НЕФТЕПЕРЕРАБО́ТКА
-
Рубрика: Химия
-
Скопировать библиографическую ссылку:
НЕФТЕПЕРЕРАБО́ТКА, отрасль промышленности, основанная на комплексной переработке нефти и газового конденсата в ценные продукты народного хозяйства: моторные топлива (бензин, керосин, дизельное и реактивное топливо), масла и смазки, котельное и печное топливо (мазут), сырьё для нефтехимии, электродный кокс, строит. материалы (битумы, гудрон, асфальт). В обеспечении обороноспособности страны и освоении космоса также занимают важное место ракетные топлива, спец. смазочные масла и др. продукты переработки нефти.
Н. начинается непосредственно на местах добычи нефти, проходит (осн. часть) на нефтеперерабатывающих и нефтехимич. заводах (НПЗ) и заканчивается на предприятиях, поставляющих готовую продукцию. Подготовка нефти к переработке на нефтепромыслах, а затем непосредственно на НПЗ заключается в обезвоживании, обессоливании, удалении механич. примесей и стабилизации (извлечении газа: пропан-бутановой, а иногда частично и пентановой углеводородных фракций). Сырая нефть содержит соли, вызывающие коррозию технологич. оборудования. Для их удаления нефть смешивается с водой, в которой соли растворяются, и поступает на электрообессоливающую установку, где под воздействием тока высокого напряжения (25 кВ и более) эмульсия воды и нефти разрушается, вода собирается в нижней части аппарата и откачивается. Дальнейший процесс Н. включает три осн. этапа: разделение нефтяного сырья на фракции, различающиеся по интервалам температур кипения, с помощью атмосферной и вакуумной перегонки – первичная переработка (см. Дистилляция нефти); переработка полученных фракций путём химич. превращений содержащихся в них углеводородов и выработка компонентов товарных нефтепродуктов – вторичная переработка; смешение компонентов с вовлечением разл. присадок и получением товарных нефтепродуктов с заданными показателями качества – товарное произ-во.
По назначению НПЗ делятся на предприятия топливного и топливно-масляного профилей, а также топливного и топливно-масляного профиля с выпуском нефтехимич. продукции. Одна из наиболее важных характеристик НПЗ – глубина переработки нефти – оценивается по выходу (в расчёте на нефть, % по массе) ценных нефтепродуктов за вычетом расхода топлива для произ-ва тепла и электроэнергии. Во многих странах, в т. ч. в России, глубину переработки нефти выражают формулой: Г = {[ Н - (М + П + СГ)] /Н} ·100%, где Г – глубина переработки нефти (%), Н – количество переработанной нефти, М – количество валового топочного мазута (котельного топлива), П – количество безвозвратных потерь, СГ – количество сухого газа, использованного как топливо. В России (здесь и далее данные приведены на 2010) глубина переработки нефти составляет чуть более 72%; для развитых стран достигает 85–90%.
Для определения технич. уровня нефтеперерабатывающих и нефтехимич. комплексов разработана спец. система оценки – индекс комплексности Нельсона. При такой оценке принимаются во внимание мощность по переработке нефти, симбиоз нефтехимич. и нефтеперерабатывающей отраслей, применяемые вторичные процессы, для которых введено до 50 разл. индексов. Самый высокий индекс Нельсона достигнут в США – 9,5, среднемировой – 5,9, рос. показатели – 4,3.
Вопросы экологич. безопасности и уменьшения отрицательного влияния на окружающую среду также являются одной из актуальнейших проблем Н. В связи с этим весьма остро стоят задачи обеспечения предприятий средствами контроля, качественными очистными сооружениями, а также экологически безопасными, малоотходными и замкнутыми технологиями, обеспечивающими рациональное произ-во и использование топливно-энергетич. ресурсов.
Первое место в мире по мощности установок Н. занимают США; крупными мировыми центрами Н. являются также страны Зап. Европы и Япония. Быстрыми темпами развивается Н. в Китае, Индии, Сауд. Аравии, Мексике, Иране. Проблема углубления Н. в России и ведущих нефтеперерабатывающих странах решается в условиях сокращения использования высококачественных малосернистых нефтей при одновременном ужесточении экологич. требований к качеству нефтепродуктов. Осн. показатели поэтапного стратегич. развития нефтяного комплекса России на период до 2030 представлены в таблице.
Для увеличения выхода светлых нефтепродуктов (фракций, выкипающих до 350 °C: бензинов, керосинов, газотурбинных, дизельных и реактивных топлив) и улучшения качества фракций и продуктов, полученных при перегонке, широко используется вторичная Н. Последняя включает: процессы деструктивной переработки тяжёлого и остаточного сырья (каталитич. крекинг, гидрокрекинг, висбрекинг, коксование, деасфальтизация, деметаллизация); процессы, обеспечивающие повышение качества топлив и масел (каталитич. риформинг, алкилирование изобутана олефинами, изомеризация парафинов, гидроочистка и др.); процессы переработки нефтяных газов (ароматизация, олигомеризация и др.); процессы произ-ва масел, парафинов, присадок, битумов и др. спец. типов нефтепродуктов, а также нефтехимич. и химич. сырья (пиролиз, газификация нефтяных остатков, гидродеалкилирование нефтяных фракций, депарафинизация). Ниже дана характеристика осн. процессов переработки нефти.
Перспективы развития нефтяного комплекса России | ||||
Показатель | 2008 | 1-й этап | 2-й этап | 3-й этап |
Глубина переработки нефти (%) | 72 | 79 | 82-83 | 89-90 |
Выход светлых нефтепродуктов (%) | 57 | 64 | 67-68 | 72-73 |
Индекс комплексности Нельсона (ед.) | 4,3 | 6 | 6,5 | 8,5 |
Душевое потребление нефтепродуктов (т/чел.) | 0,5 | 1 | 1,1-1,3 | 1,3-1,6 |
Атмосферная перегонка
Назначение – отбор светлых нефтяных фракций: бензиновой, керосиновой и дизельных. Перегонка осуществляется на установках АТ (атмосферных трубчатых). Выход составляет 45–60%. Остаток атмосферной перегонки – мазут. Процесс заключается в разделении нагретой в печи нефти на отд. фракции в ректификационной колонне – цилиндрич. вертикальном аппарате, снабжённом контактными устройствами (тарелками), через которые пары́ движутся вверх, а жидкость – вниз; количество тарелок 20–40. В нижнюю часть колонны подводится тепло, с верхней части тепло отводится, поэтому темп-ра в нижней части аппарата выше. Бензиновая фракция в виде паров отводится сверху колонны и конденсируется в холодильнике, пары́ керосиновой и дизельных фракций выводятся по высоте колонны, мазут в жидком состоянии откачивается с нижней части колонны.
Вакуумная перегонка
Назначение – получение широкой фракции (350–550 °C и выше): сырья для каталитич. процессов (НПЗ топливного профиля) и дистиллятов для произ-ва масел и парафинов (НПЗ топливно-масляного профиля). Перегонка осуществляется на установках ВТ (вакуумных трубчатых). Остатком вакуумной перегонки является гудрон. Необходимость вакуума обусловлена тем, что при темп-ре выше 380 °C начинается термич. разложение углеводородов. Поэтому перегонку ведут при остаточном давлении 2,5–4,0 кПа, темп-ра в колонне при этих условиях не превышает 380 °C. Др. характеристики работы вакуумной колонны такие же, как и колонны атмосферной перегонки.
Каталитический риформинг (платформинг)
Назначение – превращение низкооктановых бензиновых фракций атмосферной перегонки в высокооктановый (октановое число до 92–100) бензин или индивидуальные ароматич. углеводороды. Процесс ведётся в присутствии водорода на высокоселективном катализаторе состава $\ce{Al – Pt – Re}$. Выход высокооктанового компонента бензина достигает 90–95% от массы переработанного сырья. В качестве побочного продукта образуется водород, который используется на др. установках НПЗ. Мощность установок риформинга – от 300 до 1000 тыс. т и более сырья в год. Оптимальным сырьём для получения высокооктанового бензина является бензиновая фракция с интервалами кипения 85–180 °C. Каталитич. риформинг узких бензиновых фракций позволяет получать индивидуальные ароматич. углеводороды (бензол, толуол) и сольвенты (смеси ксилолов). Сырьё перед использованием подвергается предварит. гидроочистке для удаления сернистых и азотистых соединений, даже в незначит. количествах необратимо отравляющих катализатор. Установки платформинга могут быть с периодич. и непрерывной регенерацией катализатора. В России в осн. применяются отеч. установки с периодич. регенерацией, созданные ООО «Ленгипронефтехим», но в 2000-х гг. в городах Кстово и Ярославль введены технологически более эффективные установки зарубежных фирм с непрерывной регенерацией катализаторов. Процесс осуществляется при темп-ре 490–540 °C и давлении 2,0–5,0 МПа (0,5–1,2 МПа на установках с непрерывной регенерацией). Осн. реакции платформинга сильно эндотермические, поэтому процесс ведётся последовательно в каскаде из 3–4 отд. реакторов с возрастающим объёмом загрузки катализатора, перед вводом в каждый из реакторов продукты нагреваются в трубчатых печах. На установках с непрерывной регенерацией катализатор последовательно движется по реакторам, расположенным друг над другом, затем подаётся в регенератор, после чего возвращается в процесс.
Гидроочистка дистиллятов
Назначение – очистка бензиновых, керосиновых и дизельных фракций, а также вакуумного газойля от сернистых и азотсодержащих соединений. Роль процесса возрастает на совр. этапе в связи с ужесточением требований к содержанию серы в топливах. На установки гидроочистки могут подаваться дистилляты вторичного происхождения с установок крекинга или коксования, в таком случае идёт также гидрирование олефинов. Мощность установок составляет от 600 до 3000 тыс. т в год. Выбор схемы процесса гидроочистки зависит от требуемого уровня качества продукта и от существующих на НПЗ технологич. потоков. Сырьё, смешанное с водородсодержащим газом, нагревается в печи до 280–340 °C и под давлением до 5,0 МПа поступает в реактор. Реакция идёт на катализаторах состава $\ce{Al – Ni – Co – Mo}$, при этом происходит превращение сернистых и азотсодержащих соединений в сероводород и аммиак, а также гидрирование олефинов. В процессе за счёт термич. разложения образуется 1,5–2% низкооктанового бензина, а при гидроочистке вакуумного газойля также 6–8% дизельной фракции. Смесь продуктов отводится из реактора, отделяется в сепараторе высокого давления от водородсодержащего газа, который поступает на циркуляционный компрессор. Далее отделяются углеводородные газы, и продукт поступает в ректификационную колонну, из которой откачивается гидрогенизат – очищенная фракция. Содержание серы в очищенной дизельной фракции может снизиться с 1,0% до 0,005–0,03%. Газы процесса подвергаются очистке с целью извлечения сероводорода, который поступает на произ-во серы или серной кислоты.
Каталитический крекинг
Важнейший процесс Н., существенно влияющий на эффективность НПЗ в целом. Назначение – получение высококачественного компонента автомобильных бензинов с октановым числом по исследовательскому методу 91–93, выход которого составляет от 50 до 55% в зависимости от используемого сырья, применяемой технологии и режима. Дополнит. продуктами процесса являются лёгкий газойль (компонент дизельных, ракетных и печных топлив) и тяжёлый газойль (компонент мазутов, сырьё для произ-ва сажи, высококачественного игольчатого кокса). При каталитич. крекинге также образуется значит. количество газа, богатого пропан-пропиленовой и бутан-бутиленовой фракциями, являющимися сырьём для произ-ва метил-трет-бутилового и диизопропилового эфиров, алкилата, др. ценных высокооктановых компонентов моторного топлива, а также полипропилена. Для увеличения их ресурсов сформировалось новое направление применения каталитич. крекинга – при жёстких режимах и на спец. катализаторах. Процесс осуществляется в реакторно-регенераторном блоке, включающем реактор, в котором протекают реакции крекинга, и регенератор катализатора; для циркуляции катализатора реактор и регенератор связаны трубопроводами (линиями пневмотранспорта). Сырьё (темп-ра окончания кипения 500–580 °C) в смеси с микросферич. катализатором движется по лифт-реактору вверх и подвергается при 500–520 °C крекингу – разложению углеводородов, входящих в его состав, в течение 2–4 с. Продукты крекинга поступают в расположенный сверху лифт-реактора сепаратор, в котором завершаются химич. реакции и происходит отделение катализатора. Катализатор отводится из нижней части сепаратора и самотёком поступает в регенератор, где при темп-ре до 700 °C осуществляется выжиг образующегося в ходе крекинга кокса. После этого восстановленный катализатор возвращается на узел ввода сырья. Давление в реакторно-регенераторном блоке не более 0,5 МПа. Отделённые от катализатора продукты крекинга выводятся из сепаратора, охлаждаются и поступают на ректификацию. Мощность совр. установок в ср. 1,5–2,5 млн. т/год; на заводах ведущих мировых компаний есть установки мощностью 4,0 млн. т/год и более. Наиболее удачная отеч. технология (создана в Грозненском нефтяном НИИ, Всерос. НИИ по переработке нефти, Ин-те нефтехимич. синтеза им. А. В. Топчиева РАН, Ин-те нефтехимич. процессов им. Ю. Г. Мамедалиева Нац. АН Азербайджана) используется на установках Г-43-107 мощностью 2 млн. т/год в Уфе, Омске, Москве, Нижнекамске, а также на заводах Казахстана, Азербайджана, Украины, Литвы и Болгарии.
Гидрокрекинг
Назначение – получение высококачественных керосиновых и дизельных дистиллятов. Гидрокрекингом считается процесс крекинга в присутствии водорода, когда деструкции подвергается более 10% сырья; при деструкции менее 10% сырья процесс называется гидроочисткой, при 10–50%-ной деструкции – лёгким гидрокрекингом, при деструкции более 50% – гидрокрекингом под давлением. В совр. мировой Н. наиболее актуальной и сложной проблемой является гидрокрекинг нефтяных остатков – гудронов и мазутов, содержание которых в нефтях большинства месторождений составляет 20–55%. Наряду с крекингом сырья, в присутствии водорода происходит обессеривание продуктов, насыщение олефинов и ароматич. соединений, что обусловливает высокие эксплуатац. и экологич. характеристики получаемых топлив. Получаемая бензиновая фракция имеет невысокое октановое число. Установки гидрокрекинга обычно строятся большой единичной мощности – 3–4 млн. т перерабатываемого сырья в год. Технологич. схемы принципиально схожи с установками гидроочистки: сырьё, смешанное с водородсодержащим газом, нагревается в печи и поступает в реактор со стационарным слоем катализатора. Жидкие продукты реакции отделяются от газов в сепараторе и поступают на ректификацию. Реакции гидрокрекинга протекают с выделением теплоты, регулирование теплового баланса осуществляется подачей в зону реакции холодного водородсодержащего газа. При лёгком гидрокрекинге для получения малосернистого вакуумного газойля процесс ведётся при давлении до 8,0 МПа и темп-ре ок. 350 °C в одном реакторе. Для макс. выхода светлых продуктов процесс осуществляется в двух реакторах; в этом случае давление поднимают до 20,0 МПа, а при гидрокрекинге мазута и гудрона – выше 30,0 МПа. Темп-ра процесса соответственно варьируется от 380 до 450 °C и выше. В России процесс гидрокрекинга реализован только с нач. 2000-х гг. на НПЗ в Перми, Ярославле, Уфе, ООО ПО «Киришинефтеоргсинтез».
Каталитическая изомеризация
Назначение – повышение октанового числа низкооктановых бензиновых фракций. Сырьём изомеризации являются лёгкие бензиновые фракции с темп-рой окончания кипения 62 °C или 85 °C. Повышение октанового числа достигается за счёт структурной изомеризации н-парафинов в парафины разветвлённого строения. Различают высокотемпературную (360–440 °C), среднетемпературную (230–280 °C) и низкотемпературную (120–260 °C) изомеризацию. Наибольшее распространение получили процессы низкотемпературной и среднетемпературной изомеризации. Все разновидности процесса каталитич. изомеризации осуществляются в одном реакторе при давлении до 3,5 МПа. Как правило, риформинг и изомеризация объединяются в единый комплекс по произ-ву высокооктановых бензинов.
Алкилирование изобутана олефинами
Назначением процесса является получение идеального компонента для приготовления высококачественных бензинов – алкилата (алкилбензина), обладающего высокой стабильностью и детонационной стойкостью, не содержащего ароматич. углеводородов, серы и имеющего низкое содержание олефинов. Ценность алкилата всё более возрастает ввиду ужесточения требований к качеству бензинов. Сырьём процесса алкилирования служат углеводородные газы крекинга, коксования или пиролиза: изобутан (алкилируемый компонент) и олефины – бутены, пропен, этен (алкилирующий агент). В настоящее время в России процесс пром. алкилирования основан на использовании традиц. катализатора процесса – серной кислоты, что сопровождается образованием кислых отходов, утилизация которых вызывает большие сложности. В США алкилирование проводят также и в присутствии фтороводородной кислоты – летучего и высокотоксичного продукта, вызывающего коррозию аппаратуры. В мире суммарная мощность произ-ва алкилата с использованием этих кислот составляет более 85 млн. т/год (в России – до 1,0 млн. т/год), что создаёт чрезвычайные проблемы в области охраны окружающей среды и эксплуатации оборудования. Ведутся активные исследования по созданию гетерогенных катализаторов алкилирования на основе наноструктурированных цеолитов, сверхкислот, нанесённых минер. кислот. Эти катализаторы имеют высокую начальную активность в реакции алкилирования, но быстро дезактивируются продуктами олигомеризации олефинов, поэтому обеспечение стабильности их работы остаётся острой и до конца не решённой проблемой. Разработки последних лет, базирующиеся на использовании высокоэффективных гетерогенных катализаторов, создают предпосылки для экономически выгодного и экологически безопасного процесса произ-ва высококачественного алкилата. Так, в Ин-те нефтехимич. синтеза и Грозненском нефтяном н.-и. ин-те разработана новая конкурентоспособная технология алкилирования на твёрдом катализаторе «АлкиРАН». Гл. отличие предлагаемой технологии от существующих заключается в значит. увеличении стабильности работы катализатора путём оригинальной организации технологич. процесса, названного алкилированием в структурированном режиме. Использование этого способа позволяет при высокой производительности существенно упростить технологию произ-ва. На базе этой технологии на НПЗ нефтяной компании «Роснефть» планируется строительство первой в мире установки алкилирования на гетерогенном катализаторе мощностью 50 тыс. т/год алкилата.
Имеются также опытные разработки зарубежных фирм с использованием гетерогенных катализаторов – процессы «FBA», «Alkylene», «AlkyClean». Предлагаемые технологии, однако, не лишены недостатков, т. к. для поддержания постоянной активности используемых гетерогенных катализаторов вводятся химически агрессивные и экологически небезопасные добавки (суперкислоты: хлорид алюминия в процессе «Alkylene», трифторметансульфоновая кислота $\ce{CF_{3}SO_{2}OH}$ в процессе «FBA»).