Введение в первичную переработку нефти
Первичная переработка нефти представляет собой комплекс технологических операций, направленных на разделение сырой нефти и мазута на отдельные компоненты. Этот процесс включает два ключевых этапа: атмосферную ректификацию нефти и вакуумную ректификацию мазута. Ректификация как метод позволяет эффективно разделять сложные многокомпонентные смеси на целевые фракции или продукты. Нефть и её производные являются чрезвычайно сложными смесями, содержащими огромное количество индивидуальных компонентов. Их идентификация ограничивается не природой смесей, а текущими научно-техническими возможностями и практической целесообразностью. Для расчётов процесса ректификации на ЭВМ сложную смесь обычно представляют в виде многокомпонентной с определённым количеством условных компонентов; чем больше это число, тем выше потенциальная точность расчётов.
Дистилляция и ректификация: терминология и сущность процессов
Методы непрерывного физического разделения смесей, такие как дистилляция и ректификация, нашли широкое применение в химической промышленности. Русский термин «перегонка» соответствует английскому «дистилляция» (Distillation). Однако иногда термин «дистилляция» используется как синоним «ректификации» (Rectification), что может вносить путаницу в понимании сути процессов. Целесообразно использовать термин «дистилляция» исключительно как синоним перегонки, поскольку ректификация является более сложным и принципиально иным массообменным процессом разделения смесей по сравнению с дистилляцией.
Сущность процесса перегонки (дистилляции)
Перегонка (дистилляция) — это процесс испарения жидкой сырьевой смеси или конденсации паровой (газовой) смеси компонентов с разными температурами кипения (летучестью). Целью является получение одного продукта, более лёгкого, и другого, более тяжёлого, чем исходное сырьё. Процесс осуществляется путём нагревания (или снижения давления) жидкого сырья либо охлаждения (или повышения давления) парового сырья. В результате происходит односторонний массоперенос с образованием новой фазы: паровой — при однократном испарении (ОИ) жидкости, или жидкой — при однократной конденсации (ОК) пара. Все компоненты сырья присутствуют в обеих образовавшихся фазах, но новая жидкая фаза всегда тяжелее, а новая паровая — всегда легче исходного сырья. Это создаёт простую физическую возможность эффективного разделения фаз за счёт разницы их плотностей.
Способы осуществления перегонки
Существует три основных способа реализации перегонки:
1. Однократная (частичная) перегонка (ОП): представляет собой ОИ жидкости или ОК пара. Образовавшиеся жидкая и паровая фазы находятся в контакте до наступления равновесия между ними.
2. Многократная перегонка (МП): процессы ОП повторяются многократно (конечное число раз). Новая фаза удаляется после каждого акта равновесного контакта, а дальнейшей перегонке подвергается оставшаяся фаза.
3. Постепенная перегонка (ПП): предполагает немедленное или непрерывное удаление образовавшейся новой фазы в момент её образования.
В промышленности наиболее широко применяются процессы ОП, реже — МП (например, для сепарации нефти от газа на месторождениях). Процессы ПП обычно используются в лабораторной практике.
Примеры процессов однократного испарения и конденсации
Процессы ОП начинаются при любом изменении условий фазового равновесия, вызванном изменением давления и температуры. Например:
* При снижении давления пластовой нефти в скважине происходит её ОИ с образованием попутного нефтяного газа, который затем отделяется в сепараторе (часто используется процесс многократного испарения).
* При снижении давления пластового газа может происходить ретроградная конденсация с выделением газового конденсата.
* При нагреве нефти в теплообменниках или печи осуществляется её ОИ с последующим разделением фаз в колонне.
Сущность процесса ректификации
Основной недостаток процессов ОП — невозможность разделить смесь на чистые компоненты. Процессы МП позволяют выделить практически чистые компоненты, но в небольшом количестве. Для получения продуктов заданного качества в промышленных масштабах применяется процесс ректификации. При ректификации многократно повторяются процессы ОИ и ОК, но особым образом, что делает её качественно иным массообменным процессом.
Особенности осуществления ректификации
Главная особенность ректификации заключается в том, что на каждой контактной тарелке ректификационной колонны одновременно протекает двусторонний массоперенос: ОИ стекающей сверху вниз жидкости и ОК поднимающегося снизу вверх пара. Тепло конденсации пара используется для испарения жидкости. В результате пар обогащается более лёгкими компонентами, а жидкость — более тяжёлыми. Процесс осуществляется в вертикальных колоннах с контактными устройствами (тарелками), обеспечивающими противоток фаз, их контактирование и сепарацию.
Ректификация бинарных и многокомпонентных смесей
При ректификации бинарных смесей поднимающийся пар концентрирует низкокипящий компонент (НКК), а стекающая жидкость — высококипящий компонент (ВКК). При достаточном числе тарелок можно получить продукты высокой степени чистоты (до 99,99% и более).
При ректификации многокомпонентных смесей все компоненты в принципе присутствуют в обоих продуктах. Однако, выбирая границу разделения между парой ключевых компонентов, можно направить более лёгкие компоненты в верхний продукт, а более тяжёлые — в нижний.
Устройство ректификационной колонны
Простая полная ректификационная колонна состоит из пяти секций:
1. Питательная секция (ПС): сюда вводится исходное сырьё (чаще в парожидком состоянии).
2. Укрепляющая секция (УС): расположена выше ПС, обогащает поднимающийся пар лёгкими компонентами.
3. Конденсационная секция (КС): конденсатор, где образуется жидкое орошение, возвращаемое на верх УС.
4. Отпарная секция (ОС): расположена ниже ПС, удаляет лёгкие компоненты из жидкости.
5. Испарительная секция (ИС): испаритель, где образуется паровое орошение, возвращаемое под низ ОС.
Полная колонна делит сырьё на два продукта: верхний (дистиллят) и нижний (остаток). Существуют также неполные (только укрепляющие или только отпарные) и сложные колонны с несколькими вводами сырья и отборами продуктов, которые часто применяются для атмосферной и вакуумной ректификации.
Образование орошения в колонне
Для нормальной работы колонны необходимо создание жидкого и парового орошения.
* Жидкое орошение образуется в КС за счёт конденсации пара. Может быть полным или частичным. В сложных колоннах также используют промежуточное циркуляционное орошение (ПЦО) для создания более равномерного потока флегмы и уменьшения диаметра колонны.
* Паровое орошение создаётся в ИС за счёт частичного испарения жидкости с помощью испарителей или трубчатых печей.
Иногда в низ ОС подают перегретый водяной пар (испаряющий агент) для снижения парциального давления углеводородов и их температуры кипения, что особенно важно при переработке термически нестойких веществ. Однако это увеличивает диаметр колонны и может снизить чёткость разделения.
Атмосферная ректификация нефти
Атмосферная ректификация предназначена для разделения обезвоженной и обессоленной нефти на фракции: газ, лёгкий и тяжёлый бензин, керосин, дизельную фракцию и мазут (атмосферный остаток). Процесс может осуществляться в одной сложной колонне при давлении 0.11-0.15 МПа в верхней части. Подогретая в теплообменниках и трубчатой печи до 330-350°C нефть разделяется в колонне. Для снижения температуры кипения тяжёлых фракций и предотвращения их разложения в низ колонны подаётся перегретый водяной пар. Существуют как одноколонные, так и двухколонные схемы (последние часто включают предварительную отбензинивающую колонну).
Вакуумная ректификация мазута
Вакуумная ректификация применяется для разделения тяжёлых углеводородов мазута, которые разлагаются при высоких температурах атмосферной перегонки. В зависимости от профиля НПЗ, мазут разделяют на вакуумный газойль (сырьё для крекинга) и гудрон или на несколько узких масляных дистиллятов и гудрон. Процесс проводится в вакуумной колонне при остаточном давлении 4-9 кПа. Мазут нагревается в печи до 400-425°C, и в колонну также подаётся водяной пар. Для создания глубокого вакуума используется многоступенчатая конденсационно-вакуумная система (КВС).
Современные тенденции и проблемы
Ключевыми проблемами являются углубление переработки (отбор фракций до 560-580°C) и повышение чёткости разделения. Традиционное использование водяного пара имеет недостатки: увеличивает размеры колонны и нагрузку на КВС. Современные тенденции включают переход к «сухой» вакуумной ректификации (без пара), применение колонн меньшего диаметра (6-8 м) и использование эффективных регулярных насадок (например, «Зульцер», «Гудлоу») вместо тарелок, что значительно снижает гидравлическое сопротивление. Ведущие мировые фирмы-разработчики установок — «АВВ Lummus», «Foster Wheeler», «Shell» и другие.