книги / Технология глубокой переработки нефти и газа

сы, применяемые на современных НПЗ, по способу активации хи* мических реакций подразделяются на: ‘ i

2.1- термические;

2.2- каталитические.

Термические процессы по типу протекающих химических реак­ ций можно подразделить на следующие типы:

2.1.1- термодеструктивные (термический крекинг, висбрекинг, коксование, пиролиз, пекование, производство технического угле­ рода и др.);

2.1.2- термоокислительные (производство битума, газификация кокса, углей и др.).

В термодеструктивных процессах протекают преимущественно реакции распада (крекинга) молекул сырья на низкомолекулярные,

атакже реакции конденсации с образованием высокомолекулярных продуктов, например кокса, пека и др.

Каталитические процессы по типу катализа можно классифици­ ровать на следующие типы:

2.2.1- гетеролитические, протекающие по механизму кислотно­

го катализа (каталитический крекинг, алкилирование, полимериза­ ция, производство эфиров и др.);

2.2.2- гомолитические, протекающие по механизму окислитель­ но-восстановительного (электронного) катализа (производства водо­ рода и синтез газов, метанола, элементной серы);

2.2.3- гидрокаталитические, протекающие по механизму би­ функционального (сложного) катализа (гидроочистка, гидро­ обессеривание гидрокрекинг, каталитический риформинг, изо­ меризация, гидродеароматизация, селективная гидродепарафи­ низация и др.).

Головным процессом переработки нефти (после Э Л О У -эл ек ­ трообессоливающей установки) является атмосферная перегонка (А Т - атмосферная трубчатка), где отбираются топливные фрак­ ции (бензиновые, осветительного керосина, реактивного и дизель­ ного топлив) и мазут, используемый либо как компонент котель­ ного топлива, либо как сырье для последующей глубокой перера­ ботки. Топливные фракции атмосферной перегонки далее подвер­ гаются облагораживанию: гидроочистке от гетероатомных соеди­

111

нений, а бензины - каталитическому риформингу с целью повы­ шения их качества или получения индивидуальных ароматических углеводородов - сырья нефтехимии (бензола, толуола, ксилолов и др.). Из мазута путем вакуумной перегонки (на установках ВТ - вакуумной трубчатки) получают либо широкую фракцию (350 - 500°С) вакуумного газойля - сырья для последующей переработки на установках каталитического крекинга или гидрокрекинга с получением, главным образом, компонентов моторных топлив, либо узкие дистиллятные масляные фракции, направляемые да­ лее на последующие процессы очистки (селективная очистка, де­ парафинизация и др.) Остаток вакуумной перегонки - гудрон - служит при необходимости для получения остаточных масел или как сырье для глубокой переработки с получением дополнитель­ ного количества моторных топлив, нефтяного кокса, дорожного и строительного битума или же в качестве компонента котельного топлива.

Вопросы

1.Как определяется фракционирующий состав нефти?

2.Парафиновые углеводороды в нефтях и их распределение по фракциям.

3.Как распределены нафтеновае углеводороды по фракциям нефтей?

4.Как распределены ароматические углеводороды по фракциям нефтей?

5.Типы и распределение по фракциям нефтей серосодержащих соединений.

6.Типы азотистых соединений нефтей и их распределение по фракциям.

7.Как определяют групповой химический состав нефтяных остатков?

8.П еречислите наиболее сущ ественные отличия смол от асфальтенов.

112

Глава 4

КЛАССИФИКАЦИЯ И ТОВАРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕФТЕПРОДУКТОВ

4.1. Классификация товарных нефтепродуктов

Нефтеперерабатывающая промышленность вырабатывает ис­ ключительно большой ассортимент (более 500 наименований) газо­ образных, жидких и твердых нефтепродуктов. Требования к ним весьма разнообразны и диктуются постоянно изменяющимися ус­ ловиями применения или эксплуатации того или иного конкретного нефтепродукта.

Воснову классификации товарных нефтепродуктов могут быть положены различные принципы, например, по фазовому составу или способу их производства. Поскольку требования как к объему произ­ водства, так и к качеству товаров диктуют их потребители, то при­ нято классифицировать нефтепродукты по их назначению, т.е. по направлению их использования в отраслях народного хозяйства.

Всоответствии с этим различают следующие группы нефтепро­ дуктов:

1)моторные топлива;

2)энергетические топлива;

3)нефтяные масла;

4)углеродные и вяжущие материалы;

5)нефтехимическое сырье;

6)нефтепродукты специального назначения.

Моторные топлива в зависимости от принципа работы двигателей подразделяют на:

1.1.Карбюраторные (авиационные и автомобильные бензины);

1.2.Реактивные.

1.3.Дизельные.

Энергетические топлива подразделяются на:

2.1.Газотурбинные.

2.2.Котельные.

114

Нефтяные масла подразделяют на смазочные и несмазочные. Различают следующие подгруппы смазочных масел:

3.1.Моторные (для поршневых и для реактивных двигателей).

3.2.Трансмиссионные и осевые, предназначенные для смазки автомобильных и тракторных гипоидных трансмиссий (зубчатых передач различных типов) и шеек осей железнодорожных вагонов и тепловозов.

3.3.Индустриальные масла предназначены для смазки станков, машин и механизмов различного промышленного оборудования, работающих в разнообразных условиях и с различной скоростью и нагрузкой. По значению вязкости их подразделяют на легкие (швей­ ное, сепараторное, вазелиновое, приборное, веретенное, велосит и др.), средние (для средних режимов скоростей и нагрузок) и тяжелые (для смазки кранов, буровых установок, оборудования мартенов­ ских печей, прокатных станов и др.).

3.4.Энергетические масла (турбинные, компрессорные и ци­ линдровые) - для смазки энергетических установок и машин, рабо­

тающих в условиях нагрузки, повышенной температуры и воздей­ ствия воды, пара и воздуха.

Несмазочные (специальные) масла предназначены не для смаз­ ки, а для применения в качестве рабочих жидкостей в тормозных системах, в пароструйных насосах и гидравлических устройствах, в трансформаторах, конденсаторах, маслонаполненных электрокабе­ лях в качестве электроизолирующей среды (трансформаторное, кон­ денсаторное, гидравлическое, вакуумное), а также такие, как вазе­ линовое, медицинское, парфюмерное, смазочно-охлаждающие жид­ кости и др.

Углеродные и вяжущие материалы включают:

4.1.Нефтяные коксы.

4.2.Битумы.

4.3.Нефтяные пеки (связующие, пропитывающие, брикетные, волокнообразующие и специальные).

Нефтехимическое сырье. К этой группе можно отнести:

5.1.Ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы, на­ фталин и др.).

5.2.Сырье для пиролиза (нефтезаводские и попутные нефтя­ ные газы, прямогонные бензиновые фракции, олефинсодержащие газы и др.).

115

5.3. Парафины и церезины. Вырабатываются как жидкие (полу­ чаемые карбамидной и адсорбционной депарафинизацией нефтяных дистиллятов), так и твердые (получаемые при депарафинизации масел). Жидкие парафины являются сырьем для получения белко­ вовитаминных концентратов, синтетических жирных кислот и по­ верхностноактивных веществ.

Нефтепродукты специального назначения подразделяются на:

6.1.Термогазойль (сырье для производства технического уг­

лерода).

6.2.Консистентные смазки (антифрикционные, защитные и уп­ лотнительные).

6.3.Осветительный керосин.

6.4.Присадки к топливам и маслам, деэмульгаторы.

6.5.Элементная сера.

6.6.Водород и др.

4.2. Основы химмотологии моторных топлив и смазочных масел

4.2.1. Химмотология - новая отрасль знаний

В потреблении нефтепродуктов более 50% в настоящее время составляют моторные топлива. Ежегодно в мире потребляется около 1,5 млрд т моторных топлив, сжигаемых в многомиллионных двига­ телях внутреннего сгорания (ДВС), установленных в автомобильных, железнодорожных и авиационных транспортных машинах, речных

иморских судах, сельскохозяйственной, строительной и военной технике и т.д. В настоящее время и в перспективе возможностей для удовлетворения потребностей в топливах и смазочных маслах (ТСМ) за счет увеличения объемов нефтепереработки (т.е. экстенсивного развития) практически исчерпаны. Углубление и химизация пере­ работки нефти позволяет только частично, но не полностью, особен­ но в перспективе, решить проблему обеспечения народного хозяй­ ства ТСМ. Для преодоления несоответствия между потребностями в ТСМ и возможностями нефтепереработки необходимы совместные усилия прежде всего производителей как ТСМ, так и ДВС, а также их потребителей. Для решения этой актуальной проблемы примени­ мы следующие три направления сбалансированного развития ТСМ

иДВС и их потребления:

116

1.Увеличение ресурсов ТСМ путем: углубления и химизации переработки нефти;

-оптимизации качества ТСМ с целью расширения ресурсов и снижения фактического их расхода при эксплуатации ДВС.

2.Снижение расхода ТСМ в ДВС путем:

-дизелизации автомобильного парка;

-конструктивного усовершенствования ДВС и транспортной техники;

-экономичной эксплуатации ДВС, техники и рациональным

3.Применение таких альтернативных топлив, как.'ф*

-газообразные углеводородные топлива и водород; у;,

-топливо из углей, сланцев и других ненефтяных горючих иско­ паемых;

-кислородсодержащие топлива и их компоненты (спирты, эфи­ ры и др.).

Для решения достаточно сложных инженерно-технических и научных задач по перечисленным выше направлениям возникла и развивается новая самостоятельная отрасль науки, получившая на­ звание химмотологии.

Химмотология - это наука об эксплуатационных свойствах, ка­ честве и рациональном применении в технике топлив, масел, смазок и специальных жидкостей.

Химмотология опирается на такие науки, как химическая тех­ нология топлив и масел, физическая химия горения топлив, тепло­ техника, машиноведение, квалиметрия (наука о качестве продукции), трибология (наука о трении и износе механизмов), экономика и эко­ логия и т.д. Она является по существу связующим и координирую­ щим звеном в химмотологической системе ТСМ - ДВС -эксплуата­ ция.

Кважнейшим задачам химмотологической науки относятся:

-установление химмотологических закономерностей процессов, происходящих в ДВС и механизмах при применении ТСМ, совер­ шенствование конструкции и повышение надежности и долговечности ДВС;

-разработка и технико-экономическое обоснование опти­ мального уровня эксплуатационных свойств ТСМ, совершенство­ вание стандартов и технических условий, а также методов испыта­ ний ТСМ в стендовых и эксплуатационных условиях и т.д.

117

Что такое качество ТСМ? Под качеством ТСМ понимается сово­ купность свойств, обусловливаю щ их их пригодность для ис­ пользования по назначению. В этом химмотологическом определе­ нии подчеркивается главное назначение ТСМ - удовлетворять оп­ ределенные потребности общества.

Всю совокупность свойств ТСМ, определяющих их качество, можно подразделить на следующие три группы: 1) физико-хими­ ческие; 2) эксплуатационные; 3) технические.

К физико-химическим относятся свойства, характеризующие состояние ТСМ и их состав (плотность, вязкость, теплоемкость, эле­ ментный, фракционный и групповой углеводородный составы и т.д.). Эти методы позволяют косвенно судить о том или ином эксплуата­ ционном свойстве. Например, по фракционному составу судят о пус­ ковых свойствах бензинов, по плотности реактивного топлива - о дальности полета и т.д.

Эксплуатационные свойства ТСМ призваны обеспечить на­ дежность и экономичность эксплуатации двигателей, машин и ме­ ханизмов, характеризуют полезный эффект от их использования по назначению и определяют область их применения (испаряемость, горючесть, воспламеняемость, детонационная стойкость, прокачиваемость, склонность к образованию отложений и т.д.).

Для оценки эксплуатационных свойств ТСМ применяются:

-квалификационные (лабораторные) методы оценки. Они бази­ руются на использовании различных модельных установок (в т.ч. одноцилиндровых ДВС) и специальных лабораторных приборов, позволяющих в заданных условиях (иногда в экстремальных) про­ водить сравнительную оценку эксплуатационных свойств опытных

иэталонных образцов ТСМ;

-стендовые методы испытания опытных образцов ТСМ, прово­ димые на натурных двигателях и механизмах по специальным про­ граммам;

-эксплуатационные испытания ТСМ, проводимые на натурной технике в реальных условиях ее эксплуатации по специальным про­ граммам.

Кразновидностям эксплуатационных испытаний ТСМ можно отнести: заводские, заводские ходовые, лабораторно-дорожные, по­ лигонные, контрольно-летние испытания, опытная эксплуатация техники, эксплуатация под наблюдением и другие.

118

Технические свойства ТСМ проявляются в процессах хранения и транспортирования и длительной эксплуатации (иногда называют их как экологические свойства). К ним относятся:

-физическая и химическая стабильность, биологическая стой­ кость;

-токсичность, пожаро-взрывоопасность, склонность к элек­ тризации, коррозионная активность и т.д.

Необходимо отметить, что не все свойства равноценны при оцен­ ке качества ТСМ. Принято наиболее важный показатель качества использовать при маркировке ТСМ. Например, для автомобильных бензинов наиболее важным эксплуатационным показателем каче­ ства является детонационная стойкость, поэтому она нашла отраже­ ние в марках бензинов в виде цифр, характеризующих октановое число. Для дизельных же топлив определяющим свойством являет­ ся температура застывания, которую и указывают при их маркиров­ ке (летние, зимние или арктические топлива) и т.д.

4.2.2.Классификация и принципы работы тепловых двигателей

Тепловые двигатели предназначены для преобразования тепло­ вой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую. Тепловые двигатели подразделяют на двигатели с внешним сгора­ нием (паровые машины, паровые турбины) и двигатели внутреннего сгорания.

Наибольшее распространение среди тепловых двигателей полу­ чили двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях основные процессы - сжигание топлива, выделение теплоты и ее преобразова­ ние в механическую работу - происходят непосредственно внутри двигателя. Такие двигатели используют во всех видах транспорта: автомобильном, железнодорожном, водном и авиационном, а также в сельскохозяйственном производстве, в строительстве и в других отраслях народного хозяйства.

ДВС подразделяются на: 1)двигатели с периодическим сгорани­ ем топлива (поршневые); 2) двигатели с непрерывным сгоранием топлива.

Первая группа ДВС, в свою очередь, подразделяется на: а) дви­ гатели с принудительным воспламенением (карбю раторные); б) двигатели с самовоспламенением - быстроходные и тихоходные дизели.

П9

Поршневые ДВС состоят (рис. 4.1) из камеры сгорания 1, газораспределительных клапанов (впускных и выпускных) 2 и кри­ вошипно-шатунного механизма: цилиндра 3, поршня 4, шатуна 5, коленчатого вала 6, картера 7, маховика и т.д. Для обеспечения рабочего цикла ДВС имеют системы пита­ ния, зажигания, смазки и охлаждения.

Вторая группа ДВС подразделяется на: а) реактивные двигатели (ракетные и воз­ душно-реактивные); б) газовые турбины (транспортные и стационарные).

Двигатели с принудительным воспламе­ нением ^карбюраторные).

В двигателях этого типа воспламенение смеси топлива и воздуха осуществляется от внешнего источника - электрической искры (свечи), а процесс смесеобразования проис­ ходит вне цилиндра в специальном устрой­ стве - карбюраторе (либо во впускном тру­ бопроводе или камере сгорания, куда бен­ зин впрыскивается с помощью форсунки). Непосредственный впрыск применяется в

авиационных поршневых двигателях и в некоторых зарубежных мо­ делях ДВС. Карбюратор служит для дозирования и распыливания, частичного испарения и смешения бензина с воздухом. Полученная в карбюраторе горючая смесь поступает в цилиндр в такте впуска. Далее горючая смесь подвергается сжатию (до е=7-9), при этом топ­ ливо полностью испаряется, перемешивается и нагревается. В кон­ це такта сжатия в камеру сгорания подается от свечи электрическая искра, от которой смесь воспламеняется и сгорает. В результате рез­ ко повышается температура и давление над поршнем. Под действи­ ем давления поршень перемещается в цилиндре (рабочий ход) и со­ вершает полезную работу. Затем поршень выталкивает продукты сгорания в атмосферу (выпуск). Рабочие такты двигателя регулиру­ ются с помощью впускных и выпускных клапанов.

В четырехтактном двигателе рабочий такт совершается за счет энергии сгорания топлива. Остальные такты рабочего цикла совер­ шаются за счет энергии маховика, укрепленного на коленчатом валу.

120