Как получают топливо из нефти?

Если про воду говорят, что она является источником всей земной жизни, то нефть смело можно назвать «источником  жизни» всей техники, применяемой людьми начиная с прошлого столетия.

Человек обнаружил эту горючую природную жидкость и начал её применять достаточно давно. Специалисты установили, что еще за 4 – 6 тысяч лет до нашей эры берегах Евфрата существовали нефтяные промыслы. Примерно 700 лет тому назад известный путешественник Марко Поло посещал территорию современного Азербайджана, и в своих записках описал (как он его называл)  «земляное масло», которое «в пищу употреблять нельзя, зато оно горит и хорошо лечит верблюдов».

Как вы думаете, что будет с нефтью в 2022 году?

• Подорожает
• Подешевеет

Просмотреть результаты

 Загрузка ...

Первым нефтепродуктом, полученным из этого сырья, был керосин.

Еще в 1823-ем году русские инженеры братья Дубинины построили первую простейшую установку для перегонки нефти с целью получения керосина.  Однако по настоящему это полезное ископаемое оценили лишь в начале двадцатого века, когда появились первые паровые котлы и автомобильные двигатели, источником энергии для которых и стали нефтепродукты.  Первая мировая война дала толчок развитию нефтепереработки, поскольку появилась военная техника, для которой было нужно большое количество нефтяного топлива.

Что из себя представляет нефть?

Нефть – это вязкая  маслянистая горючая жидкость, цвет которой варьируется от почти прозрачного до  темно-коричневого (практически черного). Нефть легче воды. Её средняя плотность находится в пределах  820 – 900 килограмм на кубометр, хотя на некоторых промыслах  добывают сырье более легкое или более тяжелое.

Если рассматривать химический состав этого вещества, то он таков:

• от 82-х до 87-ми процентов углерода;
• от 11-ти до 14-ти процентов водорода;
• от 0,1 до 7-ми процентов серы;
• от о,001 до 1,8 процента азота;
• до одного процента кислорода;
• до одного процента примесей различных металлов.

Как видно из приведенных выше цифр, большую часть нефти составляют соединения углерода и водорода – углеводороды, которые, в свою очередь, делятся на  алканы, циклоалканы и ароматические углеводороды (арены).

Для алканов (по-другому – парафинов) характерна предельная степень насыщения водородом,  поэтому их еще называют предельными углеводородами. Чем выше их молекулярная масса, тем больше значение их плотности и тем выше  температура их кипения, вследствие чего парафины с числом атомов от 16-ти и выше являются твердыми веществами, которые присутствуют в нефти  в растворенном виде.

Средняя концентрация углеводородов парафиновой группы в нефтях составляет 30 – 35-ть процентов, хотя в некоторых видах этого полезного ископаемого это число может доходить и до 50-ти процентов. Среднее содержание циклоалканов в сырой нефти варьируется от  25-ти до 75-ти процентов.

Углеводороды ароматической группы (арены) отличаются от прочих соединений углерода с водородом так называемым бензольным кольцом. В различных нефтях их  содержится от 10-ти до 20-ти процентов, и представлены в идее таких химических веществ, как бензол, толуол, ксилолы и нафталиновые производные.

Читать также: Как осуществляется сбор отработанных нефтепродуктов?

Непредельные углеводородные соединения (олефины) в сырой нефти не присутствуют, однако появляются в процессе её переработки.

Присутствие таких химических соединений в получаемых нефтепродуктах является нежелательным, поскольку они обладают низим уровнем химической стойкости.

Помимо углеводородов, в этом полезном ископаемом присутствуют разного рода сернистые и азотистые соединения, а также незначительная часть органических кислот и  смолистые асфальтовые  вещества.

Некоторые из них, несмотря на свою малую концентрацию, отрицательно влияют на получаемые из нефтяного сырья виды топлива. К примеру,  сернистые соединение обладают достаточно сильным коррозирующим эффектом, вследствие чего в двигателях быстро изнашиваются металлические части. Органические кислоты (по-другому – нафтеновые) тоже коррозионно активны и вредят металлическим изделиям.  Асфальто-смолистые вещества провоцируют повышенные отложения и образование разного рода нагаров.

Получение нефтепродуктов вообще и топлива в частности

К отличительной особенности сырой нефти, при достаточно большом разнообразии содержащихся в ней углеводородных соединений, относится широкие диапазоны температур выкипания.

Так, например, при нагреве всего до 30-ти – 40-ка градусов из неё начинают испаряться самые легкие углеводородные соединения (фракции). Дальнейшее повышение температуры приводит к выкипанию более тяжелых фракций.

Это дает возможность разделять нефть на составляющие её компоненты, использующиеся для изготовления различных видов нефтепродуктов. Получаемые таким образом продукты называются дистилляты,  а сам процесс разделения нефти на отдельные фракции называется прямая перегонка.

Выделяемые при разных температурах дистилляты делятся следующим образом:

• значение температуры кипения от 28-ми до 180 градусов Цельсия – бензиновая топливная фракция;
• от 110-ти до 230-ти градусов – лигроиновые фракции;
• 120 – 315°С – керосины;
• 230 – 330°С – газойль;
• 280 – 380°С – дизтоплива;
• 320 – 500°С – масляные нефтяные фракции.

Чтобы получить топливо из нефти, без прямой перегонки – не обойтись.  Этот процесс происходит путем нагрева сырья в печах трубчатого типа, а само разделение на фракции происходит в ректификационных колоннах. После нагрева в трубчатой печи до температуры от 330-ти – до 350-ти градусов  сырье подается в средний отсек ректификационной колонны.

Жидкие нефтяные остатки стекают вниз, а более легкие испаряющиеся  углеводороды в виде пара   поднимаются наверх, по пути конденсируясь в форму дистиллятов на специальных устройствах, которые называются ректификационные тарелки. Они устанавливаются на разной высоте внутри колонны. Чем тяжелее испаряемая углеводородная фракция – тем ниже тарелка, на которой она конденсируется. Самые легкие углеводородные фракции остаются в газообразном виде и отводятся с самого верха ректификационной колонны.

Дистилляты, из которых потом путем дальнейшей переработки изготавливают различные виды топлива, выделяются в атмосферных ректификационных установках (колоннах). После такой перегонки жидким нефтяным остатком является   мазут, который  в дальнейшем также можно разделять на отдельные фракции или использоваться как сырье для  крекинговых установок.

Применяют мазут и в качестве котельного топлива (топочные виды мазутов). Многие нефтяные смеси отличаются низкой степенью термической стойкости, поэтому, чтобы предотвратить  их полное разложение, дальнейшую перегонку мазутов проводят в условиях вакуума. Это позволяет значительно снизить температуру кипения.  Испарение мазутов с целью получения из них отдельных компонентов проводится в вакуумных установках трубчатого типа, а для разделения на фракции применяют вакуумные ректификационные колонны.

Читать также: Как происходит переработка нефти и нефтепродуктов?

В верхней части таких колонн конденсируется дизельная нефтяная фракция, из которой затем получают дизтопливо. Чуть ниже выделяются масляные фракции, из которых затем изготавливают товарные масла. В вакуумных колонная также образуется тяжелый остаток, который называется гудрон. Он скапливается в нижней части устройства и идет на приготовление различных нефтяных битумов.

Очистка и улучшение свойств прямогонных нефтепродуктов

Чтобы повысить эксплуатационные характеристики прямогонных нефтепродуктов, их  подвергают очистке о нежелательных примесей.

К примеру, чтобы удалить сернистые, азотистые, кислородные, органические и металлические примеси, а также непредельные углеводородные соединения, образовавшиеся в процессе прямой перегонки сырья,  применяют метол гидроочистки. В ходе этого процесса все соединения, в которых содержатся сера, кислород или  азот, с помощью реакции с водородом, содержащимся в воде,  переводятся в газообразное состояние, а затем эти новые соединения легко удалить и обрабатываемого продукта. Гидроочистка проходит  при температурах от 350-ти до 420-ти градусов и под давлением давлении от 1,7 до 4-х мегапаскалей, с использованием специальных веществ – катализаторов.  Гидроочистка хорошо подходит для  обессеривания дизельных видов нефтяного топлива, для очистки масляных дистиллятов, а также для  подготовки прямогонного сырья перед использованием его в некоторых процессах вторичной нефтепереработки.

Помимо гидроочистки, чтобы удалить из топливных дистиллятов некоторые трудновыделяемые  кислородные и сернистые соединения, используют очистку с помощью щелочи.

Суть этого процесса заключается в том, что  в очищаемый дистиллят добавляют щелочную смесь, а затем удаляют получающиеся водные растворы вновь образованных веществ совместно со щелочными остатками.

При получении прямогонных топливных и масляных дистиллятов с высокой температурой кипения в них, как правило, остается значительное количество  химических соединений, которые застывают при довольно высоких температурных значениях.

Такими нежелательными  соединениями являются в основном парафины и некоторые виды циклических углеводородов. Их присутствие в составе дистиллятов негативно влияет на эксплуатационные характеристики нефтепродуктов, которые используются  при низких температурах. Чтобы их удалить из топлива или масла, применяются различные технологические методики депарафинизации.

Например, при изготовлении зимних марок дизельных топлив, широко применяется  способ карбамидной депарафинизации. Эта методика основана на свойстве карбамида (простым языком – мочевины) в процессе реакции с парафинами образовывать комплексные соединения, которые достаточно легко  отделить от прочих, необходимых топливу углеводородов. Масляные дистилляты очищают от парафинов при помощи охлаждения их до достаточно низких температурных значений, что позволяет в дальнейшем отделить образующиеся твердые углеводородные кристаллы с помощью специальных  фильтр-прессов.

Стоит сказать, что прямая перегонка нефтяного сырья дает сравнительно малый выход топливных фракций. К тому качество этих дистиллятов оставляет желать лучшего и на практике они почти не применяются. Этот процесс дает возможность получить с единицы сырья всего лишь от 15-ти до 20-ти процентов бензиновых фракций, и от 45 до 55 процентов дистиллятов,  перегоняющихся  при температурах до 300 – 350 °.

Поэтому, чтобы повысить выход моторных видов  топлива,  а главное – бензинов, прямогонные продукты перерабатывают с применением химико-термических технологий, которые называются   вторичными перерабатывающими  процессами.

Читать также: Каково содержание серы в нефти?

Вторичные процессы нефтепереработки

Самый известный топливный вариант переработки нефти – это крекинг.

Его суть – расщепление крупных молекул на вещества с меньшей молекулярной массой либо  в результате  воздействия только высоких температур (термический вид крекинга), либо с добавлением в процесс катализатора (каталитический тип крекинг-процесса). Поскольку чисто термический крекинг дает на выходе недостаточно качественный бензин, в настоящее время чаще применяется  каталитический крекинг.

Процесс каталитического крекинга проходит в температурном диапазоне от  450-ти до 530-ти градусов под давлением от 0,07 до 0,3 МПа. Катализатором чаще всего выступают алюмосиликаты, в составе которых от 75-ти до 80-ти процентов оксида кремния и от 10-ти до 20-ти процентов оксида  алюминия.  Эта методика на выходе дает бензин, октановое число которого доходит до 85-ти единиц, а также керосино-газойлевые компоненты, которые применяют как дизельные и реактивные виды топлива.

При добавлении в крекинг-процесс водорода (гидрировании) получают новую технологию, называемую гидрокрекингом.

Температуры такого процесса – от 360-ти до 440-ка °С. Давление от 15-ти до 17-ти МПа. Технология подразумевает присутствие газа, содержащего водород. Этот процесс также дает  на выходе бензины высокого качества, а также дизельное и реактивное  топливо.

Крекинг нефти и нефтепродуктов

Кроме крекинг-процессов, последнее время широко используется риформинг, который также может быть термическим (без катализатора) и каталитическим.

С его помощью получают бензины с высокой детонационной стойкостью. Риформинг (в настоящее время – в основном каталитический) проходит при  500-х – 540-ка  °С и под давлением 1,5 – 4-ре мегапаскаля. Катализатором служит платина на оксиде алюминия, вследствие чего второе название этой технологии – платформинг.

Также для получения моторных топлив из нефти используют методы изомеризации и алкилирования. В любом случае, после прохождения всех этапов переработки в нефтепродукты добавляют разного рода присадки, которые позволяют добиться необходимых современным двигателям эксплуатационных качеств.