Вы можете написать и разместить на портале статью.

Убедительно просим не присылать статьи из интернета - их можно найти поисковыми машинами. Напишите свою, интересную и уникальную статью. Сфотографируйте и опишите лабораторную работу по физике, или химии, пришлите фотографии Вашей самоделки....
шлите статьи на адрес we@guru.ua

Как происходит очистка нефти

Вы, должно быть, видели в кино или смотрели передачу по телевизору, где показывали как добывают нефть, когда толстый, черный поток неочищенной нефти бьет фонтаном из под земли через скважину. Но почему-то когда мы заливаем в машину бензин, который изготовляют из нефти, жидкость совершенно прозрачна. Из нефти также изготовляют и другие продукты, например, топливо для реактивных двигателей, пластмассу, керосин, синтетическое волокно и шины. Но как из черной сырой нефти изготовить прозрачный бензин и другую продукцию?

В этой статье мы расскажем Вам, как происходит очищение нефти, какие при этом происходят химические реакции, и какое используют оборудование для производства другой продукции из нефти.

Неочищенная (сырая) нефть

Стандартное соотношение компонентов в сырой нефти:
Углерод - 84%
Водород - 14%
Сера - от 1 до 3% (сульфид водорода, сульфиды, бисульфиды, простая сера)
Азот – менее 1%
Водород - менее 1% (содержится в органических веществах, например,
углекислом газе, феноле, кетоне, карбоновых кислотах) Металлы – менее 1% (никель, железо, ванадий, медь, мышьяк)
Соли - менее 1% (хлорид натрия, хлорид магния, хлорид кальция)
Термин «сырая нефть» означает нефть, не подвергшуюся обработке, которая только что была получена из земли. Сырая нефть считается ископаемым топливом, это означает, что она образуется природным путем из растений и остатков животных в течение миллионов лет. Поэтому самыми большими местонахождениями нефти считаются бывшие моря. Сырая нефть бывает нескольких цветов – от чистой и до темной смолистой, а также различается по вязкости – от водянистой до практически твердой.

Разные виды сырой нефти используют для производства большинства других продуктов, поскольку в ней содержится углеводороды. Углеводороды - это класс органических соединений, состоящих из молекул углерода и водорода разной длины и разного строения.

Химики используют углеводороды по двум причинам: 1. Углеводороды содержат много энергии. Многие продукты, полученные из сырой нефти, например, бензин, дизельное топливо, твердый парафин и т.д. обеспечивают нас энергией.
2. Углеводороды могут принимать множество различных форм.

Наименьшим углеводородом считается метан (CH4) - газ, легче воздуха. Углеводороды с более длинными цепочками с пятью или более углеродами являются жидкостью. Очень длинные цепи – твердые вещества, например, воск и смола

Из углеводорода химическим путем можно получить практически любой материал, начиная от синтетического каучука до нейлона и вплоть до пластмассы.

Основные классы углеводородов в сырой нефти:

Керосины(Парафин}
-- общая формула: CnH2n+2 (n - целое число, обычно от 1 до 20),
-- молекула с разветвленной цепью
-- может находится в жидком и газообразном состоянии при комнатной температуре в зависимости от молекулы
-- примеры: метан, этан, пропан, бутан, изобутан, пентан, гексан
Ароматические углеводороды
-- общая формула: C6H5 - Y (Y - более длинная, прямая молекула, связанная с кольцом бензола),
-- имеет кольцевую структуру с одним или более кольцами
-- кольца содержат по шесть углеродистых атомов, с чередованием двойных и единичных связей между углеродом
-- обычно жидкость
-- примеры: бензол, нафталин
Нафины или Циклоалканы
-- общая формула: CnH2n (n - целое число обычно от 1 до 20),
-- кольцевая структура с одним или более кольцами
-- кольца имеют только одну связь между атомами углерода
-- при комнатной температуре обычно находятся в жидком состоянии
-- примеры: циклогексан, метил циклопентан
Другие углеводороды
Алкены
-- общая формула: CnH2n (n - целое число обычно от 1 до 20),
-- линейная молекула или молекула с разветвленной цепью с одной
углеродистой двойной связью -- может быть как жидкостью, так и газом
-- примеры: этилен, бутен, изобутен
Диены и алкины
-- общая формула: CnH2n-2 (n - целое число обычно от 1 до 20),
-- линейная молекула или молекула с разветвленной цепью с двумя углеродистыми двойными связями
-- может быть жидкостью или газом
--например: ацетилен, бутадиены
Теперь, когда мы разобрались в том, из чего состоит сырая нефть, давайте взглянем на продукты, которые можно из нее изготовить.

Продукты из сырой нефти

Первая трудность, с которой сталкиваются производители, состоит в том, что сырая нефть состоит из сотен нескольких типов углеводородов, смешанных воедино. Прежде чем, получить хоть что-то стоящее, необходимо разделить все эти типы углеводородов. К счастью в этом человеку помогает химия. Разъединить цепи можно с помощью химической реакции, вся эта процедура называется очищением нефти.

Процесс очистки нефти начинается с фракционирующей дистилляционной колонны.

Независимо от длины цепи углеводорода, все цепи имеют высокие точки кипения, поэтому их всех можно разделить при помощи процесса дистилляции (перегонки нефти). За счет нагревания цепи начинают размыкаться при их температурах испарения. Каждая длина цепи имеет свою особенность, что делает ее неповторимой и благодаря чему ее можно использовать в других целях.

Для того чтобы понять все компоненты сырой нефти, и понять, почему очистка сырой нефти настолько важна для нас, следует рассмотреть список продуктов, которые можно изготовить из сырой нефти:

Нефтяной газ – газ, используемый для отопления помещений, приготовления пищи, и производства различных изделий.

-- небольшие алканы (1 – 4 атома углерода)
-- самый известные нефтяные газы – метан, этан, пропан, бутан
-- точка кипения = меньше чем 104 градуса Фаренгейта / 40 градусов Цельсия
-- способен под давлением превращаться в жидкость, например, сжиженный нефтяной газ
Керосин или лигроин – промежуточный продукт, используемый для производства бензина
-- соединение из 5 - 9 углеродистых алканов атома
-- точка кипения = 140 - 212 градусов Фаренгейта / 60 - 100 градусов Цельсия
Бензин - моторное топливо
-- жидкость
-- соединение из алканов и циклоалканов (5 - 12 атомов углерода)
-- точка кипения = 104 - 401 градусов Фаренгейта / 40 - 205 градусов Цельсия
Керосин – топливо, используемое в реактивных самолетах и тракторах; начальный материал для производства других продуктов
-- жидкость
-- соединение из алканов (10 - 18 углеродов) и ароматических углеводородов
-- интервал кипения = 350 - 617 градусов Фаренгейта / 175 - 325 градусов Цельсия

Газовое масло или дизельный продукт перегонки – используется для получения дизельного топлива и печного топлива, а также исходный материал для производства других продуктов.
-- жидкость
-- алканы содержат 12 или больше атомов углерода
-- интервал кипения = 482 - 662 градусов Фаренгейта / 250 - 350 градусов Цельсия
Смазочные материалы – используют для производства моторного масла, жира и других смазок
-- жидкость
-- длинные цепи (20 – 50 атомов углерода) алканов, циклоалканов, ароматических углеводов
-- точка кипения = 572 - 700 градусов Фаренгейта / 300 - 370 градусов Цельсия
Тяжелый газ или нефтяное топливо – используют в качестве индустриального топлива; сырьевой материал для изготовления других продуктов
-- жидкость
-- длинные цепи (20 – 70 атомов углерода) алканов, циклоалканов, ароматических углеводов
-- интервал кипения = 700 - 1112 градусов Фаренгейта / 370 - 600 градусов Цельсия
Остаточный продукт - кокс, асфальт, смола, воск; сырьевой материал для производства других продуктов
-- твердое вещество
-- многокольцевые компоненты с 70 или более атомами углерода
-- точка кипения = более 1112 градусов Фаренгейта / 600 градусов Цельсия
Как видно из спецификации этих продуктов, каждый продукт имеет свой отличительный размер и точку кипения. Во время процесса очистки нефти химики учитывают все эти свойства продуктов и используют их по своему усмотрению.

к содержанию

Как уже было сказано, в барреле сырой нефти содержатся все виды углеводородов. Во время перерабатывания нефти происходит разделения всех этих видов углеводорода, в результате чего получаются сырьевые продукты, используемые для дальнейшего производства полезных веществ. Процесс очистки нефти включает следующие этапы:

1. Самый старинный и наиболее используемым считается способ разделения продуктов на различные компоненты (называемые фракциями) при помощи температуры. За счет разницы температуры кипения компонентов одного вещества, можно получить необходимый вам продукт из этого вещества. Этот процесс называется фракционной перегонкой. Вначале, сырую нефть нагревают до определенной температуры, в результате чего она начинает испаряться, а затем конденсируют пар, т.е. превращают пар в жидкость.

2. Более новые методы позволяют с помощью химической обработки из одних фракций получать другие. Этот процесс переработки нефти называют конверсией. При помощи химической обработки можно, например, более длинные цепи разбить на несколько коротких цепей. Благодаря такому процессу нефтеперерабатывающий завод превращает дизельное топливо в бензин. То на сколько частей будут разбиты длинные цепи, определяет качество бензина.

3. Нефтеперерабатывающие заводы должны пересмотреть каждую фракцию и удалить оставшиеся в ней примеси.

4. Нефтеперерабатывающие заводы комбинируют различные фракции (обработанные и необработанные) в смеси, из которых в дальнейшем изготавливают желаемые продукты. Например, из комбинации нескольких различных цепей можно изготовить разные виды бензина с различным уровнем содержания в нем октана.

Обработанные продукты хранятся на месте эксплуатации до тех пор, пока их не поставят на различные рынки, например, на бензоколонки, в аэропорты и на химические заводы. Помимо производства нефтепродуктов, нефтеперерабатывающие заводы должны позаботится о ликвидации оставшихся после переработки нефти отходов, позаботится о том, чтобы эти отходы как можно меньше загрязняли воздух и воду.

Фракционная перегонка

Различные компоненты сырой нефти имеют различные размеры, вес и температуру кипения. Фракционная перегонка в первую очередь заключается в том, чтобы разделить все эти компоненты. Поскольку каждый компонент сырой нефти обладает своей температурой кипения, то их можно разделить при помощи фракционной перегонки или дистилляции. Фракционная перегонка заключается в следующем:

1. Смесь из двух или более компонентов (в данном случае жидкостей) с разной точкой кипения необходимо нагреть до высокой температуры. Обычно нагревание производится паром высокого давления до температуры приблизительно 1112 градусов Фаренгейта / 600 градусов Цельсия.

2. Смесь начинает кипеть, в результате чего образуются пары (газы).

3. Затем пар попадает на дно длинной колонны (ректификационная колонна) с маслосборниками и тарелками.

• В маслосборниках имеются специальные отверстия или колпачки барботажной ректификационной колонны через которые выходит пар.
• Масляные лотки (маслосборники) накапливают жидкости, которые формируются на различных уровнях высоты колонны.
• Температура по всей длине колонны не одинакова (самая горячая точка – у основания, наверху температура гораздо меньше).
4. Затем пар поднимается вверх по колонне.
5. Когда пар проходит через подносы (маслосборники) в колонне, он постепенно охлаждается.
6. Когда вещества, содержащиеся в паре, достигают определенной высоты, на которой температура в колонне равняется точке кипения этого вещества, происходит конденсация пара, т.е. превращение пара в жидкость. При чем вещества с самой низкой точкой кипения начинают конденсироваться на самой высокой точке колонны; и соответственно, вещества с более высокими точками кипения конденсируются на нижнем уровне колонны.
7. Подносы собирают различные фракции жидкости.
8. Собранные фракции жидкости могут:
-- дальше перейти на конденсаторы, где они еще раз будут охлаждены, а затем залиты в резервуары для хранения
-- перейти на следующий уровень химической обработки.
Фракционная дистилляция помогает разделить компоненты веществ даже с небольшой разницей температуры кипения и играет очень важную роль в процессе переработки сырой нефти.
Однако, после фракционной переработки лишь не многие получившиеся продукты идут прямо на рынок. Многие из них еще подлежат дальнейшей химической обработке, в результате которой получаться новые фракции. Например, только 40 % дистиллированной сырой нефти - бензин; однако, бензин - один из главных продуктов, производимых нефтяными компаниями. Вместо того, чтобы непрерывно дистиллировать большие количества сырой нефти, нефтяные компании химически обрабатывают некоторые фракции, полученные в результате дистилляции в ректификационной колонне, для получения бензина; благодаря химической обработке из одного барреля сырой нефти получается больше бензина, чем если получать бензин при помощи дистилляции.

Химическая обработка

Превратить одну фракцию в другую можно тремя способами: -- за счет дробления больших углеводородов на мелкие части (крекинг) -- за счет объединения мелких частей для создания одного большого углеводорода (унификация или объединение) -- за счет изменения различных частей для создания желаемых углеводородов (деформация или изменение)

Крекинг

Крекинг – это переработка нефти и тяжелых нефтепродуктов с целью получения моторных топлив и сырья для химической промышленности, которая заключается в дробление больших углеводородов на мелкие части. В результате крекинга большие цепи раскалываются на несколько небольших цепей.

Различают несколько типов крекинга:

Тепловой – когда большие углеводороды нагревают при высоких температурах (иногда также при высоком давление) до тех пор, пока не происходит их раскол.

-- Паровой – когда используется пар при температуре кипения не менее 1500 градусов Фаренгейта / 816 градусов Цельсия, который используют для превращения таких газов как этан, бутан и напта в этилен и бензол, необходимые для производства химических реагентов.

-- Лёгкий крекинг – остаточные продукты после процесса дистилляции нагревают до температуры 900 градусов Фаренгейта / 482 градуса Цельсия, охлаждают газовым маслом и быстро погружают в ректификационную колонну. Легкий крекинг понижает вязкость нефтепродуктов и производит смолу.

-- Коксование – полученные в ректификационной колонне продукты нагревают до температуры свыше 900 градусов Фаренгейта / 482 градуса Цельсия до тех по, пока не начинается процесс «раскалывания» продуктов на тяжелую нефть, бензин и керосин. Таким образом получают почти чистый углеродистый остаток (кокс); затем кокс счищают с коксовика и продают. Каталитический – когда для ускорения протекания химической реакции применяют катализатор. К катализаторам относится цеолит, алюминиевый гидросиликат, боксит (алюминиевая руда) и др.

-- Крекинг с флюидизированным катализатором - горячий, жидкий катализатор (1000 градусов Фаренгейта / 538 градусов Цельсия) превращает тяжелое газовое масло в дизельное топливо и бензин.

-- гидрокрекинг подобен крекингу с флюидизированным катализатором, но в отличие от первого способа гидрокрекинг использует другой катализатор, протекает при более низкой температуре и более высоком давлении, а также использует водородный газ. Во время гидрокрекинга необработанная тяжелая нефть превращается в бензин и керосин (топливо для реактивных самолетов).

После того, как различные углеводороды были раздроблены на более мелкие, полученные продукты поступают в другую фракционную колонну дистилляции, где происходит их дальнейшее деление.

Унификация

В некоторых случаях необходимо, наоборот, из нескольких мелких частей создать один целый углеводород, такой процесс обработки нефти называется унификацией. В свою очередь в процессе унификации большую роль играет еще один процесс – каталитический реформинг с использованием специальных катализатор (например, платина, смесь платины и рения). Под действием катализаторов происходит смешение легкого керосина с ароматическими углеводородами. В результате этой реакции образуется не менее важный побочный продукт - водородный газ, который используют для гидрокрекинга или просто поставляют на рынок и продают.

Деформация

В некоторых случаях структуры молекул в одной фракции деформируются для создания другой молекулярной структуры. Такой процесс деформации структуры молекулы называется алкилированием. При алкилировании, соединения с низкой молекулярной массой, типа пропилена и бутилена, смешиваются под действием катализатора, например, гидрофтористой или серной кислоты (побочный продукт, оставшийся после очищения примесей во многих нефтяных продуктах). Продуктами алкилирования являются углеводороды октана, которые используются в бензиновых смесях для уменьшения стука, например, двигателя.

Рассмотрев, как происходит обработка и изменение фракций, перейдем к тому, что же дальше происходит с полученными продуктами и как из них изготовляют бытовую и другую продукцию.

Технологическая обработка и смешивание фракций

Фракции, прошедшие процесс дистилляции и химической обработки, подвергаются технологической очистке, необходимой для удаления примесей вроде органических соединений, содержащих серу, азот, кислород, воду, растворенные металлы и неорганические соли. Во время технологической обработки фракции проходят следующие стадии:

-- колонна серной кислоты – когда происходит удаление ненасыщенных углеводородов (как правило, это углеводороды с двойными углеродистыми связями), смесей с содержанием азота, кислорода и остаточных твердых частиц (смолы, асфальт).

--в абсорбционной колонне осушители удаляют оставшуюся воду

-- серная обработка и сероводородный газоочиститель (скруббер) удаляют серу

После технологической очистки фракции охлаждают и начинают смешивать. Из полученных смесей в последствие изготавливают различную продукцию, например, различные сорта бензина с добавками и без смазочные масла различных весов и сортов (например 10W-40, 5W-30) разные сорта керосина реактивное топливо дизельное топливо печное топливо; топливо коммунально-бытового назначения разные сорта химических реагентов для изготовления пластмассы и другие полимеры

к содержанию