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

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.