| |||||
МЕНЮ
| Нефть: происхождение, состав, методы и способы переработкиp> Принципиальная схема для промышленной перегонки нефти приведена на рисунке. Исходная нефть прокачивается насосом через теплообменники 4, где нагревается под действием тепла отходящих нефтяных фракций и поступает в огневой подогреватель (трубчатую печь) 1. В трубчатой печи нефть нагревается до заданной температуры и входит в испарительную часть (питательную секцию) ректификационной колонны 2. В процессе нагрева часть нефти переходит в паровую фазу, которая при прохождении трубчатой печи все время находится в состоянии равновесия с жидкостью. Как только нефть в виде парожидкостной смеси выходит из печи и входит в колонну (где в результате снижения давления дополнительно испаряется часть сырья), паровая фаза отделяется от жидкой и поднимается вверх по колонне, а жидкая перетекает вниз. Паровая фаза подвергается ректификации в верхней части колонны. В ректификационной колонне размещены ректификационные тарелки, на которых осуществляется контакт поднимающихся по колонне паров со стекающей жидкостью (флегмой). Флегма создается в результате того, что часть верхнего продукта, пройдя конденсатор-холодильник 3, возвращается на верхнюю тарелку и стекает на нижележащие, обогащая поднимающиеся пары низкокипящими компонентами. Для ректификации жидкой части сырья в нижней части ректификационной части колонны под нижнюю тарелку необходимо вводить тепло или какой-либо испаряющий агент 5. В результате легкая часть нижнего продукта переходит в паровую фазу и тем самым создается паровое орошение. Это орошение, поднимаясь с самой нижней тарелки и вступая в контакт со стекающей жидкой фазой, обогащает последнюю высококипящими компонентами. В итоге сверху колонны непрерывно отбирается низкокипящая фракция, снизу Испаряющий агент вводится в ректификационную колону с целью повышения концентрации высококипящих компонентов в остатке от перегонки нефти. В качестве испаряющего агента используются пары бензина, лигроина, керосина, инертный газ, чаще всего – водяной пар. В присутствии водяного пара в ректификационной колонне снижается
парциальное давление углеводородов, а следовательно их температура кипения. Влияние водяного пара заключается в следующем: Расход водяного пара зависит от количества отпариваемых компонентов, их природы и условий внизу колонны. Для хорошей ректификации жидкой фазы внизу колонны необходимо, чтобы примерно 25% ее переходило в парообразное состояние. В случае применения в качестве испаряющего агента инертного газа
происходит большая экономии тепла, затрачиваемого на производство
перегретого пара, и снижение расхода воды, идущей на его конденсацию. Удобно в качестве испаряющего агента использовать легкие нефтяные фракции – лигроино-керосино-газойлевую фракцию, т.к. это исключает применение открытого водяного пара при перегонке сернистого сырья, вакуума и вакуумсоздающей аппаратуры и, в то же время, избавляет от указанных сложностей работы с инертным газом. Чем ниже температура кипения испаряющего агента и больше его относительное количество, тем ниже температура перегонки. Однако чем легче испаряющий агент, тем больше его теряется в процессе перегонки. Поэтому в качестве испаряющего агента рекомендуется применять лигроино-керосино- газойлевую фракцию. В результате перегонки нефти при атмосферном давлении и температуре 350- Рассмотренные методы перегонки нефти дают достаточно четкие разделения компонентов, однако оказываются непригодными, когда из нефтяных фракций требуется выделить индивидуальные углеводороды высокой чистоты (96-99%), которые служат сырьем для нефтехимической промышленности (бензол, толуол, ксилол и др.) 7. Устройство ректификационных тарелок. В тарельчатых колоннах 1 для повышения площади соприкосновения потоков пара и флегмы применяют большое число (30-40) тарелок специальной конструкции. Флегма стекает с тарелки на тарелку по спускным трубам 3, причем перегородки 4 поддерживают постоянный уровень слоя жидкости на тарелке. Этот уровень позволяет постоянно держать края колпаков 2 погруженными во флегму. Перегородки пропускают для стока на следующую тарелку лишь избыток поступающей флегмы. Принципом действия тарельчатой колонны является взаимное обогащения паров и флегмы за счет прохождения под давлением паров снизу вверх сквозь слой флегмы на каждой тарелке. За счет того, что пар проходит флегму в виде мельчайших пузырьков площадь соприкосновения пара и жидкости очень высока. Конструкции тарелок разнообразны. Применяют сетчатые, решетчатые, каскадные, клапанные, инжекционные и комбинированные тарелки. Конструкцию тарелок выбирают исходя из конкретных технологических требований (степень четкости разделения фракций, требование к интенсивности работы, необходимость изменения внутренней конструкции колонны, частота профилактических и ремонтных работ и др.) 8. Крекинг нефти. При первичной перегонке нефть подвергается только физическим изменениям. При крекинге нефть подвергается химическим изменениям. Меняется строение углеводородов. В аппаратах крекинг-заводов происходят сложные химические реакции. Выход бензина из нефти значительно увеличивается (до 65-70 %) путем расщепления углеводородов с длинной цепью, содержащихся, например, в мазуте, на углеводороды с меньшей относительной молекулярной массой. Такой процесс называется крекингом (от англ. crack – расщеплять). Крекинг изобрёл русский инженер Шухов в 1891 г. В 1913 г. изобретение Процесс ведётся при более высоких температурах (до 600о), часто при повышенном давлении. При таких температурах крупные молекулы углеводородов раздробляются на более мелкие. Аппаратура крекинг-заводов в основном та же, что и для перегонки нефти. Мазут – остаток первичной перегонки – густ и тяжёл, его удельный вес близок к единице. Это потому, что он состоит из сложных и крупных молекул углеводородов. Когда на крекинг-заводе мазут снова подвергается переработке, часть составляющих его углеводородов раздробляется на более мелкие. А из мелких углеводородов как раз и составляются лёгкие нефтяные продукты – бензин, керосин, лигроин. 9. Термический крекинг. Расщепление молекул углеводородов протекает при более высокой температуре (470-550°С) и давлении 2-7МПа. Процесс протекает медленно, образуются углеводороды с неразветвленной цепью атомов углерода. Таким способом получают главным образом автомобильный бензин. Выход его из нефти достигает 70%. В бензине, полученном в результате термического крекинга, наряду с
предельными углеводородами, содержится много непредельных углеводородов. В бензине термического крекинга содержится много непредельных углеводородов, которые легко окисляются и полимеризуются. Поэтому этот бензин менее устойчив при хранении. При его сгорании могут засориться различные части двигателя. Для устранения этого вредного действия к такому бензину добавляют окислители. Если в нагреваемую на сильном пламени трубку (заполненную железными стружками для улучшения теплопередачи) пускать из воронки по каплям керосин или смазочное масло, очищенные от непредельных углеводородов, то в U- образной трубке вскоре будет собираться жидкость, а в цилиндре над водой – газ. Полученная жидкость, в отличие от взятой для реакции, обесцвечивает бромную воду, т.е. содержит непредельные соединения. Собранный газ хорошо горит и также обесцвечивает бромную воду. Результаты опыта объясняются тем, что при нагревании произошёл распад углеводородов, например: C16H34 > C8H18 + C8H16 гексадекан октан октилен Образовалась смесь предельных и непредельных углеводородов с меньшими молекулярными массами, аналогичная бензину. Получившиеся жидкие вещества частично могут разлагаться далее, например: C8H18 – C4H10 + C4H8 октан бутан бутилен C4H10 – C2H8 + C2H4 бутан этан этилен Эти реакции приводят к образованию большого количества газообразных веществ. Выделившийся в процессе крекинга этилен широко используется для в качестве сырья для химической промышленности: производства полиэтилена и этилового спирта. Расщепление молекул углеводородов протекает по радикальному механизму. CH3 – (CH2)6 – CH2:CH2 – (CH2)6 – CH3 > CH3 – (CH2)6 – CH2 + CH2 – Свободные радикалы химически очень активны и могут участвовать в различных реакциях. В процессе крекинга один из радикалов отщепляет атом водорода (а), а другой – присоединяет (б): а) CН3 – (СН2)6 – СН2 > СН3 – (СН2)5 – СН=СН2 + Н 1-октен б) CH3 – (CH2)6 – CH2 + H > CH3 – (CH2)6 – CH3 октан При температурах 700-1000°С проводят пиролиз (термическое разложение) нефтепродуктов, в результате которого получают главным образом легкие алкены – этилен, пропилен и ароматические углеводороды. При пиролизе возможно протекание следующих реакций: CH3 – CH3 > CH2 = CH2 +H2 CH3 – CH2 – CH(CH3) – CH3 > CH2 – CH(CH3) – CH3 + CH4 и т.д. 10. Каталитический крекинг. Расщепление молекул углеводородов протекает в присутствии катализаторов Главное внимание уделяют бензину. Его стараются получить больше и обязательно лучшего качества. Каталитический крекинг появился именно в результате долголетней, упорной борьбы нефтяников за повышение качества бензина. По сравнению с термическим крекингом процесс протекает значительно быстрее, при этом происходит не только расщепление молекул углеводородов, но и их изомеризация, т.е. образуются предельные углеводороды с разветвленным углеродным скелетом молекул, что улучшает качество бензина. Этим способом получают авиационный бензин с выходом до 80%. Такому виду крекинга подвергается преимущественно керосиновая и газойлевая фракции нефти. Бензин каталитического крекинга по сравнению с бензином термического крекинга обладает еще большей детонационной стойкостью, т.к. в нем содержатся углеводороды с разветвленной цепью углеродных атомов. В бензине каталитического крекинга непредельных углеводородов содержится
меньше, и поэтому процессы окисления и полимеризации в нем не протекают. 11. Риформинг. Риформинг – (от англ. reforming – переделывать, улучшать) промышленный
процесс переработки бензиновых и лигроиновых фракций нефти с целью
получения высококачественных бензинов и ароматических углеводородов. При
этом молекулы углеводородов в основном не расщепляются, а преобразуются. До 30-х годов 20 века риформинг представлял собой разновидность термического крекинга и проводился при 540°С для получения бензина с октановым числом 70-72. С 40-х годов риформинг – каталитический процесс, научные основы которого разработаны Н.Д. Зелинским, а также В.И. Каржевым, Б.Л. Молдавским. Впервые этот процесс был осуществлен в 1940 г в США. Его проводят в промышленной установке, имеющей нагревательную печь и не
менее 3-4 реакторов при t 350-520°С, в присутствии различных катализаторов:
платиновых и полиметаллических, содержащих платину, рений, иридий, германий
и др. во избежание дезактивации катализатора продуктом уплотнения коксом,
риформинг осуществляется под высоким давлением водорода, который
циркулирует через нагревательную печь и реакторы. В результате риформинга
бензиновых фракций нефти получают 80-85 % бензин с октановым числом 90-95, Для улучшения свойств бензиновых фракций нефти они подвергаются каталитическому риформингу, который проводится в присутствии катализаторов из платины или платины и рения. При каталитическом риформинге бензинов происходит образование ароматических углеводородов (бензола, толуола, ксилола и др.) из парафинов и циклопарафинов, например: CH3 – (CH2)5 – CH3 > C6H5CH3 + 4H2 Циклоалканы превращаются в ароматические соединения, подвергаются изомеризации, гидрированию. Ароматические углеводороды теряют при риформинге боковые цепи, например: C6H5CH3 + H2 > C6H6 + CH4 и т.д. Ранее основным источником получения ароматических углеводородов была
коксовая промышленность. В настоящее время из нефти получают тысячи продуктов. Основными группами являются жидкое топливо, газообразное топливо, твердое топливо (нефтяной кокс), смазочные и специальные масла, парафины и церезины, битумы, ароматические соединения, сажа, ацетилен, этилен, нефтяные кислоты и их соли, высшие спирты. Наибольшее применение продукты переработки нефти находят в топливно- энергетической отрасли. Например, мазут обладает почти в полтора раза более высокой теплотой сгорания по сравнению с лучшими углями. Он занимает мало места при сгорании и не дает твердых остатков при горении. Замена твердых видов топлива мазутом на ТЭС, заводах и на железнодорожном и водном транспорте дает огромную экономию средств, способствует быстрому развитию основных отраслей промышленности и транспорта. Бензин применяется в качестве горючего для двигателей внутреннего
сгорания. В зависимости от назначения он подразделяется на два основных
сорта: авиационный и автомобильный. Бензин используется также в качестве
растворителя масел, каучука, для очистки тканей от жирных пятен и т. п. Энергетическое направление в использовании нефти до сих пор остается
главным во всем мире. Доля нефти в мировом энергобалансе составляет более Однако в последние годы продукты переработки нефти все шире используются как сырье для химической промышленности. Около 8% добываемой нефти потребляются в качестве сырья для современной химии. Например, этиловый спирт применяется примерно в 150 отраслях производства. В химической промышленности применяются формальдегид, пластмассы, синтетические волокна, синтетический каучук, аммиак, этиловый спирт и т.д. Продукты переработки нефти применяются и в сельском хозяйстве. Здесь
используются стимуляторы роста, протравители семян, ядохимикаты, азотные
удобрения, мочевина, пленки для парников и т.д. В машиностроении и
металлургии применяются универсальные клеи, детали и части аппаратов из
пластмасс, смазочные масла и др. Широкое применение нашел нефтяной кокс,
как анодная масса при электровыплавке. Прессованная сажа идет на
огнестойкие обкладки в печах. В пищевой промышленности применяются
полиэтиленовые упаковки, пищевые кислоты, консервирующие средства, парафин,
производятся белково-витаминные концентраты, исходным сырьем для которых
служат метиловый и этиловый спирты и метан. В фармацевтической и
парфюрмерной промышленности из производных переработки нефти изготовляют
нашатырный спирт, хлороформ, формалин, аспирин, вазелин и др. Производные
нефтесинтеза находят широкое применение и в деревообрабатывающей,
текстильной, кожевенно-обувной и строительной промышленности. В последние годы (наряду с увеличением выработки топлива и масел)
углеводороды нефти широко используют как источник химического сырья. Нефть останется в ближайшем будущем основой обеспечения энергией народного хозяйства и сырьем нефтехимической промышленности. Здесь будет многое зависеть от успехов в области поисков, разведки и разработки месторождений. Но ресурсы нефти в природе ограничены. Бурное наращивание в течение последних десятилетий их добычи привело к относительному истощению наиболее крупных и благоприятно расположенных месторождений. VIII. Список литературы: 1) Энциклопедия для детей “Аванта+”, том 17, химия, Москва 2000г. 2) В.А. Динков, “Нефтяная промышленность вчера, сегодня, завтра”, 3) “Нефтяная промышленность”, Москва, ВНИИОЭНГ №1 1994г 4) Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2001г. (электронная энциклопедия на 2 CD) 5) Газета “Новости недели”, №4, 29.01.03-04.02.03, стр. 21 Приложение 3. Наглядное изображение лабораторных приборов для перегонки и крекинга нефти. Перегонка нефти (лабораторный опыт). Крекинг керосина (лабораторный опыт).
[pic]
|
ИНТЕРЕСНОЕ | |||
|