Как мы говорили ранее, нефть состоит из парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов, а также разных по молекулярному весу и температурам кипения фракций, имеющих в своем составе кислород, азот, серу и примеси разных металлов.

Переработка нефти совмещает в себе физические и химические процессы, благодаря которым нефтеперерабатывающие заводы дают нам множество самых разных продуктов: бензин, авиационный керосин, дизельное и котельное топливо, гудрон, битум, смазочные масла, галогенпроизводные углеводородов, составляющие лекарственных препаратов и полимерных материалов.

Обычно нефть, поступающая на завод для переработки, содержит в себе 500 мг/л солей и 1 % массы воды. Однако на переработку допускают только нефть, в которой содержание солей не превышает 20 мг/л и воды 0,1 % масс.

Обезвоживание и обессоливание сырья НПЗ[2] проводят на блоках ЭЛОУ, которые входят в состав комбинированных установок ЭЛОУ-АТ[3] и ЭЛОУ-АВТ[4]. Именно поэтому ЭЛОУ-АВТ – важнейшая и неотъемлемая часть любого нефтеперерабатывающего завода, без нее просто невозможно представить производственный процесс. Благодаря ей производится удаление воды из входящего потока нефти посредством воздействия электрического тока и разделение ее на составляющие по температурам кипения. На некоторых предприятиях установку любят сравнивать с самогонными аппаратами, но только при более подробном рассмотрении все оказывается немного сложнее, чем перегонка этилового спирта.

Во-первых, стоит пояснить, чем же так опасна вода, содержащаяся в нефти, и откуда в ней соли. Вода опасна для процесса ректификации там, где происходит испарение, так как она увеличивается в объеме в несколько раз, что создает избыточное давление в аппарате, которое может привести к взрыву. Процесс схож с надуванием воздушных шаров. А соли образуются в нефти в результате нейтрализации кислых примесей, коррозионных ядов, уничтожающих металл, словно термиты. Но после добавления щелочи образуются соли, которые уходят вместе с водой.

Основной же процесс подготовки нефти к ее переработке на заводе происходит в дегидраторах. В своем классическом виде это двухступенчатый процесс. На первом его этапе под воздействием электрического тока и специального агента, разрушающего эмульсию и предотвращающего вспенивание, из нефти удаляется основная часть воды. А на втором этапе при помощи щелочи нейтрализуются яды, вредящие металлическим конструкциям аппаратов, и удаляются остатки солей, растворенных в воде.

Звучит довольно сложно, не правда ли? Сначала стоит пояснить, что такое эмульсия. Это смесь двух веществ, где одно из них распределено в виде мелких частиц внутри другого. В нашем случае – это вода, распределенная внутри нефти. Нефть здесь выступает как дисперсная среда, а вода – как дисперсная фаза. Представьте, что это как крупинки мусора, плавающие в океане: они небольшие по размеру, не растворяются в воде и визуально отличаются от нее.

Так вот за счет того, что деэмульгатор посредством физико-химических сил собирает воду в одном месте, происходит увеличение размеров частиц дисперсной фазы. Затем под действием электростатических сил эти частицы преобразуются в диполи[5] и скапливаются на металлической пластине, а далее под действием гравитации сливаются в отстойник. На втором этапе в оставшуюся в нефти воду добавляют гидроксид натрия, увеличивающий ее электропроводность. Это позволяет окончательно удалить воду из сырой нефти, поступающей в ректификационную колонну. Более наглядно схема поляризации частиц в дегидраторе показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Образование диполей воды

Но начать все же стоит с электрообессоливающей установки – небольшого каскада аппаратов, обеспечивающего стабильность дальнейшей переработки нефти. Это своего рода контрольно-пропускной пункт для НПЗ, в состав которого входят несколько насосов и нагревателей, емкость для отделения воды от нефти и непосредственно электродегидратор. Перед поступлением нефти в первый теплообменный аппарат в него впрыскивают деэмульгатор, который разрушает эмульсию воды в нефти, что является катализатором процесса на первой ступени.

Главная задача ЭЛОУ – отделение воды и солей от сырой нефти для дальнейшего ее разделения на фракции в атмосферно-вакуумном блоке посредством ректификации в атмосферной и вакуумной колоннах. Схема такой установки представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема двухступенчатой установки ЭЛОУ: I – сырая нефть, II – деэмульгатор, III – щелочь, IV – эмульсия нефти в воде, V – вода, VI – возврат сырой нефти, VII – обезвоженная нефть возвращается в колонну. 1 – насос, 2 – смеситель, 3 – теплообменник подогрева сырой нефти, 4 – дегидратор первой и второй ступени, 5 – отстойник, 6 – теплообменник подогрева обезвоженной нефти.

Как видно на рисунке, эта система включает в себя также теплообменники (ТО), в данном случае нагреватели. Они нагревают нефть до рабочей температуры, которая различается в зависимости от состава сырья, чтобы процесс ее отделения проходил более эффективно. Но более подробно теплообменное оборудование мы рассмотрим в следующих главах, а вот принцип работы самого простого в исполнении сепаратора можно разобрать на примере ЭЛОУ. Сепараторы – это любые аппараты, которые способны разделить несмешивающиеся фазы: нефть и воду, остатки пыли и чистый воздух, желток и белок и т. д.

Отстойник ЭЛОУ является сепаратором разделения гетерогенных смесей[6], к которым относятся гетерогенные растворы и дисперсные системы, где обе фазы являются жидкостями, а их разделение происходит путем прекращения движения. Процесс такого разделения можно легко смоделировать в домашних условиях: смешав воду и масло в различных пропорциях и встряхнув бутылку, можно наблюдать образование дисперсной среды. То же происходит и в системе нефть – вода. Конечно, обе жидкости из-за разной природы не смешиваются, однако и нет четкой границы раздела гомогенных, т. е. однородных фаз. Но стоит только оставить бутылку с маслом в покое, как постепенно начнет происходить разделение сред. Так же работает и наш отстойник, емкость с двумя выходами: из малого отсека – для того, что нужно удалить, и из большого – для целевого продукта.

А что же такое АВТ[7]? Это установка разделения нефти посредством непрерывного теплового и массового обмена между высококипящим и низкокипящим компонентами на контактных устройствах. В ней происходит разделение нефти по температурам кипения ее фракций. Самые низкокипящие фракции представляют собой смесь углеводородных газов и уходят с верха атмосферной колонны. Следующие фракции получаются в жидком состоянии путем конденсации в теплообменниках после колонны.

Первая из них – бензиновая, с температурой кипения до 180 °C. Ее используют в основном для получения товарного бензина, а также в качестве сырья для пиролиза (одного из процессов получения полимеров) и каталитического риформинга, позволяющего получить уже высокооктановый автомобильный бензин, ароматические углеводороды и водородсодержащий газ.

Следующей получают керосиновую фракцию с температурой кипения до 240 °C. Она используется для последующего производства ракетного топлива путем гидроочистки.

Далее выделяется дизельная фракция, использующаяся как топливо для судов и автомобилей и как простое горючее в котельных установках. Ее температура кипения – 350 °C.

Последней жидкой фракцией выделяется атмосферный газойль с температурой кипения 360 °C.

Наконец, из нижней части колонны уходят фракции мазута. Они поступают в колонну вакуумной ректификации, т. е. в аппарат, давление внутри которого стремится к 0 атмосфер. Здесь происходит разделение масляного дистиллята, мазута, гудрона и газойля вакуумной ректификации.

Читателю может показаться, что все довольно просто и по названию каждой фракции легко догадаться о ее назначении и дальнейшем использовании. Не совсем так. Ведь, скажем, бензиновую фракцию саму по себе еще нельзя использовать как топливо. Для этого требуется дальнейшая обработка. Кроме того, в нефтяной промышленности большинство процессов непрерывны, и сырье поступает постоянно, поэтому простым испарением и поочередным отбором фракций с верха колонны не получится добиться качественного разделения нефти на составляющие.

Тогда как же наладить работу завода? Этот вопрос решается довольно просто. Колонна – высокий цилиндрический аппарат, высота которого может достигать 50 метров, в некоторых случаях – даже более 100 метров (хотя на практике ее разделяют на две и более. – Прим. авт.). По всей ее длине создаются отдельные выходы под каждую фракцию. Чем выше температура кипения, тем ближе к кубу, т. е. к низу колонны, будет выход этой фракции.

Рисунок 3. Различные виды тарелок и насадок. Насадки слева: а – вакупак; б – «Кедр»; в – Меллапак 250; г – насадка Гудлоу. Тарелки справа: а – ситчатая, б – колпачковая

Но не будет ли при этом происходить захват паров более низкокипящих компонентов? Определенно будет, но и тут нашлось решение. Ректификация – это не только разделение однородных (гомогенных) смесей, но и процесс непрерывного тепло- и массообмена, который происходит на контактных устройствах, а именно – на тарелках или насадках. Тарелки в колонне – это металлические диски с отверстиями разных типов. А насадки – специальные контактные устройства, предполагающие снижение гидравлического сопротивления при контакте паров с жидкостями при ректификации.

Допустим, с теплообменом на тарелках все понятно: куб греется – нефть испаряется, но откуда берется массообмен? Контакт жидкости и пара происходит путем орошения. Часть легкокипящих компонентов возвращается в колонну на ту же тарелку, с которой и вышли пары. Жидкость стекает по тарелкам, образуя небольшой слой, через который эти пары проходят. И в этот самый момент происходит обмен тепла и массы. Жидкость поглощает те же компоненты, которые в большинстве своем и содержит, тем самым отделяя дизельную фракцию от бензиновой и керосиновой. Более наглядно этот процесс можно увидеть на рисунке 4.

На рисунке 4 показано контактное устройство, а именно тарелка колпачкового типа. По желобкам на тарелку попадает жидкая фаза в виде орошения, слой в которой регулируется перегородкой. Под силой давления колпачок приподнимается и пропускает газ через слой жидкости из нижней части. Именно в этот момент часть высококипящих компонентов переходит в жидкую фазу, а низкокипящих – в газовую. Кроме того, за счет контакта между фазами происходит теплообмен.

Но как определить требуемое количество жидкости? И зависит ли оно от требуемого количества, допустим, керосиновой фракции? Необходимое количество жидкости, подаваемой на орошение в колонну, называется флегмовым числом, или коэффициентом орошения. Оно представляет собой соотношение расхода жидкости на тарелку и количества газовой фазы (дистиллята), а зависит не от производительности самой колонны, а от требуемой чистоты и состава сырья. Чем выше чистота требуемой фракции и ниже доля содержания ее в сырье, тем больше потребуется подавать жидкости в колонну орошения.

Рисунок 4. Схема потоков газа через жидкий слой на колпачковой тарелке

А для чего же необходим вакуум во второй колонне? К сожалению, без снижения давления не обойтись. Из школьного курса физики мы знаем, что вода закипает в горах быстрее, чем на равнинах, но и температура ее гораздо ниже – такой кипяток сложно назвать горячим. А происходит это за счет снижения давления окружающей среды. Но для чего это нужно в колонне? Тут есть сразу две причины. Само по себе тепло – очень ценный ресурс. Случается так, что экономически выгоднее снизить давление процесса, чем поднимать его температуру. Вторая причина – это процесс деструктуризации молекул. Температура разрушения структуры высокомолекулярных соединений в нефти ниже, чем температура их кипения. Поэтому при большом количестве тепла мы не получим масляный дистиллят, он просто распадется на более низкомолекулярные соединения, что в дальнейшем приведет к образованию кокса.

Для примера давайте рассмотрим популярную схему АВТ, представленную на рисунке 5. На ней показан принцип работы установки, выход основных фракций и реализация схемы орошения. Поток нефти после очистки от солей, агрессивных сред и воды поступает в нагревательный аппарат (1), где происходит подготовка нефти к ректификации. Затем поступает на атмосферную ректификацию в колонну (4). С верха колонны выходят легкие фракции углеводородов, которые представляют собой смесь газов: метан, этан, этен, этилен, пропан, пропилен, которые отправляются на газоразделение. Бензиновая фракция поступает на конденсацию в холодильник (2), после чего в жидкой фазе скапливается в емкости (3). Оттуда поток разделяется на два, расчетное число поступает на орошение колонны, а избыток направляется в дальнейшее производство. Аналогичным образом орошение происходит и для других фракций, в том числе и для вакуумной перегонки. Нижняя часть колонны подвергается нагреву для создания газовой фазы на нижней тарелке, избыток направляется на дальнейшую переработку.

Внедрение новых технологий может происходить как на стадии проектирования НПЗ, так и на уже действующих объектах, что позволяет оптимально управлять производственными процессами. Важную роль в этом играют технологические схемы, которые влияют на выход и качество нефтепродуктов, а также на общие затраты на производство.

Иногда требуется улучшить качество той или иной фракции, тогда применяется стрипинг-колонна, которая делает целевую фракцию чище, но при этом происходит увеличение ее цены. Но и здесь научились экономить без нарушения технологии посредством рекуперации тепла, т. е. во время нагревания колонны можно прогревать и первоначальное сырье, чтобы не использовать лишний раз теплоноситель. Данные варианты модернизации колонны наглядно показаны на рисунках 6 и 7.

Рисунок 5 – схема атмосферно-вакуумной ректификации: I – сырая нефть, II – газ, III – бензиновая фракция, IV – керосиновая фракция, V – дизельная фракция, VI – легкий газойль, VII – тяжелый газойль, VIII – рециркулят, IX – вакуумный газойль, X – легкий масляный дистиллят, XI – тяжелый масляный дистиллят, XII – мазут, XIII – гудрон; 1 – нагреватель, 2 – конденсатор, 3 – емкость, 4 – атмосферная колонна, 5 – вакуумная колонна

В целом даже газ, который мы получаем с верхней части колонны, можно направить на производство тепла. Изначально именно такая схема и предусматривалась. Термин «трубчатка» в аббревиатуре обозначает трубчатую печь, где происходит сжигание газа и нагрев нефти, идущей по трубам.

Рисунок 6. Установка стрипинг-колонны для улучшения чистоты фракции

Рисунок 7. Схема рекуперации тепла

Также в качестве одной из частых модернизаций стоит отметить предварительный подогрев и испарение нефти. Часто установка АВТ представляет не просто две колонны, а три. Дополнительная колонна служит для отделения газа, входящего в состав нефти, что помогает разгрузить последующее оборудование, а также этот дополнительный «стрипинг» оказывает позитивное влияние на качество газа.

Однако не только оборудование может улучшаться, но и сам процесс. Рассмотрим некоторые технологические изменения.

Снижение давления в основной колонне обеспечит более эффективное разделение продуктов, так как различные фракции требуют разных условий испарения при перегонке. При этом возможно снижение потребления перегретого пара, что снизит затраты на энергию, а использование умеренного вакуума вместо него поможет добиться экономии тепла на 3–5 %.

Также важно учитывать, что понижение давления необходимо проводить с учетом технологических особенностей и требований к качеству продукции. Все изменения в технологическом процессе должны быть осуществлены с оценкой их влияния на соответствующие показатели качества и экономические результаты производства.

Если говорить про температуру, то при увеличении температуры куба колонны увеличится доля светлых фракций, но снизится их качество. При этом кубовый продукт станет более чистым, что поспособствует эффективной переработке на следующих этапах.

В этом случае стоит учитывать исходный состав нефти и конечные цели переработки. Если ключевым продуктом является бензин, то стоит сфокусировать свое внимание на чистоте легких фракций, а не на их количестве. Потому как в той же полимерной промышленности требуются легкие фракции, при этом их доля от всей продукции завода может не превышать 5 %.

Упомянуть стоит и такие факторы, как количество подаваемого орошения (флегмовое число), количество тарелок, глубина вакуума, вид хладагента или горячего теплоносителя, используемого в теплообменном оборудовании, конструкционное исполнение оборудования. На НПЗ часто применяется пар. Но иногда лучше использовать подогретую фракцию (допустим, битум) или легкие фракции конденсировать не с помощью теплообменников, а аппаратами воздушного охлаждения, представляющими собой вентилятор, направляющий поток воздуха на трубы.

Подытоживая, можно сказать, что схемы фракционирования нефти широко применяются в нефтеперерабатывающей промышленности для получения различных нефтепродуктов. В зависимости от состава и качества изначальной нефти и требований к итоговым продуктам могут использоваться различные схемы фракционирования, которые включают отбензинивание, эвапорацию, атмосферную или вакуумную перегонку и т. д. Кроме того, многие процессы могут быть модифицированы для улучшения технических показателей и повышения выхода нефтепродуктов.

Развивающиеся требования к нефтепродуктам и переработке нефти в современной нефтеперерабатывающей промышленности увеличивают потребность в структурных изменениях в схемах первичной перегонки нефти.