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

В данном разделе мы рассмотрим основные аппараты и процессы, которые распространены в нефтеперерабатывающей промышленности, разберем классификацию определенных аппаратов, а также принцип их работы и графическое обозначение на схемах. Разобьем сложные технологические схемы на их составляющие.

Процессы и аппараты химических технологий (ПиАХТ) – это отрасль науки, изучающая теорию основных процессов, принципы устройства и методы расчетов аппаратов и машин, используемых для проведения химико-технологических процессов. Она находится на стыке таких наук, как физика, физическая химия, термодинамика, механика, гидравлика, производственный менеджмент, экономика и др. Во многих странах мира подготовка специалистов в области процессов и аппаратов химической инженерии является основной, т. к. они составляют основу всей этой технологии.

Среди множества процессов, осуществляемых в химической технологии, можно выделить наиболее часто применяемые, называемые основными или типовыми. Под процессом понимается последовательная смена состояний системы, для проведения которой необходимо вывести систему из состояния равновесия, т. е. оказать на нее воздействие извне. При этом будет осуществляться перенос одного или нескольких видов субстанции: массы, импульса, энергии.

Технологическое и аппаратурное оформление промышленных процессов крайне многообразно. Во многих производственных процессах требуется разделять исходное сырье на составляющие компоненты, производить нагрев и охлаждение продуктов, осуществлять механическое разделение различных фаз системы. При этом одинаковые по своей физической природе процессы могут применяться на различных стадиях технологического процесса, обеспечивая получение продукции требуемыго качества и свойств.

Для начала стоит дать комментарий о тенденциях развития процессов в данной области. Современное нефте- и газоперерабатывающее предприятие представляет собой комплекс мощных установок первичной переработки нефти и газа, каталитического крекинга, гидроочистки, риформинга, депарафинизации масел, производства битума и других процессов. Такое предприятие оснащено современным оборудованием, поставляемым заводами химического и нефтяного машиностроения.

Развитие техники привело к значительному расширению ассортимента нефтепродуктов и повышению требований к их качеству. Это, в свою очередь, обусловило необходимость использования в переработке нефти и газа широкого спектра химико-технологических процессов. Среди них – физические методы разделения: ректификация, абсорбция, экстракция, адсорбция, сушка, отстаивание, фильтрование, центрифугирование и другие, а также химические и каталитические процессы: пиролиз, каталитический крекинг, риформинг, гидроочистка и др. Это позволило ориентировать нефтегазопереработку на обеспечение народного хозяйства не только топливом, маслами и другими товарными продуктами, но и дешевым сырьем для химической и нефтехимической отраслей промышленности, производящих различные синтетические продукты: пластические массы, синтетические каучуки, химические волокна, спирты, синтетические масла и др.

Многообразие процессов при переработке нефти и газа потребовало применения аппаратуры, работающей в широком интервале изменения рабочих параметров. Так, например, температуры могут составлять от –60 °C (кристаллизация в производстве масел) до 800–900 °C (пиролиз), а давления – от глубокого вакуума (переработка тяжелых нефтяных остатков) до 150 МПа (производство полиэтилена).

Таким образом, требования к более глубокой переработке нефти и получению из нее не только прямых перегонных фракций, но и других продуктов требуют существенной модернизации производства, а именно изменения аппаратурного оформления и включения более сложных процессов переработки нефтяных дистиллятов.

Но какие же бывают процессы и аппараты в этой отрасли?

Давайте разберемся. Все начинается с ректификации – это первый процесс переработки нефти. Он относится к массообменным (диффузионным) процессам, как и абсорбция, адсорбция, экстракция, сушка и другие. Их суть – переход вещества из одной фазы в другую в результате массообмена между ними. Фаза здесь означает агрегатное состояние вещества. В ректификации пары из куба колонны контактируют с жидким орошением, подаваемым сверху. При абсорбции газ проходит через слой жидкости, которая поглощает часть компонентов. В адсорбции газ или жидкость пропускают через слой твердого вещества – адсорбента. С этими процессами мы сталкиваемся и в быту. Например, кофе заваривается путем экстракции: пар под давлением извлекает компоненты из молотого зерна. Это очень похоже на регенерацию катализаторов.

Следующий процесс, гидромеханический, связан с обработкой неоднородных систем – жидкостей и газов (паров), содержащих взвешенные в них твердые частицы или капли жидкости. К нему относятся различные виды отстаивания (в поле силы тяжести, в центробежном поле, в электрическом и магнитном полях), фильтрование, перемешивание, течение газа или жидкости через слой сыпучих материалов. В нефтехимическом производстве такие процессы происходят в сепараторах, циклонах, электродегидраторах. И в повседневной жизни они встречаются, например циклон в пылесосе или сифон под раковиной.

Родственниками этого процесса можно считать механические: смешение, измельчение, транспортировку (например, по конвейерным лентам). Их движущая сила – разность давлений или градиент напряжения (сжатия, сдвига, растяжения), а скорость подчиняется законам механики твердых тел. В быту мы постоянно сталкиваемся с такими процессами: измельчаем кофе или перец, разбавляем чай холодной водой.

Также существуют процессы непрямого взаимодействия – теплообменные процессы. К ним относятся: нагревание и охлаждение, конденсация и испарение, плавление – затвердевание. Они встречаются практически везде – в упомянутой ректификации происходит не только массовый обмен, но также и обмен теплом от горячего к холодному. Тепловые аппараты – самые востребованные в нефтехимии. А в обычной жизни с этими принципами можно столкнуться при накладывании холодного компресса к месту ушиба, кипячении воды, разогревании еды, заморозке льда, работающих батареях в зимнее время, открывании окна летом. Все эти процессы не изменяют своего материального баланса, но могут изменить агрегатное состояние (это называется фазовым переходом), а также меняют свою исходную температуру.

Более сложные процессы называются химическими. Они связаны с превращением обрабатываемых материалов с целью получения новых соединений. Здесь стоит упомянуть группу термокаталитических процессов: каталитический крекинг, пиролиз, риформинг, гидроочистка и др. Движущая сила процесса – разность концентраций реагирующих веществ, а его скорость подчиняется законам химической кинетики. Чтобы лучше понять взаимосвязь процессов и аппаратов, приведем небольшую сводку.

Массообменные процессы: перегонные кубы, ректификационные колонны, абсорберы, адсорберы, десорберы, экстракторы, сушилки, кристаллизаторы.

Гидромеханические процессы: фильтры, центрифуги, мешалки, отстойники, циклоны, электродегидраторы, электрофильтры, аппараты с псевдоожиженным слоем.

Механические процессы: дробилки, смесители, мельницы, дозаторы, транспортеры.

Тепловые процессы: теплообменники, конденсаторы, холодильники, испарители, кристаллизаторы, плавильные печи, трубчатые печи.

Химические процессы: различного рода реакторы.

Также процессы делятся на непрерывные и периодические.

Непрерывные процессы отличаются единством времени проведения всех стадий: каждая из них осуществляется в своем аппарате, что обеспечивает установившийся во времени режим. При этом обеспечивается непрерывный подвод исходных материалов и вывод получаемых в результате процесса продуктов. Установившееся состояние понимается как среднестатистическое, так как неизбежны случайные колебания параметров процесса во времени. Благодаря стационарности непрерывных процессов облегчается их автоматизация, упрощается конструкция аппаратов и их обслуживание, однако для одновременного проведения всех стадий процесса необходимо большое число аппаратов. Современные крупнотоннажные производства нефтегазопереработки развиваются на основе непрерывных процессов.

Периодические процессы характеризуются единством места проведения различных стадий