Нефть. От первых скважин до новой эпохи - Глеб Олегович Трухин

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