диаграмме, изображенной на рисунке 3.3, то легко увидим, что температура выкипа ния нафты (лигроина) является точкой начала кипения для керосиновой фракции. То есть ТНК и ТВ двух соседних фракций совпадают, по крайней мере, номинально.

Однако ТНК и ТВ могут и не совпадать — это зависит от того, насколько хорошее разделение обеспечивает про цесс ректификации. Возможно, рассматривая всю эту си стему тарелок и барботажных колпачков, Вы задавали себе вопрос, насколько же хорош результат. Естественно, процесс перегонки неидеален и приводит к появлению, извините за выражение, так называемых хвостов.

36 Переработка нефти Предположим, что мы анализируем нафту (лигроин) и керосин в лаборатории и для каждой из этих фракций получили кривые разгонки — такие, как изображены на рисунке 3.9. Рассмотрите их внимательно, и Вы заметите, что температура выкипания нафты около 160°С (325°F), a точка начала кипения керосина около 150°С (305°F).

Рисунок 3.10 более наглядно иллюстрирует, что такое хвосты. На этом рисунке изображена зависимость температу ры, но на этот раз не от общей объемной доли испарившей ся нефти, а от объемной доли нефти, испарившейся имен но при этой температуре (для тех, кто знаком с математи ческим анализом, можно сказать, что это первая производ ная функции, обратной изображенной на рисунке 3.9).

Хвосты почти всегда появляются при перегонке. Это настолько обычное явление, что считается само собой разумеющимся. Однако чтобы не усложнять себе жизнь, пришли к компромиссу. В качестве границ фракций при перегонке берут так называемые эффективные границы \ кипения, то есть температуры, при которых фракции ус ловно считаются разделенными. В дальнейшем, при упот реблении термина границы кипения, мы будем иметь в виду эффективные границы.

III. ПЕРЕГОНКА НЕФТИ Установление границ фракций Когда мы рассматривали границы фракций в преды дущей главе, а также обсуждали их выше, могло сло житься впечатление, что эти величины для каждой фрак ции точно установлены. На самом же деле в применении к конкретной ректификационной колонне эти границы можно несколько смещать. Например, смещение грани цы между нафтой (лигроином) и керосином может иметь следующие последствия. Предположим, что температур ная граница сместилась со 157 (315) до 162°С (325°F). Во первых, при этом изменятся объемы продуктов ректифи кации, выходящих из колонны — получится больше на фты и меньше керосина. Дело в том, что фракция, кипя щая между 157 и 162°С, теперь будет выходить через отверстие для нафты, а не для керосина.

При этом плотность и нафты (лигроина), и керосина увеличится. Как же так может быть? Погон, который теперь переместился во фракцию нафты (лигроина), тя желее, чем нафта в среднем. Одновременно он легче, чем в среднем керосин. Вот так обе фракции и стали тяжелее!

Некоторые другие свойства также изменятся, но плот ность — единственная хапактепистика. KOTODVJO МЫ ДО 38 Переработка нефти сих пор рассмотрели. При обсуждении дальнейшей судь бы продуктов перегонки в последующих главах мы упо мянем другие возможные последствия изменения границ кипения фракций.

Если Вы сейчас узнаете, куда отправляются продукты, полученные при перегонке, Вам будет легче понять суть последующих глав. Легкие фракции, выходящие в верхней части колонны (верхний погон), поступают на установку газофракционирования. Прямогонный бензин отправляет ся на компаундирование для получения автомобильного бензина. Нафта (лигроин) подается на установку рифор минга, керосин поступает на установку гидроочистки, лег кий газойль направляется на смешение для получения ди стиллятного (дизельного) топлива, тяжелый газойль слу жит сырьем для каталитического крекинга, и, наконец, прямогонный остаток подается на вакуумную перегонку.

III. ПЕРЕГОНКА НЕФТИ УПРАЖНЕНИЯ 1. Заполните пропуски, выбрав слова из следующего списка:

хвосты сливной стакан ТНК ТВ печь прямогонный бензин сырая нефть фракционирование периодический непрерывный увеличивается уменьшается верхний погон холодильник барботажный колпачок а. Когда самогон выходит из верхней части перегонного куба, его нужно пропустить через, прежде чем разливать в бутылки.

б. режим не очень эффективен в совре менной нефтепереработке. В настоящее время рек тификация сырой нефти осуществляется только в режиме.

в. Приспособление, увеличивающее эффективность пере мешивания в ректификационной колонне, называется г. Отверстия в тарелках ректификационной колонны снабжены либо.

д. Хвосты возникают, потому что, одной фракции перекрывается с другой фракции.

е. По мере продвижения паров вверх по колонне, их тем пература.

ж. При понижении температуры выкипания фракции в ректификационной колонне, объем этой фракции а плотность API.

2. Управляющий нефтеперерабатывающего завода по лучил задание производить зимой 33 тыс. бар./сут котельного топлива. Он знает, что будет получать 200 тыс. бар./сут сырой нефти — 30 тыс. бар. из Луизиа 40 Переработка нефти ны и 170 тыс. бар. из Западного Техаса. Кривые разгон ки этих нефтей приведены ниже. Еще одно условие состоит в том, что требуется получить как можно боль ' ше реактивного топлива. То есть из нефти нужно вы жать как можно больше. Интервал кипения реактивно го топлива - 300—525°F (150—275°С), это и будут гра ницы соответствующей фракции в ректификационной колонне.

Наконец, чтобы обеспечить выпуск 33 тыс. бар./сут ко тельного топлива, нужно получать 20 тыс. бар./сут легкого прямогонного газойля (ЛПГ) при перегонке сырой нефти и направлять его на получение котельного топлива.

Задача: Какие температурные границы следует устано вить для фракции ЛПГ, чтобы получить 20 тыс. бар./сут?* Указание: Рассчитайте кривую разгонки для смешан ной нефти. ТВ реактивного топлива является ТНП фрак ции ЛПГ. Остается рассчитать ТВ для фракции ЛПГ так, чтобы получилось 20 тыс. бар./сут.

* Запомните ответ этой задачи. Задачи в последующих главах будут основаны на этом упражнении.

IV ВАКУУМНАЯ ПЕРЕГОНКА Природа не терпит пустоты Аристотель «Физика» При обсуждении кривых разгонки и ректификацион ных колонн в двух предыдущих главах мы сознательно оставили в тени форму кривых при температурах около (и выше) 480°С (900°F). Однако как раз при этих темпе ратурах происходит некое явление, которое называется крекинг. Чтобы правильно использовать это явление и из бежать его вредных последствий, был разработан про цесс вакуумной перегонки.

Явление крекинга Представьте себе, что лаборант должен получить кри вую разгонки для образца сырой нефти. Он будет нагре вать нефть и записывать температуру, собирать пар и конденсировать (сжижать) его, а также отмечать объем жидкости. Если температура поднимется выше 480°С (900°F), форма кривой неожиданно изменится. При тем пературе от 480 до 540°С (1140°F) общий объем собран ной жидкости окажется больше 100%, а в исходной кол бе все еще будет кипеть нефть.

Возможно, здесь есть некоторое преувеличение по сравнению с тем, что можно в действительности наблю дать невооруженным глазом, но суть передана верно. Ког да сложные углеводородные молекулы — те, что не ис парились до 480°С (900°F) — нагревают до более высо ких температур, то энергии оказывается достаточно для того, чтобы расколоть большую молекулу на две (или больше) маленьких. Например, молекула С 1 6 Н 3 4 может расколоться на три части: С 8 Н 1 8, C 6 H i 2 и С2Н4, как 42 Переработка нефти показано на рисунке 4.1 (соответствующая химическая реакция будет рассмотрена более подробно в главе, по священной каталитическому крегингу).

Если вспомнить, что мы говорили о температурах ки пения, то станет ясно, почему кривая разгонки измени лась столь внезапно. Маленькие молекулы кипят при зна чительно более низких температурах, чем большие. Как только они образуются в результате крекинга, они вы прыгивают из кипящей жидкости в пары. Но это еще не все. Откуда же взялся дополнительный объем? Чтй назы вается «на пальцах» объяснить это можно так: маленькие молекулы занимают больше места, чем большие.

IV. ВАКУУМНАЯ ПЕРЕГОНКА Вспомните теперь главу о свойствах углеводородов и относительной плотности. Соединение С16Н34 имеет плот ность 7,2 lb./gal., а соединения С 8 Н[ 8, CgH 12 и С 2 Н 4 — соответственно 5,9, 5,6 и 3,1 lb./gal. Представим себе, что один галлон С ^ Н ^ полностью распался на три этих ком понента (на самом деле так не бывает, а получаются ком бинации различных продуктов). Согласно химической ре акции, образуется 50% С 8 Н 1 8, 38% С 6 Н 1 2 и 12% С 2 Н 4. Но это весовые, а не объемные проценты. Если вначале мы имеем 7,2 фунта, то и в конце получим столько же. А ка ким же будет объем? Сосчитаем его следующим образом:

Мы видим, что 7,2 фунта С ^ Н ^ составляют 1 галлон по объему, в то время как 7,2 фунта продуктов крекинга занимают объем 1,38 галлонов. Такой результат проще все го объяснить тем, что более крупные молекулы стремятся упаковать свои атомы плотнее, чем мелкие молекулы. По этому они занимают меньший объем на единицу массы.

44 Переработка нефти Крекинг — интересный и выгодный процесс, но толь ко в том случае, если им управлять. В ректификационной колонне этот процесс не контролируется, поэтому при перегонке избегают температур, при которых возможен крекинг. Наиболее высокая температурная граница при перегонке находится в районе 400°С (750°F). Но прямо гонный остаток также содержит множество углеводоро дов, которые следует разделить на фракции. С этой целью и разработан метод вакуумной перегонки.

Влияние пониженного давления Представьте себе, что у Вас есть две сосисочные — на стадионах в Хьюстоне и Денвере. Знаете ли Вы, что для того, чтобы вскипятить воду и сварить в ней сосиски, ее надо будет нагреть, в среднем, до 100°С в Хьюстоне и только до 99°С в Денвере? Дело в том, что атмосферное давление в этих двух местах различно, так как различна высота над уровнем моря. Когда говорят, что воздух в горах разрежен, то имеют в виду, что он менее плотный, это и значит, что давление меньше.

Температура кипения зависит от давления несложным образом. Нагревание требуется для того, чтобы молекулы набрали достаточно энергии и могли покинуть жидкую фазу. Скорость, с которой это происходит, зависит от того, с какой скоростью тепло к ним подводится, а так же от давления воздуха над жидкостью. Чем ниже давле ние, тем меньше энергии требуется и, значит, тем ниже температура, при которой начинается парообразование в жидкости, то есть кипение.

Короче говоря, чем ниже давление, тем ниже темпе ратура кипения.

Вакуумная перегонка Теперь рассмотрим зависимость температуры кипения от давления в применении к проблеме крекинга нефти.

Крекинг прямогонного остатка происходит, когда тем пература поднимается слишком высоко. Но ведь прямо IV. ВАКУУМНАЯ ПЕРЕГОНКА тонный остаток нужно как-то разделить на дополнитель ные фракции. Решение проблемы было найдено при про ведении фракционирования при пониженном давлении.

Прямогонный остаток перекачивают из ректификаци онной колонны непосредственно на установку вакуумной перегонки. В соответствии с режимом работы ректифика ционной колонны, температура остатка при этом отвеча ет началу его кипения или на пару градусов выше на случай охлаждения. Остаток поступает в приземистую ко лонну большого диаметра, давление в которой понижено.

Атмосферное давление составляет 14,7 psi* (1,03 атм);

приблизительно такое же давление и внутри ректифика ционной колонны. Давление в вакуумной ректификаци онной колонне составляет около 4,5—5,5 psi (0,32— 0,40 атм). При пониженном давлении легкая фракция ос татка сразу начинает кипеть и быстро испаряется.

Испарение сопровождается охлаждением. Именно по этому, чтобы определить направление ветра, достаточно засунуть указательный палец в рот, а затем поднять его вверх. На ветру жидкость испаряется, и поэтому палец охлаждается с одной стороны. Чтобы противодействовать охлаждению, в колонну подается перегретый пар — пар под давлением, нагретый до температуры не менее 400°С (750°F). Тепло от пара передается нефтяному остатку, и таким образом поддерживается высокая температура и продолжается процесс испарения. Другая функция пара — это регулирование давления. Низкое давление сохраняет ся за счет вакуумного насоса, работающего в верхней час ти колонны.

Как показано на рисунке 4.3, из вакуумной ректифи кационной колонны выходит несколько потоков. Легкий вакуумный дистиллят и тяжелый вакуумный дистиллят иногда получают как отдельные продукты. Обе фракции можно использовать как сырье для получения смазочных масел. Во многих случаях их не разделяют, а сливают вместе, такой продукт называется легкая фракция вакуум ной перегонки.

* psi = фунт/кв. дюйм.

46 Переработка нефти Соответственно, тяжелый продукт, который остается на дне колонны, называется остаток вакуумной перегон ки и используется в качестве сырья для производства битума или термического крекинга, а также как компо нент для получения остаточного топлива.

Вакуумная перегонка прямогонного остатка эквивалент на его атмосферной перегонке в интервале кипения около 540—590°С {1000—1100°F). Большинство кривых разгонки условно изображают так, как будто эта ректификация была действительно проведена.

Поскольку на практике вакуумная перегонка тоже име ет свои ограничения, точку выкипания прямогонного остатка — т.е. температуру полного выкипания сырой не фти — определить невозможно. При столь высоких тем пературах вакуумную перегонку не проводят. Однако от сутствие этой информации не влечет никаких послед ствий, так как для готовых продуктов, в которых исполь зуется остаток вакуумной перегонки, точка выкипания IV. ВАКУУМНАЯ ПЕРЕГОНКА не имеет значения. Для характеристики остатков исполь зуют другие параметры, например, плотность и вязкость.

УПРАЖНЕНИЯ 1. Заполните пропуски:

а. Вакуумная перегонка является продолжением сырой нефти при высоких температу рах, что позволяет избежать.

б. Чем ниже давление, при котором находится жидкость, тем (выше, ниже) ее температура кипения.

в. Чем выше давление в вакуумной ректификационной колонне, тем (выше, ниже) точка вы кипания легкой фракции при той же скорости подачи и температуре сырья.

г. Продукты, выходящие с установки вакуумной пере гонки, называются, и д. Чтобы уменьшить объем легкой фракции вакуумной перегонки при той же скорости подачи сырья, нужно либо давление в колонне, либо температуру сырья, поступающего в колонну.

2. Используйте данные, которые сообщили управляю щему нефтеперерабатывающего завода в предыдущей главе. На этот раз требуется 35 тыс. бар./сут (1 нефтя ной баррель равен 159 л) остатка вакуумной перегон ки для того, чтобы удовлетворить потребности завода по производству битума, (а) Какую максимальную гра ницу кипения нужно установить в вакуумной ректи фикационной колонне, чтобы обеспечить требуемое снабжение битумного завода? Используйте температу ры кривой разгонки, а не давления и температуры на установке вакуумной перегонки, (б) Если прямогон ный остаток будет отделяться в ректификационной колонне при 800°F, каким будет объем легкой фрак ции вакуумной перегонки?

V ХИМИЯ НЕФТИ Система Природы должна быть действительно красивой — ведь в химии мы обнаруживаем, что соединения — всегда красивые целые числа и никаких дробей Р Букминстер Фуллер До сих пор при обсуждении свойств сырой нефти и процессов ее переработки нам удавалось избегать основ химии, но это счастливое время подошло к концу. Все остальные процессы нефтепереработки являются по боль шей части химическими реакциями. Так как Вы не обяза ны были изучать химию, а я изучал физическую химию и сдал ее как минимум на тройку, то Вам придется уз нать кое-что об углеводородах, прежде чем двигаться дальше.

Не пропускайте эту главу! Если Вы хотите полностью разобраться в последующих семи главах, Вам придется оставить на этом месте закладку.

Атомы и молекулы Физики периодически удивляют ученый мир тем, что разбивают материю на все более мелкие частицы, еще менее понятные обычным людям, чем нейтроны и элект роны. Но нам повезло: для нефтепереработки не требуется ничего, что было бы меньше атомов. Примеры атомов — это углерод, водород, сера или кислород, которые обо значаются соответственно символами С, Н, S и О.

Свойства веществ зависят от того, из каких атомов они состоят и каким образом атомы связаны в группы, называемые молекулами. Самые важные правила касают ся валентностей и химических связей.

V. ХИМИЯ НЕФТИ Валентность. Каждый вид атомов (элемент) обладает способностью соединяться с другими атомами в соответ ствии со своей структурой. Например, атом углерода все гда хочет присоединить к себе четыре других атома, а атом водорода — только один.

Определение: Валентность атома некоторого элемента равна числу атомов водорода (или их эквивалента), с которым этот атом может соединиться.

Химическая связь. Вид соединения между двумя атома ми называется химической связью. Вы можете считать, что это сила электростатического взаимодействия.

Углеводороды Самый простой пример, иллюстрирующий все три по нятия — валентность, химическая связь и углеводород — это метан, который состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, его формула СН 4. Посмотрите на его структуру и Вы увидите, что все правила валентно сти выполняются.

Если теперь мы рассмотрим следующий простейший углеводород, этан, то обнаружим некоторое усложнение.

Формула этана C2Hg. Можно видеть, что каждый углерод окружен четырьмя связями, а каждый водород — одной.

Обратите внимание, что один атом углерода присоеди нен к другому. Это обычное дело. Между прочим, когда водород упоминается как отдельное соединение, то его формула всегда Н 2, потому что водород именно так и 50 Переработка нефти существует: один атом водорода присоединяется ко вто рому, и таким образом правило валентности выполняет ся для обоих атомов.

Целый класс углеводородов можно представить, по лучая новые соединения точно так же, как из метана был получен этан. Эти соединения являются предельны ми углеводородами (алканами) или парафинами общей формулы С п Н 2п +2- Примеры таких углеводородов — про пан, нормальный бутан (н-бутан) и нормальный пентан (н-пентан).

Что означает слово «нормальный» перед словами бу тан и пентан? Дело в том, что атомы в углеводородах С 4 Н 1 0 и С 5 Н 1 2 можно расположить несколькими спосо бами. Один из способов показан на рисунке 5.3, но кро ме того, мы могли бы изобразить ответвление от одного из внутренних атомов углерода. Соединения С 4 Н 1 0 и С 5 Н 1 2, которые при этом получатся, являются парафи новыми углеводородами изостроения и называются изо бутан и изопентан.

У. ХИМИЯ НЕФТИ Хотя н-бутан и изобутан имеют одинаковые брутто формулы, их поведение различно. Они кипят при разных температурах, имеют разные плотности (потому что по разному упакованы), а кроме того, они вступают в раз ные химические реакции, что будет видно в главе, по священной алкилированию.

При обсуждении легких углеводородов используют сле дующее соглашение. Если смесь или поток содержит толь ко этан, пропан и, возможно, водород, но не содержит бутана и более крупных (тяжелых) молекул, такую смесь или поток называют «пропан и более легкие продукты», или Сз~. Также можно сказать, что она не содержит бута на и более тяжелых продуктов, то есть С 4 +. Это соглаше ние работает для всех углеводородов до С 5 включительно.

Нафтены Другой класс углеводородов — это циклические соеди нения, содержащие, как правило, больше четырех ато мов углерода. Если цепочку из пяти атомов углерода свер нуть в кольцо, получается циклопентан (С 5 Н 1 0 ). Обрати те внимание, что циклопентан содержит меньше атомов водорода, чем н-пентан или изопентан. Также существу ют и циклы большего размера, например, циклогексан.

Этот класс соединений называется нафтенами или на 1угеновыми углеводородами.

52 Переработка нефти Помимо простых парафиновых и циклических углево дородов, бесконечное число возможностей появляется в результате соединения молекул этих двух типов между собой. Простейшим примером является метилциклогек сан С 7 Н 1 4 — результат присоединения группы СН 3 (она называется метильной группой или метальным радика лом) к циклогексану, вместо одного из его водородных атомов (рис. 5.6).

Олефиновые и ароматические углеводороды Можно получить молекулу, в которой есть два атома углерода и только четыре атома водорода. На первый взгляд, при этом нарушаются правила валентности, ко торые Вы изучали предыдущие пять минут. Но химичес кое соединение этилен С 2 Н 4 построено так, что атомы V. ХИМИЯ НЕФТИ углерода связаны двойной связью, и это компенсирует недостаток водородных атомов (рис. 5.7). Что смешно:

двойная связь, удерживающая вместе два атома углеро да, не прочнее, чем одинарная связь, а слабее. Можно себе представить, что две связи занимают место, где мог ла быть одна связь. Поэтому соединение оказывается хи мически неустойчивым, может довольно легко реагиро вать с другими веществами и при этом превращаться в новое соединение, в котором уже нет двойной связи. По этой причине этилен очень часто используют для синтеза более сложных химических соединений. Например, если прицепить друг к другу много молекул этилена, полу чится полиэтилен.

Принципиальная характеристика олефинов — это то, что в них на два атома водорода меньше, чем в соответ ствующем насыщенном парафине (то есть в парафине, содержащем полный комплект водородных атомов), и, значит, их общая формула С п Н 2 п.

Олефинов в природе не существует. Возможно, что только Бог может создать дерево, но с олефинами он не справился. Их нет в сырой нефти — они появляются, потому что их создают люди с помощью процесса кре кинга, несколько вариантов которого мы рассмотрим в последующих главах. Это обстоятельство, которое на пер вый взгляд не связано с обсуждаемой темой, находит отражение в проектировании установок для нефтепере работки и будет обсуждаться в главе VII.

Другие олефины, представляющие интерес с точки зрения нефтепереработки, это пропилен (С3Нб) и бути лен (С 4 Н 8 ). Как и этилен, эти соединения можно вводить 54 Переработка нефти в реакции с другими веществами, поэтому они пригод ны в качестве сырья для ряда химических процессов и процессов нефтепереработки.

Ароматические углеводороды являются еще одним ис ключением из правил валентности. Рассмотрим цикли ческое соединение циклогексан. Каждый атом углерода связан с двумя другими атомами углерода и к нему при цеплено два атома водорода. Если убрать один из водоро дов от каждого углеродного атома, то правило валентнос ти нарушится и, чтобы оно снова выполнялось, между углеродными атомами можно поместить некоторое коли чество двойных связей. Для этого требуется, чтобы двой ная связь была у каждого второго атома углерода (рис. 5.8). Мы получили молекулу C6Hg, бензол. Представ ление, что каждая вторая связь в бензольном кольце — двойная, является сильно упрощенным. Более реальное представление оперирует понятиями резонансных струк тур и перескакивающих связей.

Если удалить один из водородов из молекулы бензола, а на его место посадить группу СН3, получится углеводо род состава С 7 Н 8, толуол (группа СН 3 называется ме тильным радикалом, а группа С 2 Н 5 — этильным радика лом. Названия радикалов похожи на названия соответ V. ХИМИЯ НЕФТИ ствующих парафинов — метана и этана). Если два водо рода в бензольном кольце заменить на два метальных радикала, то получится молекула состава CgHjo, ксилол.

Двойные связи в бензольном кольце достаточно неус тойчивы и химически активны. Поэтому бензол широко используется как строительный блок для получения но вых веществ в химической промышленности. Толуол и ксилол — тоже ценные соединения;

выделение аромати ки в нефтепереработке рассматривается в главе XVI.

Понятие «ароматика» включает все соединения, в мо лекулах которых есть бензольное кольцо. Однако на прак тике этот термин часто используется только по отноше нию к бензолу, толуолу и ксилолам. Между прочим, на звание ароматика возникло из-за своеобразного сладко ватого углеводородного запаха, присущего большинству этих соединений.

Вы могли заметить, что как только число атомов угле рода становится больше шести, число их различных ком бинаций в структуре возрастает лавинообразно. Поэтому индивидуальным соединениям уделяется очень мало вни мания. Чтобы описать состав нефти или нефтепродукта, иногда указывают процентное содержание парафинов, нафтенов и ароматики;

эти группы веществ обычно ха рактеризуются соответствующими физическими свойства ми (плотность, вязкость, температура кипения и т.д.).

УПРАЖНЕНИЯ 1. Изобутан является изомером нормального бутана. По чему у пропана нет изомера?

2. Сколько различных структур может иметь изобутан? А изопентан? Изобутилен?

3. Перечислите четыре типа структур, описанные в этой главе.

4. Существует три разных ксилола. Сможете ли Вы изо бразить те два из них, которые не приведены на ри сунке в этой главе?

5. Почему толуол только один?

VI КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ Что за трещетка уши нам терзает Неугомонным шумом лишних слов ?

В Шекспир. «Король Иоанн» На ранних стадиях развития нефтеперерабатывающей промышленности потребности в автомобильном бензине росли быстрей, чем потребности в тяжелом жидком топ ливе (например, в дизельном топливе), и соответствен но росло количество сырой нефти, которую нужно было превратить в бензин. Нефтепереработчикам стало ясно, что если производить прямогонный бензин в количест ве, достаточном для удовлетворения потребности рынка, то рынок будет одновременно затоварен тяжелым топли вом. Экономическим следствием сложившейся ситуации стал постоянный рост цен на бензин при падении цен на более тяжелые фракции.

Чтобы справиться с этой физической и экономической проблемой, находчивые инженеры-нефтепереработчики придумали несколько крекинг-процессов, из которых наиболее широко распространен каталитический крекинг.

Технологический процесс В двух предыдущих главах обсуждались некоторые ас пекты химизма процесса крекинга, а также химия нефти в целом. Здесь мы будем рассматривать технологический про цесс крекинга: в крекинг-установке прямогонные фрак ции тяжелого газойля нагревают при повышенном давле нии в контакте с катализатором, который способствует протеканию процесса.

Катализатор — это вещество, которое ускоряет или даже вызывает химическую реакцию, но когда реакция заканчивается, катализатор остается в неизменном виде — VI. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ таким же, каким был сначала. Другими словами, он не изменяется химически, но заставляет другие вещества ре агировать друг с другом. Катализаторы похожи на некото рых десятилетних детей, с которыми обычно ничего не случается, но там, где они появляются, обязательно что нибудь происходит.

Сырьем для процесса каталитического крекинга обыч но является прямогонный тяжелый газойль, а также лег кая фракция вакуумной перегонки. Температура кипения сырья для крекинга должна находиться в пределах 340— 590°С (650—1100°F). Чтобы процесс начался, требуется нагревание;

температура в реакторе во время крекинга находится в районе 480°С (900°F).

Процесс разработан так, чтобы особым образом со действовать протеканию крекинга. Задача состоит в том, чтобы превратить тяжелые фракции в бензин. В идеале температуры кипения продуктов крекинга должны ле жать в интервале, соответствующем бензину, но техно логия не бывает идеальной. Во время работы установки происходит несколько процессов. Когда большие молеку лы разрываются на части, то водорода оказывается недо статочно, чтобы насытить все молекулы, и поэтому не которая часть углерода переходит в кокс, который почти целиком состоит из атомов углерода, слепленных вместе.

При разрыве крупных молекул получается полный набор мелких — от метана и выше. Поскольку водорода недо статочно, многие из образующихся молекул оказывают ся олефинами. Если некоторые молекулы в сырье состоят из нескольких ароматических или нафтеновых циклов, соединенных вместе, они разваливаются на меньшие аро матические или нафтеновые молекулы и олефины. И, наконец, молекулы, состоящие из нескольких аромати ческих или нафтеновых циклов й длинных боковых це пей, как правило, теряют боковые цепи. Полученные в результате молекулы, хотя и содержат меньше атомов углерода, но оказываются более тяжелыми, то есть име ют более высокую относительную плотность. Кроме того, их температуры кипения обычно также выше. Самое смешное, что эти молекулы образуют продукт, который 58 Переработка нефти ^ тяжелее, чем исходное сырье. Таким образом, продукта ми крекинга является полный набор углеводородов, от метана до остатка и, кроме того, кокс.

Аппаратурное оформление каталитического крекинга состоит из трех частей: реактора, регенератора и ректи фикационной колонны.

Реактор Центральной частью установки каталитического кре кинга является реактор (рис. 6.1). Сырье проходит через нагреватель, смешивается с катализатором и поступает в вертикальную трубу (райзер), ведущую в нижнюю часть большого сосуда, похожего на резервуар для воды, кото рый называется реактором. В момент, когда сырье посту пает в реактор, процесс уже идет, поэтому время пребы вания сырья в реакторе — всего несколько секунд. В более современных конструкциях крекинг, в основном, проис ходит уже в райзере. Таким образом, реактор нужен толь ко для отделения углеводородов от катализатора. Это про изводится с помощью циклона, механического приспо собления, использующего центрифугирование.

Катализатор бывает обычно одного из двух типов: ша рики или микросферы. Диаметр шариков обычно 0,3 или 0,6 см. Микросферы гораздо меньше, и такой катализа тор выглядит как детская присыпка. В настоящее время шарики уже вышли из моды. Микросферы обладают дву мя необычными свойствами. Если сосуд с порошком ка тализатора встряхивать или наклонять, порошок ведет себя как жидкость. Поэтому такой процесс иногда назы вают крекинг с псевдоожиженным катализатором.

Второе свойство присуще не только порошку, но и шарикам, но оно не заметно невооруженным глазом. Под,, микроскопом можно видеть, что каждая микросфера (или шарик) имеет множество пор и, следовательно, огром ную площадь поверхности. Поскольку действие катализато I ра определяется его контактом с сырьем, большая пло щадь поверхности — очень важное свойство катализатора.

VI. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ Регенератор Та часть углеводородов, которая во время крекинга превращается в кокс, оседает в виде отложений на ката лизаторе. Когда поверхность катализатора покрывается отложениями, катализатор становится неактивным (от работанным). Чтобы удалить эти углеродные отложения, отработанный катализатор подают в сосуд, называемый регенератором (рис. 6.2), где его смешивают с горячим воздухом, нагретым приблизительно до 600°С (1100°F). В результате происходит следующая химическая реакция:

60 Переработка нефти Этот процесс называется окислением кокса и напоми нает сжигание древесного угля в брикетах, потому что в обоих случаях углерод соединяется с кислородом, и при этом образуется диоксид углерода (СО 2 ) и иногда моно оксид углерода (СО), а также выделяется большое коли чество тепла. Тепло в виде горячего потока СО и СО обычно используют в какой-либо части процесса, на пример, чтобы нагреть сырье в теплообменнике. В более старых моделях поток СО/СО 2 отправляют в печь, где СО доокисляется до СО 2, прежде чем СО 2 наконец от правляется в атмосферу.

Восстановленный катализатор выходит из нижней ча сти регенератора. Его можно снова смешать с сырьем и направить в реактор. Таким образом, катализатор нахо дится в непрерывном движении, проходя по циклу кре кинг—регенерация.

Ректификационная колонна крекинга Тем временем углеводородная смесь, полученная в ре зультате крекинга, подается (перекачивается) в ректифи VI. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ кационную колонну, предназначенную для разделения продуктов каталитического крекинга. В колонне смесь обычно разделяется на следующие фракции: углеводород ные газы (С4 и более легкие, то есть С 4 ~), крекинг-бен зин, легкий крекинг-газойль, тяжелый крекинг-газойль и кубовый остаток, который называется рециркулирующий газойль. Последний продукт может использоваться разны ми способами, но чаще всего его смешивают со свежей порцией сырья, с которой он снова поступает в процесс.

Если число циклов достаточно велико, рециркулирующий газойль может полностью исчезнуть. Такой вариант носит зловещее название рециркуляция до уничтожения.

Тяжелый крекинг-газойль можно использовать как сы рье для термического крекинга или как компонент оста точного топлива (мазута). Легкий газойль является хоро шим компонентом дизельного и дистиллятного топлива, а крекинг-бензин служит эффективным компонентом ав томобильного бензина.

62 Переработка нефти Граница между бензиновой фракцией и фракцией лег кого газойля не является строго фиксированной. Переме щение этой границы позволяет регулировать соотноше ние между бензином и дистиллятом в зависимости от времени года. Когда наступает зимний отопительный се зон, многие нефтеперерабатывающие заводы переходят на режим максимального количества дистиллята. Для это го изменяют точку выкипания для крекинг-бензина, так чтобы большее количество продукта попало во фракцию легкого газойля. Летом, чтобы перейти на режим макси мального количества бензина, границу между фракциями сдвигают в противоположном направлении.

Верхние погоны, выходящие из ректификационной ко лонны крекинга, отличаются по составу от легких фрак ций, получающихся при ректификации сырой нефти. В процессе крекинга образуются олефины, поэтому поток углеводородных газов содержит не только метан, этан, пропан и бутаны, но также водород, этилен, пропилен и бутилены. Из-за этих дополнительных компонентов кре кинг-газ направляют для разделения на установку фракци онирования крекинг-газа. В этом состоит отличие от газа, полученного, например, при ректификации сырой нефти (а также, как мы увидим позже, при гидроочистке, гид рокрекинге, риформинге и т.д.), который содержит толь ко насыщенные соединения. В последнем случае газ на правляют на установку фракционирования насыщенного газа.

Изобутан, пропилен и бутилены, полученные с установ ки каталитического крекинга, оказываются полезными для процесса алкилирования, в котором эти олефины пре вращаются в компоненты компаундированного бензина.

Все узлы установки каталитического крекинга, соеди ненные в общую систему, показаны на рисунке 6.4. Об ратите внимание, что в системе имеется два циркулиру ющих потока. В левой части рисунка катализатор выходит из зоны реакции, проходит регенерацию и снова возвра щается в зону реакции. В правой части углеводороды вхо дят в систему и уходят из нее, но за счет фракции рецир кулирующего газойля некоторые компоненты постоянно циркулируют в системе.

VI. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ Выходы продуктов крекинга Задачей каталитического крекинга является превра щение тяжелого газойля в бензин и более легкие фрак ции. Ниже приведены типичные выходы продуктов, ко торые показывают, в какой мере эта цель достигается.

Поскольку рециркуляция ведется до полного исчезно вения, простая схема каталитического крекинга не учи тывает его ни на входе, ни на выходе. Однако более важный результат, а именно, увеличение объема, отчетли во виден. Действительно, сумма объемов продуктов, вы ходящих с установки, составляет 118% от объема сырья, поступающего на установку. Это ни в коей мере не связа но с циркулирующим потоком, а определяется только соотношением плотностей продуктов и сырья. Если бы мы измеряли выход в весовых, а не в объемных процен тах, суммарное количество продуктов оказалось бы рав ным 100%. Но поскольку большинство нефтепродуктов продают по объему, а не по весу, их количество обычно выражают в объемных единицах. И поскольку во время 64 Переработка нефти крекинга происходят приключения с плотностью, выхо ды продуктов показывают значительную прибавку. Иног да эта прибавка становится навязчивой идеей нефтепере работчиков, и они стараются «раздуть баррель».

Параметры процесса Обычно установка каталитического крекинга работа ет, пока не достигает предела своих возможностей в от ношении выжигания кокса. Это может произойти раз личным образом, но становится очевидным, когда начи нает падать выход бензина, а количество газов С 4 ~ или тяжелого газойля при этом начинает возрастать Выходы продуктов с установки крекинга зависят от разных фак VI. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ торов, в том числе от качества сырья, температуры в реакторе, скорости подачи сырья и скорости циркуля ции, и, что удивительно, от времени суток и температу ры окружающего пространства.

Качество сырья. Реакция крекинга весьма сложна, и существует достаточно много данных, которые могут быть использованы для предсказания выходов на основании различных характеристик сырья. Важными характеристи ками являются плотность сырья и содержание в нем па рафинов, нафтенов и ароматики.

Температура в реакторе. Чем выше температура, тем интенсивнее протекает реакция крекинга, но в какой-то момент количество образующихся газов резко возрастает за счет уменьшения количества бензина или легкого га зойля. Оптимальная температура в реакторе определяется экономическими соображениями.

Скорости подачи сырья и циркуляции. Слишком высокая скорость подачи плохо сказывается на выходах, поэтому следует соблюдать баланс с объемом остатка от фракци онирования, который либо направляют на циркуляцию, либо оставляют во фракции тяжелого крекинг-газойля.

Время суток и температура. Для регенерации отрабо танного катализатора через регенератор постоянно про пускают воздух. Если температура воздуха за пределами установки понижается, воздух становится более плотным.

Так как насосы, подающие воздух, работают при посто янной скорости, то в действительности холодного возду ха в регенератор подается больше, чем теплого. Чем боль ше кислорода, тем больше кокса выжигается с поверх ности катализатора. Чем свежее катализатор, тем эффек тивнее реакция. Чем эффективнее реакция, тем больше получается бензина. Автоматическая запись параметров процесса действительно позволяет зафиксировать откло нения стрелок: например, ночью, когда температура воз духа ниже, выходы продуктов оказываются выше. Днем, когда становится жарко, выходы падают. То же самое относится к результатам, полученным зимой и летом, и это уже плохо, потому что потребности в бензине выше как раз летом, когда выходы снижаются.

66 Переработка нефти 1 — прямогонный бензин;

2 — прямогонная нафта;

3 — прямогонный керосин;

4 — прямогонный легкий газойль;

5 — прямогонный тяжелый газойль;

6 — легкая фракция вакуумной перегонки;

7 — бензин каталитического крекинга;

8 — легкий газойль каталитического крекинга;

9 — тяжелый газойль каталитического крекинга.

Резюме. С точки зрения технологии, установку катали тического крекинга можно условно изобразить на общей технологической схеме нефтеперерабатывающего завода как некий ящик с входящим сырьем и выходящими про дуктами. До данного момента мы успели рассмотреть рек тификацию сырой нефти, вакуумную перегонку и ката литический крекинг. На рисунке 6.5 показано, как все это выглядит в комплексе. Кроме того, на этом рисунке приведены сокращения, которые мы будем использовать в дальнейшем.

VI. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ УПРАЖНЕНИЯ 1. Заполните пропуски:

а. Установка каталитического крекинга включает два циркулирующих потока. В одной части установки это, а в другой —.

б. На поверхности отработанного катализатора отклады вается. В процессе регенерации он уда ляется за счет реакции с с образова нием и.

в. Задача каталитического крекинга — превращение в.

г. Сырье каталитического крекинга обычно поступает с установок и.

д. содержатся в крекинг-газе, но не со держатся в потоках насыщенного газа.

е. Остаток от фракционирования продуктов каталитичес кого крекинга называется и обычно за счет смешивания с сырьем.

2. Используйте условия и ответы из предыдущих глав, а также данные по выходам продуктов, приведенные в этой главе. Предположим, что сырьем для крекинга является вся верхняя фракция, полученная с установ ки вакуумной перегонки, и весь прямогонный тяже лый газойль (фракция между прямогонным легким га зойлем и остатком, идущим на вакуумную перегонку).

Сколько легкого крекинг-газойля будет получено на установке каталитического крекинга?

3. Признаком того, какими сложными могут быть опе рации нефтепереработки, является число возможных способов, которыми можно изменить объемы потоков.

Назовите шесть способов увеличения объема легкого крекинг-газойля.

VII ГАЗОФРАКЦИОНИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ.. и отделит одних от других, как пастырь отделяет овец от козлов Евангелие от Матфея, 25: Почти все установки на заводе производят в некото ром количестве бутан и более легкие углеводородные газы.

Переработка газа — не особенно красочная операция, возможно, поэтому в этой области используются такие экзотические названия, как, например, «тощее» масло, «жирное» масло,* «губчатое» масло, разделительный аб сорбер и т.д. Вся система называется газофракционирую щей установкой (ГФУ).

На современном заводе, располагающем комплексом раз нообразных процессов, потоки углеводородных газов со всех установок направляются предварительно на газофракцио нирование. Каждый из выходных потоков имеет свое на значение. Газофракционированию обычно предшествуют про цессы очистки (в основном, от сернистых соединений) и осушки газов. — Прим. ред.

Установка фракционирования насыщенного газа Газы, образующиеся в большинстве процессов, содер жат только насыщенные соединения: метан, этан, пропан, бутаны (н-бутан и изобутан) и иногда водород. Слово на сыщенные означает углеводороды, не содержащие двойных * Такие оригинальные названия используются нефтепереработ чиками в Соединенных Штатах. В России те же самые продукты называются иначе — отбензиненное абсорбционное масло и насыщенное абсорбционное масло. — Прим. перев.

VII, ГАЗОФРАКЦИОНИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ связей. Это значит, что все атомы углерода в их молекулах насыщены атомами водорода. Такие газы направляются на ГФУ насыщенного газа. Другой тип газовой смеси содержит также олефины (этилен, пропилен л бутилены). Такая смесь направляется на ГФУ крекинг-газа. Переработка во дорода и сероводорода требует специфических операций, которым посвящена отдельная глава (глава XV).

Разделение газов на компоненты представляет собой значительно более трудную задачу, чем разделение сы рой нефти. Вспомните, что каждый из этих газов являет ся индивидуальным химическим соединением и имеет свою температуру кипения (табл. 7.1). Таким образом, никаких хвостов или нечеткого разделения на этот раз быть не должно. Поэтому ректификационные колонны для разделения газов содержат огромное число тарелок, а орошение и повторное испарение производятся много кратно.

70 Переработка нефти Другая сложность связана с зависимостью температу ры кипения от давления. Здесь ситуация противоположна ситуации при вакуумной перегонке. Чтобы часть газовой смеси превратилась в жидкость — что принципиально для разгонки — нужно либо сильно охладить смесь (см.

табл. 7.1), либо значительно увеличить давление. Обычно делают и то, и другое.

Насыщенный газ, выходящий с установок и поступа ющий на фракционирование, проходит следующие стан дартные операции:

1. Сжатие. Газы, находящиеся при низком давлении, сжимают до давления 200 psi (14,06 атм).

2. Разделение фаз. При высоком давлении некоторые газы сжижаются, и их можно отделить в сепараторе.

3. Абсорбция (поглощение). Оставшиеся газы под вы соким давлением направляются в разделительный абсор бер (поглотитель). На верхнюю тарелку абсорбера подают нафту, которая просачивается вниз по колонне. По доро ге она собирает (абсорбирует) большую часть пропана и бутана, оставшихся в газовой фазе. Нафту, собравшую эти газы, называют насыщенным абсорбционным маслом.

Соответственно нафта, которую подают в верхнюю часть колонны для абсорбции пропана и бутана, называют от бензиненным абсорбционным маслом (Вы помните, что аме риканцы называют их «жирное» масло и «тощее» масло) (рис. 7.2).

VII. ГАЗОФРАКЦИОНИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ 4. Дебутанизация (отделение бутана). Обогащенное (жирное) масло поступает в следующую колонну, кото рую называют дебутанизатором. В этой колонне пропан и бутан отделяются от нафты. Поскольку нафта начинает кипеть при температуре около 80°С (180°F), а бутан ки пит приблизительно при 0°С (32°F), то они довольно легко разделяются (рис. 7.3), гораздо легче, чем бутан и пропан отделяются от этана в ректификационной колон не. Жидкая фракция из сепаратора также направляется в дебутанизатор.

5. Депропанизация (отделение пропана). Смесь углево дородов С з ~ С 4 разделяют в высокой колонне, где про пан уходит как верхняя фракция.

6. Деизобутанизация (отделение изобутана). В этой ко лонне разделяют бутаны. Так как точки кипения н-бутана 72 Переработка нефти и изобутана очень близки, то эффективное разделение требует большого количества тарелок Деизобутанизатор обычно — самая высокая колонна на ГФУ 7 Губчатая абсорбция Когда отбензиненное масло (то щий абсорбент) подается во фракционирующий абсор бер, возникает дополнительная проблема Некоторые ком поненты этого масла, обычно гептан (С 7 Н 1 6 ) и октан (CgHig), испаряются и поднимаются вверх вместе с бо лее легкими компонентами (Cj—C 2 ) Чтобы извлечь эти вещества, верхний погон подается в нижнюю часть до полнительной абсорбционной колонны, а очередное бо лее тяжелое «тощее» масло, которое на этот раз называ ется губчатое масло, подается сверху Головной погон в VII. ГАЗОФРАКЦИОНИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ этом случае — в основном сухой газ, состоящий из угле водородов Cj—C 2, а остаток — это, в основном, тощее масло, как показано на рисунке 7.4.

Фракцию Cj—С 2 обычно не разделяют, а используют на нефтеперерабатывающем заводе как топливо. Однако иногда этан может потребоваться как сырье на хими ческом заводе, и тогда проводят деэтанизацию смеси С]— С 2 в дополнительной колонне.

На рисунке 7.5 показаны все стадии разделения насы щенного углеводородного газа.

Назначение Зачем нужно разделять все эти газы? Дело в том, что каждый из них нашел свою собственную область приме 74 Переработка нефти нения в нефтеперерабатывающей промышленности. По этому наибольшая эффективность переработки нефти может быть достигнута, только если все компоненты ис пользуются по назначению.

Изобутан. Практически полностью применяется как сырье для алкилирования и изредка — как компонент при получении компаундированного автомобильного бен зина.

н-Бутан. Почти полностью используется как компо нент автомобильного бензина. Благодаря высокой лету чести, он полезен для запуска двигателей в холодную погоду, при этом он остается в бензине в растворенном виде и почти не испаряется. Некоторое количество н-бутана используется как химическое сырье или как топливо.

Пропан В США пропан является основным компонен том сжиженного нефтяного газа (LPG). Примерно 10% LPG, поступающего в продажу, состоит из бутана или является пропан-бутановой смесью. Пропан как топливо VII. ГАЗОФРАКЦИОНИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ обладает некоторыми уникальными свойствами, полез ными для многих областей применения. Он может быть сжижен при разумных температурах и давлениях, что де лает удобной его транспортировку, особенно в автоцис тернах. При обычных температурах пропан легко испаря ется, поэтому его удобно сжигать в газовых плитах, до машних печах и т.д. Пропан также часто используется как химическое сырье.

Этан. Единственная область применения этана, ради которой его и отделяют при нефтепереработке, — это использование в качестве химического сырья (см. гла ву XVIII «Производство этилена»). Во многих случаях этан оставляют вместе с метаном.

Метан. Нефтепереработчики ненасытны в отношении топлива. Метан с удовольствием сжигают в печах на всех установках нефтеперерабатывающего завода, а также в заводских печах для получения перегретого водяного пара.

Установка фракционирования крекинг-газа Газовые смеси, выходящие с установки каталитичес кого крекинга или других видов крекинга, содержат оле фины: этилен, пропилен и бутилены. Этилен обычно не отделяют от общей фракции Cj—С 2, которую отправля ют в топливную систему завода. Его можно отделить, если он требуется как химическое сырье.

На нефтеперерабатывающем заводе пропилен и бути лены обычно подают на установку алкилирования. Для удобства туда же направляются парафины — пропан и бутан, и уже там их отделяют (глава VIII). Возможно также полное разделение компонентов таким же обра зом, как разделяют компоненты насыщенного газа.

Водород На нефтеперерабатывающем заводе имеется несколь ко процессов, потребляющих водород: гидрокрекинг и 76 Переработка нефти несколько вариантов гидроочистки. Некоторые газовые смеси, в частности смесь, поступающая с установки ри форминга, содержат большое количество водорода. Часто риформинг-газ подвергают сжатию после разделения, и на этой стадии получают водородный концентрат, кото рый является смесью Н2 и СН 4 и может использоваться в качестве водородного сырья.

Дополнительные количества водорода при необходи мости можно получить специально, если на заводе есть установка для получения водорода, которую иначе называ ют установкой для конверсии метана с водяным паром и которая будет обсуждаться в главе XV Складское оборудование Пришло время поговорить о довольно специфическом оборудовании, которое требуется для хранения нефтеза водских газов Вследствие летучести и низких температур кипения этих продуктов, их приходится хранить в сжи женном виде в специальных контейнерах под давлением.

Метан (и этан, который не направлен для использо вания как химическое сырье) обычно не хранят на неф теперерабатывающем заводе, а направляют в топливную систему сразу после получения. Система снабжена урав нительными баками, которые могут накапливать некото рое количество газообразного метана на короткие перио ды во время смены технологического режима. Кроме того, все эти высокие факелы, которые являются типичной при надлежностью нефтеперерабатывающего завода, помога ют избавиться от кратковременного перепроизводства газа.

Пропан и бутаны (и иногда этан) можно хранить в стальных емкостях или подземных резервуарах.

Резервуары для хранения пропана и бутана имеют сфе рическую форму. Стальные емкости либо имеют форму пули (цилиндр с закругленными краями, лежащий на боку), либо также шарообразные. Закругленная форма выбрана для достижения оптимальной прочности (чтобы VII. ГАЗОФРАКЦИОНИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ резервуар выдерживал высокие давления) и минималь ных финансовых затрат.

Подземное хранение обычно осуществляется одним из следующих двух способов: либо в полости в скальной, сланцевой или известковой породе, либо в кувшине, об разовавшемся за счет вымывания соли в подземных соля ных линзах, как показано на рисунке 7.6.

В первом случае, при хранении в полостях, пропан или бутан закачивается внутрь или выкачивается в сжи женном виде, а различие в объемах продукта компенси руется различным количеством паров, находящихся над жидкостью.

78 Переработка нефти В случае соляной линзы подача внутрь и наружу осу ществляется более необычным образом. В кувшине нахо дится смесь пропана и соленой воды (рассола). Эти две жидкости, как и любая пара вода—масло, не смешива ются. Чтобы выкачать пропан наружу, внутрь закачивают дополнительное количество рассола, и он выталкивает пропан. Когда нужно наполнить кувшин, пропан закачи вают внутрь, и он выталкивает рассол — обычно в спе циальный бассейн.

Преимуществом такого способа хранения является воз можность расширить резервуар. Если вместо раствора соли в кувшин закачать чистую воду, то дополнительное ко личество соли из стенок линзы перейдет в раствор, и таким образом размер резервуара увеличится без допол нительных затрат. Конечно, эту операцию можно произ водить лишь до определенных пределов, чтобы не выз вать разрушения резервуара.

Другим преимуществом этого способа является сто имость самой конструкции. Кувшины в соляных линзах обходятся значительно дешевле, чем сооружение полос тей в горной породе, а это в свою очередь дешевле, чем возведение стальных резервуаров. К сожалению, в США природа создала доступные соляные линзы и подходя щие скальные, сланцевые и известковые породы только в нескольких регионах.

УПРАЖНЕНИЯ 1. Заполните пропуски:

а. Два типа газофракционирующих установок называют ся установка фракционирования и уста новка фракционирования.

б. Нафта, которая используется для захвата более тяже лых газов во фракционирующем абсорбере, называет ся. Тощее масло, набрав шее жидкость, называется.

VII. ГАЗОФРАКЦИОНИРУЮЩИЕ УСТАНОВКИ в. Смесь, которая может использоваться для поглощения значительной доли некоторых компонентов из другой смеси, называется.

2. Укажите обычные области применения для каждого из перечисленных нефтепродуктов Метан Этан Гидроочистка Пропан Компаундирование автомобильного бензина н-Бутан Топливо для нефтеперерабатывающего завода Изобутан Сырье для алкилирования Пропилен Химическое сырье Бутилен Топливо, поступающее в продажу Этилен Водород 3. Нарисуйте систему ректификационных колонн, кото рые могут быть использованы для разделения крекинг газа на С 2 и более легкие газы, пропан, пропилен, н-бутан, изобутан и бутилен. Используйте таблицу 7.1, в которой приведены точки кипения каждого компо нента. Предполагается, что в каждой колонне один погон отделяется от остатка, и никаких боковых вы ходов нет. Какая специфическая проблема возникнет при разделении бутана и бутилена?

4. Изобразите технологическую схему входящих и выхо дящих потоков для установок, которые были рассмот рены до сих пор: ректификационная колонна для сы рой нефти, колонна вакуумной перегонки, установка каталитического крекинга и установка газофракцио нирования.

VIII АЛКИЛИРОВАНИЕ Вопят они, что жаждут разделенья, Моя же в жизни цель— объединенье.

Роберт Ли Фрост. «Двое бродяг в плохую погоду...» После того как был придуман каталитический кре кинг, ученые обратили внимание на образующиеся при этом легкие фракции. Главная задача состояла в том, чтобы по возможности увеличить количество бензиновой фракции. Однако пропилен и бутилен имеют слишком низкие температуры кипения и не остаются в бензине в растворенном состоянии. Поэтому был разработан про цесс, обратный крекингу, который называется алкилиро вание, и суть которого состоит в превращении неболь ших молекул в крупные.

Химическая реакция Для химика термин «алкилирование» относится к це лому ряду реакций, однако для технолога-нефтеперера ботчика алкилирование означает взаимодействие пропи лена или бутилена с изобутаном с образованием изопа рафинов, которые называются алкилатом (рис. 8.1).

Изменение объема в этом процессе противоположно тому, что мы наблюдали при крекинге, а именно, объем заметно уменьшается. Если в процессе участвует пропи лен, то 1 баррель (159 л) пропилена и 1,6 барреля (254,4 л) изобутана дают на выходе 2,1 барреля (334 л) продукта алкилирования, а в случае бутилена — 1 бар рель (159 л) бутилена и 1,2 барреля (191 л) изобутана превращаются в 1,8 барреля (286 л) продукта. Как и при крекинге, масса исходных веществ равна массе продук тов, изменяется только плотность.

VIII. АЛКИЛИРОВАНИЕ Технологический процесс Изобутан и олефины могут взаимодействовать между собой при высоком давлении. Однако такой вариант ал килирования требует очень дорогого оборудования. Как и для многих других процессов, для алкилирования были 82 Переработка нефти подобраны катализаторы, которые ускоряют процесс и позволяют упростить технологическое оборудование. В ка честве катализаторов обычно используют серную или фто ристоводородную кислоту. Процессы, проводимые в при сутствии этих кислот, в основном сходны между' собой, но сернокислое алкилирование имеет гораздо более ши рокое распространение в промышленности, поэтому здесь мы будем обсуждать только этот вариант.

Установка алкилирования состоит из семи основных узлов, которые показаны на рисунке 8.2. Это — холо дильный аппарат, реакторы, узел отделения кислоты, узел щелочной промывки и три ректификационных ко лонны.

Холодильный аппарат. Алкилирование в присутствии серной кислоты протекает наиболее эффективно при тем пературах 4—5°С (40°F). Таким образом, олефиновое сы рье (поток пропан-пропиленовой и/или бутан-бутилено вой смеси с установки крекинга) смешивают с потоком изобутана и с серной кислотой и подают в холодильную VIII. АЛКИЛИРОВАНИЕ установку. Последняя работает при повышенном давле нии (3—12 атм), чтобы вещества находились в сжижен ном виде. В некоторых случаях охлаждение осуществляет ся непосредственно в реакторе.

Реакторы. Реакция алкилирования протекает достаточ но медленно и требует около 15—20 минут, поэтому ре акционная смесь проходит через целую систему больших реакторов. Общий объем реакторов столь значителен, что при однократном проходе через систему каждая молеку ла достаточно долго (приблизительно 15—20 минут) ос тается в реакционной зоне. При прохождении через реак торы жидкость периодически перемешивается, что обес печивает хороший контакт между олефинами, изобута ном и кислотой и, соответственно, эффективное проте кание реакции.

Узел отделения кислоты. Затем жидкость поступает в сосуд без перемешивания, в котором кислота и углево дороды отделяются друг от друга как вода и масло. Угле водороды поднимаются вверх, а кислота опускается на дно. После этого кислоту снова возвращают в процесс.

Узел отделения кислоты называют также кислотным от стойником.

Узел щелочной промывки. После отделения катализатора углеводороды все же содержат следы кислоты, поэтому их обрабатывают едким натром в специальном сосуде. Ед кий натр действует на углеводород так же, как Alka Seltzer действует на Ваш желудок при несварении — то есть нейтрализует кислоту. Вредные эффекты таким обра зом устраняются, и получается смесь углеводородов, го товая к разделению.

Ректификационные колонны. В трех стандартных ректи фикационных колоннах алкилат отделяется от насыщен ных газообразных углеводородов. Изобутан при этом воз вращается в процесс.

Выходы продуктов Процесс алкилирования сопровождается рядом побоч ных реакций, некоторые из которых являются в большей 84 Переработка нефти или меньшей степени нежелательными. Поскольку в сис теме формируются и реагируют разнообразные молеку лы, то образуются небольшие количества пропана, бута на и пентана, что не так плохо. Однако наряду с этим получается большое количество смолы — вязкого корич невого вещества, представляющего собой сложную смесь углеводородов. Эта смола обычно оседает вместе с кисло той и удаляется во время регенерации кислоты, перед тем как та будет снова направлена в процесс.

Ниже приведен объемный материальный баланс по пропиленовому и бутиленовому сырью.

Однако баланс по введенному в процесс сырью и вы ходам продуктов не показывает, какая часть пропана и н-бутана выходит из реактора в неизменном виде. На самом деле установка алкилирования обеспечивает ути лизацию значительных количеств индивидуальных про пана и бутана. Если эта установка по той или иной при чине остановлена, поток пропан-пропиленовой смеси обычно направляется в топливную систему, и производ ство LPG (сжиженного нефтяного газа) значительно со кращается.

Параметры процесса Оператор установки алкилирования должен контро лировать несколько основных параметров процесса, что VIII, АЛКИЛИРОВАНИЕ бы не допустить побочных реакций. Последние могут ухуд шить качество алкилата и привести к снижению октано вого числа продукта и его цветового индекса и к повы шению давления насыщенного пара.

Температура реакции. При понижении температуры серная кислота становится более вязкой и плохо смеши вается с сырьем. В результате олефины не вступают в реакцию полностью. Повышение температуры приводит к образованию других продуктов, помимо изогептана и изооктана, что снижает качество алкилата.

Концентрация кислоты. Кислота, циркулирующая в системе, неизбежно разбавляется водой, которая поступа ет вместе с олефинами, и, кроме того, в нее попадают смолы. Когда концентрация кислоты снижается от 99% до 89%, кислоту сливают и направляют в узел регенерации.

Концентрация изобутана. В присутствии избытка изо бутана процесс более эффективен. Обычно технологичес кая схема содержит систему для рециркуляции изобутана.

Отношение изобутан : олефин колеблется от 5 : 1 до 15 : 1.

Объемная скорость подачи олефина. Качество получае мого алкилата может меняться в зависимости от времени пребывания свежей порции олефинового сырья в реак торе.

Резюме. Что мы должны знать об алкилате? Во-пер вых, он имеет высокое октановое число. Во-вторых, он характеризуется низким давлением насыщенного пара.

Поскольку мы еще не обсуждали получение автомобиль ного бензина, такие понятия, как октановое число и давление насыщенного пара, по-видимому, имеют для Вас мало смысла. Пока достаточно сказать, что эти каче ства полезны для компонентов бензина, и в этом и со стоит основная идея алкилирования: превращение мало ценных газообразных компонентов крекинг-газа в цен ные компоненты бензина.

Установку алкилирования можно схематически пред ставить как систему, имеющую на входе пропилен, бути лен и изобутан, а на выходе — алкилат, наряду с пропа ном и н-бутаном. Чтобы Вы могли оценить место алкили 86 Переработка нефти 1 — легкая фракция вакуумной перегонки;

2 — крекинг-бензин;

3 — легкий крекинг-газойль;

4 — тяжелый крекинг-газойль.

рования в общей системе нефтепереработки, на рисунке 8.3 показаны узлы нефтеперерабатывающего завода, ко торые мы рассмотрели выше, а также узел алкилирова ния. Удивительно, как быстро наша схема усложняется.

УПРАЖНЕНИЯ !

1. Вставьте пропущенные слова.

а. Алкилирование — это процесс, обратный.

б. Катализатором алкилирования является либо, в зависимости от выбранных условий.

VIII. АЛКИЛИРОВАНИЕ в Пять основных узлов установки алкилирования — это" г Алкилат состоит в основном из двух изопарафинов, а именно и.

д. За счет высокого и низкого, алкилат представляет собой ценный 2. Крекинг-газ, поступающий на установку алкилирова ния, имеет следующий состав:

Пропан 0, Пропилен 0, Изобутан 0, н-Бутан 0, Бутилены 0. 1, Если общий объем газа составляет 3000 бар./сут, а выходы продуктов алкилирования соответствуют приве денным в этой главе, какой объем изобутана с установки ГФУ насыщенного газа потребуется для процесса? Какие продукты и в каком количестве будут получены?

IX КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РИФОРМИНГ Ничто так не требует реформирования, как привычки других людей.

Марк Твен. «Простофиля Вильсон» Установки каталитического риформинга являются в настоящее время почти обязательным звеном нефтепере рабатывающего завода. Назначение этого процесса — по лучение высокоароматизированных бензиновых дистил лятов, которые используются в качестве высокооктано вого компонента или для выделения из них индивидуаль ных ароматических углеводородов: бензола, толуола, ксило лов. — Прим. ред.

Третье поколение процессов нефтепереработки было вызвано к жизни повышением требований рынка к каче ству бензина. При этом качество бензина, как правило, определяется его октановым числом, которое мы будем обсуждать только в главе XII «Компаундирование бензи на». В 50-е и 60-е годы погоня за октановым числом была доминирующим фактором в торговле бензином. Катали тический риформинг был предложен как один из спосо бов увеличения октанового числа. Чтобы понять эту гла ву, полезно иметь условную закладку на главе V, посвя щенной химическому составу нефти.

Химические реакции В отличие от процессов, которые мы обсуждали до сих пор, в процессе каталитического риформинга температу ры кипения веществ меняются очень незначительно. Из менение касается, в основном, химического состава.

IX. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РИФОРМИНГ Сырьем для каталитического риформинга является, в основном, прямогонная нафта и реже дистилляты вто ричного происхождения, например, бензин термическо го крекинга, коксования и гидрокрекинга. Эти фракции обычно содержат высокие концентрации парафинов и нафтенов. В процессе каталитического риформинга мно гие из этих компонентов превращаются в ароматические соединения, которые имеют гораздо более высокие окта новые числа.

Ниже приведено типичное изменение состава нафты в этом процессе:

При этом происходят в основном следующие полез ные химические реакции:

1. Парафины превращаются в изопарафины (реакция изомеризации).

2. Парафины превращаются в нафтены (реакция цикли зации).

3. Нафтены превращаются в ароматику (реакция дегид рирования).

Протекают также некоторые побочные реакции:

1. Часть парафинов и нафтенов подвергается крекингу, превращаясь при этом в углеводородные газы.

2. Часть нафтенов и ароматических углеводородов теряет боковые цепи, которые при этом также превращаются в углеводородные газы.

Самый важный момент, который следует запомнить, — это то, что парафины и нафтены превращаются в аромати ческие соединения и некоторые изомеры, как показано на рисунке 9.1.

90 Переработка нефти IX. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РИФОРМИНГ 92 Переработка нефти Оборудование Вы можете подумать, что для осуществления этих сложных превращений используется какое-нибудь не обыкновенное оборудование. На самом деле нужен не обычный катализатор, который на этот раз состоит из оксида алюминия (А12Оз), силикагеля (SiO2) и платины (Pt). Платины требуется не так уж мало (на несколько миллионов долларов для одной риформинг-установки), поэтому катализатор заслуживает большого внимания.

Существует несколько способов приведения углеводо родного сырья в контакт с катализатором. Здесь мы рас смотрим вариант, который называется процесс с непод вижным слоем катализатора, так как в этом случае угле водороды просачиваются сквозь слой катализатора, на ходящийся в реакторе.

Для наиболее эффективного протекания каждой из :

реакций, изображенных на рисунке 9.1, требуются раз- ;

ные условия работы установки, то есть разные давления, температуры и продолжительности пребывания сырья в реакторе. Поэтому используют три последовательных ре актора (рис. 9.2), и каждый из них выполняет свою рабо ту. Давление в реакторах — 200—500 psi (14—35 атм), а IX. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РИФОРМИНГ температура - 480-520°С (900—975°F). Реакторы обычно имеют характерную сферическую форму.

Сырье сжимают до определенного давления, нагрева ют и подают в первый реактор, где оно просачивается сквозь слой катализатора и выходит из нижней части реактора. Эта процедура повторяется еще дважды в двух последующих реакторах. Затем продукт пропускают через холодильник, где большая его часть сжижается. Сжиже ние нужно для того, чтобы отделить богатый водородом газ и направить его на рециркуляцию. Это довольно важ ный момент, которому стоит посвятить несколько слов.

Водород является важным побочным продуктом ката литического риформинга. Взгляните еще раз на химичес кие реакции. Большинство из них сопровождается выде лением водорода, потому что в ароматических углеводо родах его меньше, чем в парафинах или нафтенах. Но водород здесь же и потребляется. Его нужно подмешивать к сырью, чтобы в реакторах постоянно сохранялась его высокая концентрация. В этом случае атомы углерода не осаждаются на катализаторе, как при каталитическом крекинге. Вместо этого углерод реагирует с водородом с образованием углеводородных газов.

Вернемся к оборудованию. Поток водорода частично направляется на установку газофракционирования, а ча стично возвращается в процесс. Жидкий продукт из ниж ней части сепаратора направляется на разделение в ко лонну стабилизации, которая является не чем иным, как дебутанизатором (бутановой колонной). Нижняя фрак ция, риформат (или катализат) отделяется в этой колон не от углеводородных газов (до бутана), которые подни маются вверх и направляются на ГФУ насыщенного газа.

Регенерация Через некоторое время работы установки активность катализатора падает. Это приводит к снижению октано вого числа риформата и уменьшению его выхода на еди ницу объема сырья.

94 Переработка нефти Раньше установки риформинга останавливали для ре генерации катализатора, но затем был разработан непре рывный режим, который осуществляется за счет добав ления еще одного реактора. В любой момент времени три реактора находятся в работе, а четвертый — в режиме регенерации катализатора. Регенерация осуществляется путем подачи горячего воздуха, который удаляет с по верхности катализатора углерод, превращая его в соот ветствующие монооксид и диоксид. Для восстановления катализатора реактор нужно выводить из процесса всего на 30 часов;

таким образом, процесс почти всегда ведет ся со свежим катализатором.

Несмотря на постоянную регенерацию, через опреде ленный промежуток времени активность катализатора все же падает. При высоких температурах регенерации поры катализатора разрушаются. В результате каждые 2—3 года процесс приходится останавливать для замены катализа тора.

Параметры процесса Рычаги управления, которыми инженер может мани пулировать на установке риформинга, — это температу ра, давление и время пребывания сырья в реакторе. Зада ча манипуляции состоит в соблюдении баланса между количеством продукта риформинга и его качеством. Со IX. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РИФОРМИНГ отношение между этими двумя параметрами показано на рисунке 9.3: при увеличении октанового числа выход про дукта риформинга в объемных % снижается. Соответствен но увеличивается выход газообразных продуктов. Таким образом, процесс каталитического риформинга должен быть идеально согласован с операциями по компаунди рованию бензина и с работой других установок, где про дуктами являются компоненты бензина.

96 Переработка нефти Свойства бензино-лигроиновых фракций (нафты), ис пользуемых в качестве сырья, вернее их групповой со став, выраженный в содержании парафинов, олефинов, нафтенов и ароматики, также влияет на выход и каче ство продукта. Групповой анализ нафты является важным фактором в оценке качества сырой нефти.

Ароматика. Каталитический риформинг — основной источник бензола, толуола и ксилолов. Процесс выделе ния этих компонентов в индивидуальном виде будет рас смотрен отдельно в одной из последующих глав.

Резюме. Каталитический риформинг является важным процессом превращения бензинов с низким октановым числом в продукт с высоким октановым числом, кото рый может быть использован как компонент автомобиль ного бензина. Групповой состав сырья смещается от па рафинов и нафтенов в сторону ароматики и, таким обра зом, появляется возможность использовать высокие ок тановые числа ароматики. К сожалению, чем выше окта новое число риформата, тем ниже его выход и тем боль ше образуется газов.

УПРАЖНЕНИЯ 1. Заполните пропуски:

а. Основная цель каталитического риформинга — увели чение нафты.

б. Дорогим компонентом катализатора риформинга явля ется.

в. В продукте риформинга содержится больше, чем в сырье.

г. Важным побочным продуктом каталитического рифор минга является _.

д. Другими побочными продуктами являются, и.

е. Чтобы предотвратить коксование катализатора, реакто ры заполняют.

IX. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РИФОРМИНГ ж. Признаками старения катализатора являются уменьше ние или продукта риформинга, а также увеличение выхода 2. Предположим, что объем сырья каталитического ри форминга составляет 15 тыс. бар./сут, а условия рабо ты подобраны так, чтобы получать продукт с октано вым числом 91. Такой продукт стоит 100 центов за галлон, а фракция С 4 ~ стоит 50 центов за галлон. Уве личение октанового числа на единицу поднимает сто имость продукта на 1 цент. Есть ли смысл устанавли вать более жесткий режим, чтобы увеличить октано вое число? Используйте график, приведенный на ри сунке 9.3. (Указание: оцените экономические показа тели для октановых чисел 91, 95 и 100.) з. Приведите по одному дополнительному примеру для каждого типа химических реакций, идущих в процес се риформинга.

4. В 60-е годы компания Шелл рекламировала использо вание продукта платформинга в составе своего преми ального бензина. Что означает сокращение «платфор минг»?

5. Изобразите схему нефтеперерабатывающего завода, включающую операции, которые мы рассмотрели до сих пор, в том числе каталитический риформинг.

X УМЕНЬШЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ОСТАТКА Даже руины были уничтожены.

Марк Аней Лукан. «О гражданской войне» При больших объемах нефтепереработки неизбежно образуются большие количества кубового остатка. В эко номике США изменения потребности в бензине никогда не сопровождались соответствующими изменениями по требности в остаточном топливе. Даже сокращение коли чества прямогонного остатка за счет вакуумной перегон ки не смогло установить соответствие между произво димым и требуемым количеством остаточного топлива.

Поэтому нефтепереработчики придумали несколько спо собов превращать остатки в легкие продукты. Еще в 1920 году большие количества нефтяного пека перераба тывались на установке термического крекинга, что значи тельно сокращало дисбаланс между бензином и остаточ ными фракциями. Развитие технологии в более поздние годы позволило сконструировать установки коксования.

Эти процессы весьма схожи, и мы рассмотрим их здесь как наиболее распространенные способы уменьшения ко личества остаточных фракций.

Термический крекинг В главе, посвященной вакуумной перегонке, Вы узна ли о процессе, который был разработан, чтобы избе жать крекинга. В этой главе Вы узнаете о процессе, спе циально задуманном, чтобы вызвать крекинг за счет по вышения температуры. Разница в том, что во втором слу чае условиями процесса управляют.

Вспомните, что термическим крекингом называется распад молекул углеводорода с образованием меньших X. УМЕНЬШЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ОСТАТКА молекул, обычно олефинов, так как в системе недоста точно водорода. Парафины с длинной цепью могут ра зорваться в любом месте. Циклические соединения обыч но разрываются в месте присоединения боковой группы, если таковая есть. В результате, тяжелые продукты кре кинга обычно имеют повышенное содержание олефи нов, нафтенов и ароматики.

Сырьем для термического крекинга обычно является остаток вакуумной перегонки (пек), но иногда использу ются тяжелый крекинг-газойль и рециркулирующий га зойль с установки крекинга.

Если продукты, поступающие на термический кре кинг, сильно различаются по температурам кипения, то легкокипящее сырье не смешивают с высококипящим.

Хотя на рисунке 10.1 эти потоки показаны вместе, в действительности каждый из них поступает в отдельную трубчатую печь, так как для легкокипящих продуктов требуются более жесткие условия (более высокие темпе ратуры). В печах сырье нагревается до температур в пре делах 520—550°С (950—1020°F). Время пребывания сырья 100 Переработка нефти в змеевиках, проходящих через печи, поддерживают не большим, чтобы там не происходили слишком глубокие химические превращения. В противном случае будет об разовываться кокс, который быстро забьет (закоксует) змеевик, что может привести к остановке всего процесса.

Затем нагретое сырье поступает в реакционную секцию, которая должна находиться под достаточно высоким дав лением (около 140 psi или 10 атм), что способствует крекингу, но не коксованию.

На выходе из реактора продукт смешивается с более холодным рециркулирующим потоком, что останавлива ет процесс крекинга. Оба потока подаются в секцию раз гонки, где легкокипящие продукты сразу поднимаются вверх, так как давление в этой секции понижено (как это происходит в колонне вакуумной перегонки прямо гонного остатка). На дне остается тяжелый крекинг-оста ток, часть которого направляется снова в реакционную камеру в качестве рециркулята;

то, что остается, обычно используется как компонент остаточного топлива.

Легкокипящие продукты из верхней части секции раз гонки подают в ректификационную колонну, которая показана на рисунке 10.2. Продукты С 4 ~ отправляют на установку фракционирования крекинг-газа. Бензин и нафту (лигроин) с установки термического крекинга использу ют как компоненты бензина либо направляют на уста новку риформинга. Газойль можно использовать как ди зельное топливо или отправить на рециркуляцию.

Коксование Коксование — это термический крекинг тяжелого не фтяного сырья в более жестких условиях, при котором в качестве одного из продуктов получается твердый остаток — кокс. После многих лет накопления информации о тер мическом крекинге стало достаточно ясно, что благодаря высоким температурам и очень высоким скоростям пода чи сырья, коксообразования не происходит, пока сырье не выходит из узких змеевиков в печах в большой уравни X. УМЕНЬШЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ОСТАТКА тельный резервуар. Если углеводородную смесь задержать в этой изолированной емкости, которая называется коксо вый барабан, то можно провести управляемые процессы глубокого крекинга и коксования. Была разработана техно логия, которая позволяет эффективно проводить этот про цесс, включив его в непрерывный режим крекинга. Хотя идея коксования проще, чем идея крекинга, в первом слу чае требуется более сложное оборудование, так как прихо дится иметь дело с коксом. Поскольку кокс — твердое ве щество, то возникают дополнительные проблемы.

Сырье для коксования (то же, что и для крекинга) нагревают приблизительно до 540°С (~1000°F) и подают в нижнюю часть коксового барабана. Легкокипящие про дукты крекинга поднимаются вверх и откачиваются из верхней части барабана. Высококипящие продукты оста ются и, поскольку нагревание продолжается, разлагают ся до кокса, который представляет собой твердое веще ство, похожее на уголь. Пары из верхней части барабана направляют на ректификацию, так же, как и продукты термического крекинга.

102 Переработка нефти Удаление кокса из барабана — отдельная проблема, так как он представляет собой твердую лепешку. В пре жние времена реактор термического крекинга иногда за коксовывался в результате какого-либо нарушения техно логического режима или аварии. Единственным спосо бом вычистить кокс из реактора было послать туда рабо чих в кислородных масках с отбойными молотками. Не сомненно, что именно это сдерживало разработку про изводства кокса на нефтеперерабатывающих заводах.

В настоящее время удаление кокса — это ежедневная рутинная процедура, которая осуществляется подачей струи воды под давлением (около 2000 psi или 140 атм).

Сначала в коксовой лепешке, находящейся в барабане, просверливается отверстие сверху вниз. Затем в отвер стие опускают вращающийся стержень, в результате чего струя воды направляется в разные стороны. За счет вы сокого давления лепешка кокса разбивается на куски, которые вываливаются из нижней части колонны и по X. УМЕНЬШЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ОСТАТКА падают в тележки или вагонетки для подвозки к месту хранения. Обычно барабаны работают в режиме 48-часо вого цикла: 24 часа барабан заполняется коксом, а пере ключение, охлаждение и удаление кокса занимают око ло 22 часов, в течение которых заполняется коксом со седний барабан.

Выходы. Продукты, выходящие с установок коксова ния и термического крекинга, чувствительны к услови ям процесса, к которым прежде всего относятся темпе ратура в печах и свойства сырья. Область температур ки пения, групповой состав и относительная плотность сы рья обычно позволяют предсказать результаты процесса.

В качестве примера рассмотрим результаты переработки остатка с установки вакуумной перегонки (полученного из Западно-Техасской сырой нефти) на установке тер мического крекинга, работающей в режиме максималь ного производства бензина, и на установке коксования.

Таким образом, при термическом крекинге количе ство остатка уменьшается на 80%. В случае коксования остатка вообще нет, но образуется около 30% кокса, для которого нужен рынок сбыта. В обоих процессах образу ются также бензин, нафта и газойль, но они низкого качества. Нафту часто перерабатывают на установке ката 104 Переработка нефти литического риформинга, а газойль — на установке гид рокрекинга. Но остаток исчезает, так что игра стоит свеч!

Кокс. О коксе полезно сказать несколько слов. Большая часть кокса, который выпускается нефтеперерабатываю щим заводом, выглядит как губка и потому называется губчатый кокс. Основные области применения такого кок са — это производство электродов, получение карбида кальция и графита. Прочность губчатого кокса недоста точна для его использования в доменных печах для вы плавки чугуна или в литейном производстве.

Вторая форма кокса — игольчатый кокс, который так называется из-за своих удлиненных микрокристаллов. Что бы получить такой кокс, требуется особое сырье и более жесткие условия работы. По своему качеству такой вид кокса предпочтительнее в производстве электродов, чем губчатый кокс. В результате, игольчатый кокс значитель но дороже, чем губчатый.

Кокс содержит некоторые количества воды и жидких углеводородов, поэтому перед использованием он дол жен быть высушен. Измельчение кокса с последующим нагреванием с целью удаления этих примесей называет ся кальцинированием.

Кроме того, кокс можно применять в качестве топли ва на нефтеперерабатывающем заводе — точно таким же образом, как используется любое другое твердое топли во, например, каменный уголь.

Легкий крекинг (висбрекинг) При переработке нефтяных остатков — полугудронов и гудронов— целевым продуктом обычно является котельное топливо, получаемое в результате снижения вязкости исходного остатка. Такой процесс неглубокого разложе ния сырья называется легким крекингом или висбрекингом. — Прим. ред.

Висбрекинг — это термический крекинг для бедных.

Установка висбрекинга использует тяжелый остаток от процесса вакуумной перегонки, часть которого подвер X. УМЕНЬШЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ОСТАТКА гается в ней термическому крекингу. Продукт можно сно ва разделить на фракции, что приводит к уменьшению объема остатка. После этого к остатку добавляют для раз бавления некий дистиллятный нефтепродукт (разбави тель), тогда остаток (пек) висбрекинга становится при годным к применению в качестве остаточного (котельно го) топлива. Количество дистиллята, добавляемого для разбавления, меньше, чем количество продуктов кре кинга, выходящих с установки — таким образом, в це лом, объем остаточного топлива снижается.

В качестве разбавителя можно брать тяжелый крекинг газойль, рециркулирующий газойль или погон, получен ный при разделении продуктов на этой же установке.

Висбрекинг напоминает термический крекинг, но от личается от последнего по интенсивности. Оборудование в этом случае проще, и весь процесс дешевле. С другой стороны, только 20—30% тяжелого остатка вакуумной перегонки подвергается трансформации.

Замечание. В нефтепереработке многих стран значитель ные количества тяжелого прямогонного газойля попада ют в кубовый остаток. В США он был бы отделен как головной погон вакуумной перегонки и заменен сверхтя желым крекинг-газойлем в качестве разбавителя.

Учитывая возможные источники остаточного топли ва, уменьшение количества остатка может сводиться к вакуумной перегонке в сочетании с каталитическим кре кингом, а не к термическому крекингу в сочетании с коксованием. Однако это будет именно уменьшение ко личества остатка, но не деструкция пека.

УПРАЖНЕНИЯ 1. Заполните пропуски:

а. Основное различие между термическим и каталитичес ким крекингом — то, что в первом случае для ускоре ния процесса не используется.

б. Основное различие между термическим крекингом и коксованием — это производство и 106 Переработка нефти в. Чтобы предотвратить коксование в реакторе термичес кого крекинга, сырье.

г. Чтобы ускорить коксование в коксовом барабане, сы рье.

д. Качество бензина, нафты и газойля с установок терми ческого крекинга и коксования.

е. На нефтеперерабатывающем заводе производится два типа кокса: и.

ж. Фракцию С^~ направляют на установку фракциониро вания газа, так как она содержит з. Три главных части установок термического крекинга и коксования — это, и, который в случае коксования называется 2. Управляющий нефтеперерабатывающего завода из вто рой и третьей главы должен сообщить менеджеру по продаже, сколько кокса поступит на рынок. Весь ку бовый остаток с установки вакуумной перегонки на правляется на установку коксования. Для расчета ис пользуйте выходы продуктов, приведенные в этой гла ве, и ответы на задачу 2 в третьей главе. Считайте, что относительная плотность остатка из вакуум-испарите ля составляет 10°АР1 или 350 фунт./бар. (Не забудьте, что выход кокса приведен в весовых процентах, а еди ницей измерения количества кокса при продаже явля ется короткая тонна, содержащая 2000 фунтов.) 3. Добавьте установку термического крекинга, включая потоки соответствующих веществ, в общую техноло гическую схему нефтеперерабатывающего завода.

XI ГИДРОКРЕКИНГ.. Скорее связь вещей порвется В Шекспир «Макбет» Гидрокрекинг — процесс более позднего поколения, чем каталитический крекинг и каталитический рифор минг, поэтому он более эффективно осуществляет те же задачи, что и эти два процесса. Гидрокрекинг позволяет увеличить выход компонентов бензина, обычно за счет превращения сырья типа газойля. Качество компонентов бензина, которое при этом достигается, недостижимо при повторном прохождении газойля через процесс кре кинга, в котором он был получен. Гидрокрекинг также позволяет превращать тяжелый газойль в легкие дистил ляты (реактивное и дизельное топливо). И, вероятно, самое важное — то, что при гидрокрекинге не образует ся никакого тяжелого неперегоняющегося остатка (кок са, пека или кубового остатка), а только легко кипящие фракции.

Технологический процесс Слово гидрокрекинг расшифровывается очень просто.

Это каталитический крекинг в присутствии водорода. Со четание водорода, катализатора и соответствующего ре жима процесса позволяют провести крекинг низкокаче ственного легкого газойля, который образуется на других крекинг-установках и иногда используется как компо нент дизельного топлива. Установка гидрокрекинга про изводит высококачественный бензин.

Задумайтесь на минуту, насколько полезным может оказаться процесс гидрокрекинга. Его самое важное пре имущество — это способность переключать мощности 108 Переработка нефти нефтеперерабатывающего завода с выпуска больших ко личеств бензина (когда установка гидрокрекинга работа ет) на выпуск больших количеств дизельного топлива (когда она отключена).

К гидрокрекингу во многом применима известная шутка спортивного тренера, пренебрежительно заявляю щего по поводу перехода его игрока в команду соперни ков: «полагаю, это усилит обе команды». Гидрокрекинг повышает качество как компонентов бензина, так и дис тиллята. Он потребляет худшие из компонентов дистил лята и выдает компонент бензина выше среднего каче ства.

Следует отметить еще один момент: в процессе гидро крекинга образуются значительные количества изобута на, что оказывается полезным для управления количе ством сырья в процессе алкилирования.

В настоящее время широко используется около десяти различных типов гидрокрекинг-установок, но все они очень похожи на типичную конструкцию, описанную в следующем разделе.

Оборудование и химические реакции Катализаторы гидрокрекинга, к счастью, менее цен ны и дороги, чем катализаторы риформинга. Обычно это соединения серы с кобальтом, молибденом или никелем (CoS, MoS 2, NiS) и оксид алюминия. (Наверное, Вас давно интересовало, для чего вообще нужны эти метал лы.) В отличие от каталитического крекинга, но так же как при каталитическом риформинге, катализатор рас полагается в виде неподвижного слоя. Как и каталитичес кий риформинг, гидрокрекинг чаще всего проводят в двух реакторах, как показано на рисунке 11.1.

Сырье смешивается с водородом, нагретым до 290— 400°С (550—750°F) и находящимся под давлением 1200— 2000 psi (84—140 атм), и направляют в первый реактор. Во время прохождения сквозь слой катализатора примерно 40—50% сырья подвергается крекингу с образованием XI. ГИДРОКРЕКИНГ продуктов, соответствующих по температурам кипения бензину (точка выкипания до 200°С (400°F)).

Катализатор и водород дополняют друг друга в не скольких аспектах. Во-первых, на катализаторе идет кре кинг. Чтобы крекинг продолжался, требуется подвод теп ла, то есть это — эндотермический процесс. В то же время, водород реагирует с молекулами, которые образуются при крекинге, насыщая их, и при этом выделяется теп ло. Другими словами, эта реакция, которая называется гидрирование, является экзотермической. Таким образом, 110 Переработка нефти водород дает тепло, необходимое для протекания кре кинга.

Другой аспект, в котором они дополняют друг друга, — это образование изопарафинов. При крекинге получаются олефины, которые могут соединяться друг с другом, при водя к нормальным парафинам. За счет гидрирования двой ные связи быстро насыщаются, при этом часто возникают изопарафины, и таким образом предотвращается повтор ное получение нежелательных молекул (октановые числа изопарафинов выше, чем в случае нормальных парафинов).

Когда углеводородная смесь выходит из первого реак тора, ее охлаждают, сжижают и пропускают через сепа ратор для отделения водорода. Водород снова смешивают с сырьем и направляют в процесс, а жидкость подают на перегонку. Продукты, полученные в первом реакторе, разделяются в ректификационной колонне, и в зависи мости от того, что требуется в результате (компоненты бензина, реактивное топливо или газойль), отделяется их часть. Керосиновую фракцию можно выделить как бо ковой погон или оставить вместе с газойлем в качестве остатка от перегонки.

Остаток от перегонки снова смешивают с током водо рода и запускают во второй реактор. Так как это веще ство уже подвергалось гидрированию, крекингу и ри формингу в первом реакторе, процесс во втором реакто ре идет в более жестком режиме (более высокие темпе ратуры и давления). Как и продукты первой стадии, смесь, выходящая из второго реактора, отделяется от водорода и направляется на фракционирование.

Представьте себе, какое оборудование потребуется для процесса, проходящего при 2000 psi (140 атм) и 400°С (750°F). Толщина стенок стального реактора иногда до стигает 15 см. Основная проблема — это не дать крекингу выйти из-под контроля. Поскольку суммарный процесс эндотермичен, то возможен быстрый подъем температу ры и опасное увеличение скорости крекинга. Чтобы избе жать этого, большинство установок гидрокрекинга со держат встроенные приспособления, позволяющие быст ро остановить реакцию.

XI. ГИДРОКРЕКИНГ Продукты и выходы. Еще одним замечательным свой ством процесса гидрокрекинга является увеличение объе ма продуктов на 25%. Сочетание крекинга и гидрирова ния дает продукты, относительная плотность которых значительно ниже, чем плотность сырья. Ниже приведе но типичное распределение выходов продуктов гидро крекинга при использовании в качестве сырья газойля с установки коксования и светлых фракций с установки каталитического крекинга. Продукты гидрокрекинга — это две основные фракции, которые используются как ком поненты бензина.

В таблице не указано требуемое количество водоро да, которое измеряется в стандартных кубических фу тах на баррель сырья. Обычный расход составляет 2500 ст. фут /баррель. Тяжелый продукт гидрокрекинга — это лигроин (нафта), содержащий много предшественни ков ароматики (то есть соединений, которые легко пре вращаются в ароматику). Этот продукт часто направляют на установку риформинга для облагораживания. Кероси новые фракции являются хорошим реактивным топливом или сырьем для дистиллятного (дизельного) топлива, по скольку они содержат мало ароматики (в результате насы щения двойных связей водородом). Более подробная ин формация на эту тему содержится в главе XIII «Дистил 112 Переработка нефти лятные топлива» и в главе XIV «Нефтяной битум и оста точное топливо».

Гидрокрекинг остатка. Существует несколько моделей установок гидрокрекинга, которые были сконструирова ны специально для переработки прямогонного остатка или остатка от вакуумной перегонки. Большинство из них работает по типу установок гидроочистки, как опи сано в главе XV. На выходе получается более 90% оста точного (котельного) топлива. Задачей данного процесса является удаление серы в результате каталитической ре акции серосодержащих соединений с водородом с обра зованием сероводорода (H 2 S). Таким образом остаток с содержанием серы не более 4% может быть превращен в тяжелое жидкое топливо, содержащее менее 0,3% серы.

Резюме. Теперь, когда мы можем включить установку гидрокрекинга в общую схему переработки нефти, необ ходимость согласованных операций становится очевид ной. С одной стороны, установка гидрокрекинга является центральным пунктом, так как она помогает установить баланс между количеством бензина, дизельного топлива и реактивного топлива. С другой стороны, скорости пода чи сырья и режимы работы установок каталитического крекинга и коксования не менее важны. Кроме того, ал килирование и риформинг также следует учитывать при планировании распределения продуктов гидрокрекинга.

УПРАЖНЕНИЯ 1. Проанализируйте различия между гидрокрекингом, каталитическим и термическим крекингом с точки зрения сырья, движущей силы процесса и группового состава продуктов.

2. Как взаимодополняют друг друга гидрокрекинг и ка талитический крекинг? Риформинг и гидрокрекинг?

3. Изобразите технологическую схему нефтеперерабаты вающего завода, включив туда установку гидрокре кинга.

XII КОМПАУНДИРОВАНИЕ БЕНЗИНА Все хорошие вещи в жизни приходят не поодиночке, а вместе с другими вещами Чарльз Лэмб Бензин — наиболее широко известная смесь углеводо родов, но тем не менее, о его свойствах знают удиви тельно мало. Это невежество объясняется, по-видимому, тем, что давление со стороны конкурентов заставляет производителей выпускать вполне пригодный для исполь зования продукт. А если продукт вполне пригоден, поку патели перестают интересоваться (или изначально не ин тересуются) причинами его пригодности.

В этой главе мы рассмотрим несколько аспектов.

1. Две наиболее важные переменные, имеющие значе ние при компаундировании бензина: давление насы щенного пара и октановое число.

2. Влияние добавок тетраэтилсвинца на бензин.

3. Методика смешивания бензина.

4 Влияние потребностей в компаундированном бензине на процессы нефтепереработки.

Есть небольшая вероятность, что эта глава с самого начала окажется непонятной, если Вы не имеете пред ставления о том, как работает автомобильный двигатель.

Поэтому для начала будет представлена пара страниц и иллюстраций на эту тему.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Принципиаль ными частями бензинового двигателя, по крайней мере, Принципиальными для этой книги, являются бензобак, бензонасос, карбюратор, цилиндр, поршень и свеча за жигания. Двигатели без последней части из списка (свечи зажигания) будут обсуждаться в следующей главе, и на зываются они дизельными.

114 Переработка нефти Процесс в ДВС начинается с того, что Вы заполняете бензобак на бензоколонке. Затем Вы заводите мотор, и бензонасос высасывает топливо из бака и отправляет его в карбюратор. Карбюратор испаряет бензин, смешивает его с воздухом и отправляет в цилиндр. Дальше происхо дит последовательность событий, изображенная на ри сунке 12.1.

Смесь бензина с воздухом засасывается в цилиндр, когда поршень движется вниз, и объем цилиндра возрас тает до максимального. Впускной клапан закрывается, и XII. КОМПАУНДИРОВАНИЕ БЕНЗИНА затем поршень движется вверх по цилиндру и сжимает топливо. Когда поршень достигает верхней точки своего хода, свеча зажигания дает мощную искру и воспламеня ет бензин. Бензин моментально сгорает, что приводит к сильному расширению газов и давлению на поршень.

Поэтому затем поршень вынужденно перемещается вниз по цилиндру, и энергия передается на коленчатый вал — это называется рабочий ход поршня. В нижней точке рабо чего хода выпускной клапан, находящийся в верху ци линдра, открывается, и во время движения поршня вверх сгоревшее топливо выбрасывается. В верхней точке хода впускной клапан снова открывается, и весь процесс по вторяется. Обратите внимание на то, что в течение каж дого цикла поршень по два раза перемещается вверх и вниз по цилиндру.

Давление насыщенных паров Одной из принципиальных стадий цикла работы ДВС является воспламенение бензина. Когда двигатель разо грет, с этим нет проблем: тепло обеспечивает поступле ние 100% бензина в цилиндр в виде паров. Но когда двигатель только начинает работать на холоде, ситуация усложняется.

При запуске холодного двигателя фокус в том, чтобы бензин содержал достаточно летучих углеводородов для образования воспламеняющейся паровоздушной смеси.

Мерой летучести является давление насыщенных паров, конкретнее, давление паров по Рейду (ДПР) — характе ристика, названная по имени человека, который разра ботал прибор для ее измерения.

Определение. Давление насыщенного пара — это мера поверхностного давления, которое необходимо, чтобы жидкость не испарялась. Для легкокипящего углеводоро да типа пропана давление паров очень высоко, так как этот углеводород очень летуч. Более высококипящий уг леводород, такой как газойль, характеризуется почти ну левым давлением насыщенных паров, так как при ком 116 Переработка нефти натной температуре он испаряется крайне медленно. Если Вы на минуту задумаетесь, Вам станет ясно, что давле ние паров зависит от температуры. ДПР измеряют при 15°С (60°F).

Режим работы двигателя. Довольно определений — вернемся к проблеме карбюратора. Для ДПР бензина не обходимо выполнение двух крайних условий. При холод ном запуске должно испаряться достаточное количество бензина (что-нибудь около 10%), чтобы образовалась вос пламеняемая смесь. Если воспламенение произошло, то оставшаяся часть бензина — та, что не испарилась — тоже наверняка сгорит. Другое крайнее условие относит ся к режиму, когда работает полностью разогретый дви гатель, или к еще более крайнему режиму, когда горя чий двигатель нужно повторно запустить. В этом случае пары бензина не должны расширяться слишком сильно, иначе на пути в цилиндр бензин невозможно будет сме шать с воздухом. Короче говоря, смесь и в этом случае должна быть воспламеняемой.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.