Технологии разделения предельных и непредельных углеводородов на НПЗ и НХЗ: процессы, схемы и методы

Предельные углеводороды (алканы) в основном поступают из природных источников: природного и нефтяного газа, а также газов, образующихся при первичной переработке нефти и газовых конденсатов на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ). В отличие от них, непредельные углеводороды (алкены, алкины) в значительных количествах образуются в результате химических процессов, таких как термический и каталитический крекинг на НПЗ или пиролиз на нефтехимических заводах (НХЗ). Эти процессы, основанные на расщеплении молекул при высокой температуре, часто дают смеси, содержащие как предельные, так и непредельные соединения, которые необходимо разделять для дальнейшего использования.

Разделение на НПЗ: установки газоразделения

Процессы разделения углеводородных газов на НПЗ во многом схожи с методами, применяемыми на газоперерабатывающих заводах (ГПЗ). Для этого используются установки абсорбционно-газофракционирующие (АГФУ). Типичная установка включает фракционирующий абсорбер, пропановую и бутановую ректификационные колонны, а также стабилизатор. В результате работы установки получают несколько целевых продуктов:

• С низа стабилизатора отбирают стабильный (тяжелый) бензин.
• С верха бутановой колонны получают бутан-бутиленовую фракцию (ББФ).
• С верха пропановой колонны отводят пропан-пропиленовую фракцию (ППФ).

Колонны обычно работают под давлением 0.7–1.8 МПа, содержат 60–80 контактных тарелок и оснащены блоками очистки газа от сероводорода (например, моноэтаноламиновой очистки) и компримирования.

Разделение на НХЗ: особенности переработки газов пиролиза

Разделение газов пиролиза на НХЗ — более сложная задача, поскольку эти газы содержат значительные количества водорода, метана и этана. Для эффективного выделения целевых олефинов (этилена, пропилена) применяются два основных типа низкотемпературных процессов:

1. Абсорбционно-ректификационный процесс (АРП). Осуществляется при давлении 3.5–4.3 МПа и температуре до -30...-40 °C с использованием пропанового или аммиачного холодильного цикла.
2. Конденсационно-ректификационный процесс (КРП). Требует глубокого охлаждения до -100 °C и ниже с применением каскадных холодильных циклов (пропанового и этанового). Этот процесс энергозатратен (до 38% энергопотребления установки), но позволяет получать продукты высокой чистоты.

Ключевым этапом в обоих процессах является деметанизация — удаление водорода и метана. Для повышения эффективности деметанизации используются сложные инженерные решения: многопоточный ввод сырья, промежуточный теплосъем, разрезные колонны и работа при разных давлениях.

Сложные методы разделения: азеотропная и экстрактивная ректификация

Когда компоненты смеси имеют близкие температуры кипения или образуют азеотропы (смеси с постоянной температурой кипения), обычная ректификация становится неэффективной. В таких случаях применяют специальные методы:

• Азеотропная ректификация. В сырье добавляют разделяющий агент, который образует новый азеотроп с одним из компонентов. Этот азеотроп, как более летучий, отводится с верха колонны. Классический пример — обезвоживание этанола с помощью бензола.
• Экстрактивная ректификация. Используется менее летучий разделяющий агент (растворитель), который подается в верхнюю часть колонны. Он селективно растворяет целевые компоненты, которые затем отводятся с низом колонны. Этот метод широко применяется для выделения ароматических углеводородов или бутадиена.

Оба метода редко используются изолированно и обычно являются частью сложной разделительной системы, включающей и обычную ректификацию для предварительного и финишного разделения.

Другие методы разделения

Помимо ректификации, в нефтехимии находят применение и другие физико-химические методы:

• Жидкостная экстракция. Основана на разной растворимости компонентов смеси в двух несмешивающихся жидкостях. Применяется для разделения близкокипящих или термически нестойких соединений. Для экстракции ароматических углеводородов используют, например, сульфолан или N-метилпирролидон.
• Хемоэкстракция. Разновидность экстракции, где экстрагент образует с целевым компонентом обратимое химическое соединение.
• Солевая ректификация. Добавление в смесь солей (например, хлорида кальция) может изменить относительную летучесть компонентов и разрушить азеотроп, что упрощает разделение. Метод применяется для концентрирования спиртов и кислот.

Современные тенденции в области разделения смесей направлены на поиск высокоэффективных, селективных и экологически безопасных разделяющих агентов, а также на комбинирование различных методов для достижения максимальной чистоты продуктов при минимальных энергозатратах.