7.6. Промышленный органический синтез

7.6.1.Химическая переработка нефти. Общая характеристика нефтехимического комплекса. Первичная перегонка нефти. Каталитический реформинг углеводородов. Производство высших олефинов пиролизом углеводородов.

Во вводных лекциях отмечалось, что современные производства органических веществ базируются в основном на ископаемом органическом сырье – угле, нефти, природном газе.

Нефть как источник сырья промышленного органического синтеза занимает доминирующее положение в сырьевом балансе этой отрасли. Поэтому некоторые процессы ее переработки будут предметом нашего рассмотрения.

Нефть различных месторождений заметно отличается по фракционному составу – содержанию легких, средних и тяжелых фракций. Большинство нефтей содержит 15-20% бензиновых фракций, выкипающих до 180С, и 45-55% фракций, перегоняющихся до 300-350С.

Основные химические элементы, входящие в сосав нефти – углерод (82-87%), водород (11-14%), сера (0,1-7%), азот (0,001-1,8%), кислород (0,5-1%).

Общее количество алканов в нефтях достигает 30-50%, циклоалканов – от 25 до 75%. Арены содержатся, как правило, в меньшем количестве по сравнению с алканами и циклоалканами (10-20%).

Соотношения между группами углеводородов придает нефтям различные свойства и оказывают влияние на выбор метода переработки нефти и номенклатуру получаемых продуктов.

Нефть является основным источником сырья для нефтеперерабатывающих заводов при получении моторных топлив, масел и мазута. Нефть и продукты ее переработки служат также сырьем для синтеза многочисленных органических продуктов, полимерных материалов, пластмасс, синтетических каучуков и волокон, спиртов, растворителей и др.

В перспективе большая часть нефтепродуктов-энергоносителей может быть замещена альтернативными энергоносителями, в то время как замена нефтяного сырья в качестве источника получения ценных органических продуктов – проблематична и маловероятна. Более того, доля нефти, используемой в нефтехимических производствах, в ближайшие годы в мире возрастет до 8% и по прогнозам в 2020 г. достигнет 20-25%. В связи с этим происходит интеграция нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности и формирование нефтехимических комплексов.

Комбинирование нефтепереработки (первичная переработка, каталитический крекинг, реформинг) с нефтехимическими процессами (пиролиз, синтез мономеров, производство пластмасс и др.) значительно расширяет возможность выбора оптимальных схем глубокой переработки нефти, повышает гибкость производственных систем для получения моторных топлив или нефтехимического сырья, способствует увеличению их рентабельности. В настоящее время имеется большое число процессов и их комбинаций, которые потенциально могут обеспечить глубокую переработку нефти вплоть до 100%. Выбор структуры нефтехимического комплекса зависит от регионального и общего спроса на нефтепродукты, природы нефти, ее состава и природоохранных факторов.

Первичная переработка нефти.

Существуют первичная и вторичная переработки нефти. Первичными являются процессы разделения нефти на фракции перегонкой, вторичные процессы – это деструктивная (химическая) переработка нефти и очистка нефтепродуктов.

Перегонка нефти – первый технологический процесс переработки нефти. Это процесс разделения взаиморастворимых жидкостей на фракции, которые отличаются по температурам кипения.

При однократном испарении и последующей конденсации паров получают две фракции: легкую, в которой содержатся больше низкокипящих компонентов, и тяжелую, в которой содержится меньше низкокипящих компонентов, чем в исходном сырье. При этом достичь требуемого разделения компонентов нефти и получить конечные продукты, кипящие в заданных температурных интервалах с помощью перегонки нельзя. В связи с этим после однократного испарения нефтяные пары подвергают ректификации.

Ректификация – массообменный процесс разделения жидкостей, различающихся по температурам кипения, за счет противоточного многократного конденсирования паров и жидкости. Теплоту, необходимую для проведения процесса получают в трубчатых печах, оборудованных горелками. В зависимости от свойств перерабатываемой нефти ректификацию осуществляют либо на атмосферных трубчатых (АТ) установках, либо на установках сочетающих атмосферную и вакуумную перегонку – атмосферно-вакуумных трубчатых (АВТ) установках.

Нефть, как показано на рисунке 1 подается на перегонку через теплообменник, где она нагревается до 170-175С теплотой продуктов перегонки и поступает в трубчатую печь (1). Нагревая до 350С нефть подается в испарительную часть колонны (2), работающей под атмосферным давлением. Здесь происходит так называемое однократное испарение нефти. При впуске в испаритель нефть, нагретая в трубчатой печи, мгновенно испаряется вследствие резкого снижения давления; при этом расходуется часть тепла. Пары низкомолекулярных фракций устремляются вверх навстречу стекающей вниз жидкости – флегме, при соприкосновении с которой они охлаждаются и частично конденсируются. Жидкость при этом нагревается, и из нее испаряются более летучие фракции, т.е.

жидкость обогащается высококипящими углеводородами, а пары – легколетучими. По высоте колонны отбираются дистилляты различного состава в строго определенных интервалах температур. Так, при 300-350С конденсируется и отбирается соляровое масло, при 200-300С керосин, при 160-200С – лигроиновая фракция. Из верхней части колонны выводятся пары бензина, которые охлаждаются и конденсируются в теплообменниках (3) и (4). Часть жидкого бензина подают на орошение колонны (2). В ее нижней части собирается мазут, который подвергают дальнейшей перегонке для получения из него смазочных масел во второй ректификационной колонке (6), работающей по вакуумом. При перегонке мазута вакуум используется с целью предотвращения расщепления углеводородов под воздействием высоких температур. Предварительно мазут направляют во вторую трубчатую печь (5), где он нагревается до 400-420С. Образующиеся пары поступают в ректификационную колонну (6), в которой поддерживается остаточное давление 5,3-8,0 кПа. Стекающая вниз по колонне жидкость продувается острым водяным паром для облегчения условий испарения легких компонентов и снижения температуры в нижней части колонны. Ассортимент продуктов вакуумной перегонки мазута зависит от варианта переработки – масляной или топливной. По масляной схеме получают несколько фракций – легкий, средний и тяжелый масляные дистилляты; по топливной схеме получают одну фракцию, называемую вакуумным газойлем, используемым как сырье каталитического крекинга или гидрокрекинга. Дистилляты, получаемые по первой схеме, подвергают специальной очистке и затем смешивают в различных соотношениях для получения тех или иных сортов масел. Из нижней части колонны выводят остаток перегонки нефти. Гудрон используется как сырье для термического крекинга, коксования, производства битума и высоковязких масел.