текст
Могучие фракции
Часто и опытные продавцы нефтепродуктов не имеют понятия о барботаже или крекинге. Хотите узнать, что это такое?
Фото: fuelfreedom.org
При нагревании сырая нефть закипает в несколько заходов. Первый наступает, когда температура достигнет 65 °С. Продолжая поддерживать эту температуру, мы с удивлением заметим, что кипение спустя некоторое время… прекратится, а количество нефти уменьшится! Настойчивый исследователь на этом не остановится и продолжит процесс, на отметке в 230 °С дойдя до следующей ступени кипения. Как вы догадываетесь, и здесь нефть через определенное время перестанет кипеть, убавившись в массе.
Самые упорные «самогонщики» достигнут отметок в 400 и 480 °С, получив в итоге вязкую черную субстанцию, которую нагревать прежним способом уже не получится. Если построить график, на котором будут отмечаться температуры кипения и соответствующие объемы испарившейся нефти, мы получим так называемую кривую разгонки, уникальную для каждого месторождения «черного золота» и прямо указывающую на его состав: обычно соединения с большим количеством атомов углерода кипят при более высокой температуре.
Американские нефтяники делят нефть по содержанию серы на "сладкую" и "кислую"
• углеводородные газы (метан, пропан и т. п.) с температурой кипения ниже 32 °С;
• бензин (газолин) – 32–105 °С;
• нафта (тяжелый бензин, лигроин) – 105–160 °С
• керосин – 160–230 °С;
• газойль – 230–430 °С
• мазут – выше 430 °С.
В «легких» нефтях плотностью до 0,88 г/см3 преобладают бензиново-керосиновые фракции, и при прочих равных условиях они обеспечивают больший выход бензина при меньших энергетических затратах. К такому типу относятся и несколько эталонных марок, о которых мы все время слышим в новостных программах: британская североморская Brent crude и, отчасти, американская West Texas Intermediate crude (WTI). Страны ОПЕК предпочитают ссылаться на 7-марочную «корзину», в которую, помимо прочих, входят «легкие» саудовская Saudi Arabian Light crude, нигерийская Bonny (Nigerian Bonny Light crude) и сахарская смесь (Saharan Blend) из Алжира.
Российская Urals к «легким» относится лишь частично, ведь это смесь западносибирской нефти Siberian Light и высокосернистой нефти Урала и Поволжья. Примерно такой же «коктейль» представляет и REBCO – Russian Export Blend Crude Oil, марка, используемая при экспортных поставках через терминалы порта Приморск для рынков Азиатско-Тихоокеанского региона.
Кроме разных и полезных углеводородов, в сырых нефтях обязательно присутствует сера, причем в соединениях, которые трудно «расцепить». Интересно, что американские нефтяники делят нефти по содержанию серы на «сладкие» и «кислые», и связано это с теми далекими временами, когда пенсильванские колонисты стали сжигать ее в лампах вместо китового жира. Если в нефти содержалось слишком много серы, то ее сжигание сопровождалось отвратительным запахом, возмущавшим набожных пуритан. Позже, научившись выгонять керосиновые фракции, нефтяники пробовали полученный продукт на вкус: если он был сладким (мало серы), то его можно было отправлять на рынки Нью-Йорка, Бостона и Филадельфии. Если же керосин оказывался «кислым»…
На входе колонны стоит мощный насос, закачивающий нефть из складских резервуаров. Далее нефть проходит через печь и нагревается до температуры 350–390 °С, так что в колонну попадает горячая газожидкостная смесь. Колонна разделена дисками-«тарелками» с многочисленными трубками (нечто вроде дуршлага), через которые пары поднимаются вверх.
Основная «фишка» ректификационной колонны – в бульканье! На профессиональном языке этот процесс называется барботажем. Для этого каждое отверстие-трубка в разделительном диске снабжено специальным колпачком (естественно, барботажным), назначение которого – заставить пары проходить через слой жидкости. Что же происходит при бульканье? Горячие (около 400 °С) пузырьки пара, проходя сквозь жидкость, отдают ей часть энергии и охлаждаются, и часть летучей фракции конденсируется. На следующей тарелке процесс повторяется.
Но если с газами все более-менее понятно, то с другими продуктами перегонки дело обстоит сложнее. Прямогонный бензин после дополнительных процедур (компаундирования и очистки) можно поставлять на заправки, но его объем (примерно 20 %) совершенно не сообразуется с потребностями рынка. А что же делать с тяжелыми фракциями, потребность в которых существенно ниже? Что делать с тяжелым газойлем и мазутным остатком-«мармеладом», который просто откачать из колонны – и то проблема?
На помощь приходит весьма интересный процесс – крекинг (англ. cracking – расщепление), заключающийся в «раскалывании» тяжелых углеводородных молекул на легкие осколки полезных фракций за счет разрыва углеродных связей C–C. Проблема в том, что для такой операции требуется очень высокая температура – не менее 480 °С. На языке «физики на пальцах» условием для начала крекинга становится превышение средней кинетической энергии молекул над энергией их внутренних связей (напомним, что тяжелые углеводороды – «многоэтажные» органические соединения, уступающие в головоломности только живой материи типа белков или аминокислот). Сложности добавляет, однако, лавинообразный характер процесса, сопровождающийся ростом давления и состоящий из множества актов образования свободных радикалов, дегидрированием, изомеризацией, полимеризацией и конденсацией как промежуточных, так и исходных веществ. Результаты крекинга – остаточная фракция с температурой кипения более 350 °C и нефтяной кокс, представляющий собой практически чистый спекшийся углерод.
Заметим, что среди пионеров крекинг-технологий – наш соотечественник Владимир Григорьевич Шухов, запатентовавший в 1891 году установку непрерывного термического крекинга. А вот первые промышленные агрегаты для получения бензина из тяжелых нефтяных фракций были построены английским химиком У. Бартоном в 1916 году (первые отечественные промышленные установки крекинга были построены В. Г. Шуховым только в 1934 году на заводе «Советский крекинг» в Баку).
Первый этап крекинг-процесса – нагрев герметичного котла с мазутом до 130 °C для удаления воды, воздуха и других примесей. Все они сбрасываются наружу, не слишком способствуя экологическому благополучию. Любопытно, что на заре нефтепереработки приоритетным продуктом был керосин, а легкие фракции, в том числе и бензиновые, рассматривались как отходы: их сжигали или выливали в водоемы.
После очистки мазута нагрев котла усиливается, и температура его содержимого повышается до 345 °C. Пары легких углеводородов специально не отводятся, а, наоборот, по байпасным возвратным трубопроводам возвращаются в котел, повышая давление до 5–6 атмосфер, с тем чтобы не дать закипеть мазуту и «запустить» процесс крекинга, разрывающий тяжелые молекулы типа алканов С20 (число атомов углерода) на обрывки С2–С18. А углеводороды С8–С10 – это и есть бензиновые фракции, а С15 – дизельные. Таким образом, крекинг увеличивает глубину переработки, доводя выход светлых составляющих в 1,5 раза, с 40–45 до 55–60 %!
Нефтепереработчики быстро выяснили, что сырьем для крекинга могут быть не только тяжелые остатки, но и сырая нефть, при этом полученный бензин обладает более высоким октановым числом, чем прямогонный аналог. Процесс непрерывно совершенствовался, и на свет появились технологии каталитического (то есть с участием катализаторов-алюмосиликатов и в настоящее время самого массового способа производства высококачественного топлива), гидрогенного (в такой реакции важную роль играет водород), окислительного, пиролитического (высокотемпературный – 650–750 °С – крекинг при атмосферном давлении) и даже электрического крекинга.
Для начала – сугубо конфиденциальный вопрос: вы пили pervatcsh? Ах вот как, вы даже сами его делали! Тогда примите поздравления – вы с нефтяными олигархами использовали аналогичные технологические схемы. Только у вас на выходе – натуральный продукт, приятный при умеренном потреблении, а у них – куча нефтепродуктов, которые еще надо продать. Впрочем, со сбытом, судя по количеству автозаправок, гонорарам подшефных футбольных команд и картам пробок на «Яндексе», особых затруднений нет. Но путь этот и непрост, и не близок.
Промышленные ректификационные колонны. Фото: ru.wikipedia.org
Нефть – не индивидуальное химическое соединение, а смесь разных по характеристикам углеводородов. Ярче всего ее составной характер проявляется при нагревании. В отличие от воды, благополучно закипающей при 100 °С и способной (при склерозе хозяина чайника) выпариться полностью, нефть ведет себя совершенно иначе.
При нагревании сырая нефть закипает в несколько заходов. Первый наступает, когда температура достигнет 65 °С. Продолжая поддерживать эту температуру, мы с удивлением заметим, что кипение спустя некоторое время… прекратится, а количество нефти уменьшится! Настойчивый исследователь на этом не остановится и продолжит процесс, на отметке в 230 °С дойдя до следующей ступени кипения. Как вы догадываетесь, и здесь нефть через определенное время перестанет кипеть, убавившись в массе.
Самые упорные «самогонщики» достигнут отметок в 400 и 480 °С, получив в итоге вязкую черную субстанцию, которую нагревать прежним способом уже не получится. Если построить график, на котором будут отмечаться температуры кипения и соответствующие объемы испарившейся нефти, мы получим так называемую кривую разгонки, уникальную для каждого месторождения «черного золота» и прямо указывающую на его состав: обычно соединения с большим количеством атомов углерода кипят при более высокой температуре.
Американские нефтяники делят нефть по содержанию серы на "сладкую" и "кислую"
Американские нефтяники делят нефть по содержанию серы на «сладкую» и «кислую». Фото: forexaw.com
• углеводородные газы (метан, пропан и т. п.) с температурой кипения ниже 32 °С;
• бензин (газолин) – 32–105 °С;
• нафта (тяжелый бензин, лигроин) – 105–160 °С
• керосин – 160–230 °С;
• газойль – 230–430 °С
• мазут – выше 430 °С.
В «легких» нефтях плотностью до 0,88 г/см3 преобладают бензиново-керосиновые фракции, и при прочих равных условиях они обеспечивают больший выход бензина при меньших энергетических затратах. К такому типу относятся и несколько эталонных марок, о которых мы все время слышим в новостных программах: британская североморская Brent crude и, отчасти, американская West Texas Intermediate crude (WTI). Страны ОПЕК предпочитают ссылаться на 7-марочную «корзину», в которую, помимо прочих, входят «легкие» саудовская Saudi Arabian Light crude, нигерийская Bonny (Nigerian Bonny Light crude) и сахарская смесь (Saharan Blend) из Алжира.
Российская Urals к «легким» относится лишь частично, ведь это смесь западносибирской нефти Siberian Light и высокосернистой нефти Урала и Поволжья. Примерно такой же «коктейль» представляет и REBCO – Russian Export Blend Crude Oil, марка, используемая при экспортных поставках через терминалы порта Приморск для рынков Азиатско-Тихоокеанского региона.
Кроме разных и полезных углеводородов, в сырых нефтях обязательно присутствует сера, причем в соединениях, которые трудно «расцепить». Интересно, что американские нефтяники делят нефти по содержанию серы на «сладкие» и «кислые», и связано это с теми далекими временами, когда пенсильванские колонисты стали сжигать ее в лампах вместо китового жира. Если в нефти содержалось слишком много серы, то ее сжигание сопровождалось отвратительным запахом, возмущавшим набожных пуритан. Позже, научившись выгонять керосиновые фракции, нефтяники пробовали полученный продукт на вкус: если он был сладким (мало серы), то его можно было отправлять на рынки Нью-Йорка, Бостона и Филадельфии. Если же керосин оказывался «кислым»…
На входе колонны стоит мощный насос, закачивающий нефть из складских резервуаров. Далее нефть проходит через печь и нагревается до температуры 350–390 °С, так что в колонну попадает горячая газожидкостная смесь. Колонна разделена дисками-«тарелками» с многочисленными трубками (нечто вроде дуршлага), через которые пары поднимаются вверх.
Основная «фишка» ректификационной колонны – в бульканье! На профессиональном языке этот процесс называется барботажем. Для этого каждое отверстие-трубка в разделительном диске снабжено специальным колпачком (естественно, барботажным), назначение которого – заставить пары проходить через слой жидкости. Что же происходит при бульканье? Горячие (около 400 °С) пузырьки пара, проходя сквозь жидкость, отдают ей часть энергии и охлаждаются, и часть летучей фракции конденсируется. На следующей тарелке процесс повторяется.
Постепенно уровень жидкой фазы на тарелках повышается, и ее излишки сливаются вниз через так называемые сливные стаканы. Улавливаете, что будет происходить? На каждом разделительном диске сверху будет накапливаться жидкая фаза одной фракции, и чем выше диск, тем легче будет накопленная фракция.
Конечно, какие-то молекулы попадают не в «свою тарелку», но технологи нашли довольно простое и эффективное противоядие, увеличивая число локальных рабочих циклов испарения-конденсации. Для этого пары периодически отводятся в холодильник, а полученный конденсат снова подливается на нижележащие тарелки. Эта операция называется орошением, а ее назначение заключается в принудительной сепарации тяжелых молекул, случайно попавших на верхние этажи колонны. Обратное действие – повторное испарение – возвращает легкие молекулы, попавшие с током жидкости на нижние уровни, в естественный ток паровой фазы. Для этого жидкости с разделительных тарелок, сливающиеся через боковые отводы, снова нагревают до кипения. Преимущества такого способа очевидны: повторному нагреванию подвергается небольшая часть нефти, позволяя добиваться более четкого фракционирования продуктов.
Конечно, процесс не идеален, и приходится мириться с появлением так называемых «хвостов» – остатков фракций, не успевших выкипеть до конца и попавших на чужой уровень. Однако их доля не превышает нескольких процентов, к тому же избавиться от них позволяет дальнейшая переработка, ведь перегонка нефти в ректификационных колоннах – это первый этап обработки, дальше все зависит от того, с какой фракцией мы имеем дело. Проще всего с верхними погонами. Это нефтяные газы: их раньше сжигали для собственных нужд НПЗ, но с развитием нефтехимии легкие углеводороды все чаще используются для производства пластмасс, аэрозолей, синтетических материалов и т. д. Кроме того, сжиженные газы применяются в качестве альтернативного топлива для транспорта и предприятий коммунального хозяйства.Конечно, какие-то молекулы попадают не в «свою тарелку», но технологи нашли довольно простое и эффективное противоядие, увеличивая число локальных рабочих циклов испарения-конденсации. Для этого пары периодически отводятся в холодильник, а полученный конденсат снова подливается на нижележащие тарелки. Эта операция называется орошением, а ее назначение заключается в принудительной сепарации тяжелых молекул, случайно попавших на верхние этажи колонны. Обратное действие – повторное испарение – возвращает легкие молекулы, попавшие с током жидкости на нижние уровни, в естественный ток паровой фазы. Для этого жидкости с разделительных тарелок, сливающиеся через боковые отводы, снова нагревают до кипения. Преимущества такого способа очевидны: повторному нагреванию подвергается небольшая часть нефти, позволяя добиваться более четкого фракционирования продуктов.
Но если с газами все более-менее понятно, то с другими продуктами перегонки дело обстоит сложнее. Прямогонный бензин после дополнительных процедур (компаундирования и очистки) можно поставлять на заправки, но его объем (примерно 20 %) совершенно не сообразуется с потребностями рынка. А что же делать с тяжелыми фракциями, потребность в которых существенно ниже? Что делать с тяжелым газойлем и мазутным остатком-«мармеладом», который просто откачать из колонны – и то проблема?
На помощь приходит весьма интересный процесс – крекинг (англ. cracking – расщепление), заключающийся в «раскалывании» тяжелых углеводородных молекул на легкие осколки полезных фракций за счет разрыва углеродных связей C–C. Проблема в том, что для такой операции требуется очень высокая температура – не менее 480 °С. На языке «физики на пальцах» условием для начала крекинга становится превышение средней кинетической энергии молекул над энергией их внутренних связей (напомним, что тяжелые углеводороды – «многоэтажные» органические соединения, уступающие в головоломности только живой материи типа белков или аминокислот). Сложности добавляет, однако, лавинообразный характер процесса, сопровождающийся ростом давления и состоящий из множества актов образования свободных радикалов, дегидрированием, изомеризацией, полимеризацией и конденсацией как промежуточных, так и исходных веществ. Результаты крекинга – остаточная фракция с температурой кипения более 350 °C и нефтяной кокс, представляющий собой практически чистый спекшийся углерод.
Заметим, что среди пионеров крекинг-технологий – наш соотечественник Владимир Григорьевич Шухов, запатентовавший в 1891 году установку непрерывного термического крекинга. А вот первые промышленные агрегаты для получения бензина из тяжелых нефтяных фракций были построены английским химиком У. Бартоном в 1916 году (первые отечественные промышленные установки крекинга были построены В. Г. Шуховым только в 1934 году на заводе «Советский крекинг» в Баку).
Первый этап крекинг-процесса – нагрев герметичного котла с мазутом до 130 °C для удаления воды, воздуха и других примесей. Все они сбрасываются наружу, не слишком способствуя экологическому благополучию. Любопытно, что на заре нефтепереработки приоритетным продуктом был керосин, а легкие фракции, в том числе и бензиновые, рассматривались как отходы: их сжигали или выливали в водоемы.
После очистки мазута нагрев котла усиливается, и температура его содержимого повышается до 345 °C. Пары легких углеводородов специально не отводятся, а, наоборот, по байпасным возвратным трубопроводам возвращаются в котел, повышая давление до 5–6 атмосфер, с тем чтобы не дать закипеть мазуту и «запустить» процесс крекинга, разрывающий тяжелые молекулы типа алканов С20 (число атомов углерода) на обрывки С2–С18. А углеводороды С8–С10 – это и есть бензиновые фракции, а С15 – дизельные. Таким образом, крекинг увеличивает глубину переработки, доводя выход светлых составляющих в 1,5 раза, с 40–45 до 55–60 %!
Нефтепереработчики быстро выяснили, что сырьем для крекинга могут быть не только тяжелые остатки, но и сырая нефть, при этом полученный бензин обладает более высоким октановым числом, чем прямогонный аналог. Процесс непрерывно совершенствовался, и на свет появились технологии каталитического (то есть с участием катализаторов-алюмосиликатов и в настоящее время самого массового способа производства высококачественного топлива), гидрогенного (в такой реакции важную роль играет водород), окислительного, пиролитического (высокотемпературный – 650–750 °С – крекинг при атмосферном давлении) и даже электрического крекинга.
Неужели вас не охватывает священный трепет даже после такого поверхностного знакомства с предметом? Ведь нефтепереработка – это даже не фундамент современной технологической цивилизации, во многом это она сама и есть. Самое наглядное доказательство воплощается на наших глазах. При всей мощи и многогранности экономики США долгие десятилетия ее рост был виртуальным. Еще бы: каждый доллар произведенной материальной ценности порождал десяток кредитных, ссудных, залоговых и прочих денежных единиц, создавая колоссальный финансовый объем. Совсем не зря так активно пропагандировалась концепция постиндустриального общества, в котором его члены занимаются чем угодно, но только не созданием материальных ценностей.
Но желудок не обманешь! Впервые со времен энергетического кризиса начала 70-х прошлого века экономика США демонстрирует сумасшедший 5%-й рост. И связан он отнюдь не с выходом на экран нового блокбастера Джеймса Камерона или прожектами Элона Маска, а со «сланцевыми» революционерами – техасскими работягами, добывающими и перерабатывающими сланцевую нефть так много и так азартно, что даже персидские нефтяные шейхи забеспокоились всерьез и начали настоящую экономическую войну (в которой изрядно досталось и нам). Так что там говорили про постиндустриальное общество?Технологии
Ким Александров
Машины и Механизмы
Всего 0 комментариев
Белое золото: почему бумага так ценится и какие проблемы уже вызвал массовый ажиотаж на нее
Базовая свобода
Сланцевый вместо российского: заменит ли американская технология газ, добываемый из обычных источников?
Да здравствует резкость!
