Топливо – горючие вещества, выделяющие при сжигании значительное количество теплоты, которая используется непосредственно в технологических процессах или преобразуется в другие виды энергии. Существует много горючих веществ, однако к топливу относят только те, которые достаточно широко распространены в природе, причем добыча их не связана с большими затратами, а продукты сгорания практически безвредны. Таким требованиям отвечают вещества, основная часть которых – углерод. К ним относятся полезные ископаемые органического происхождения – бурый уголь, горючие газы, горюче сланцы, каменный уголь, нефть, торф, а также древесина и растительные отходы (солома, лузга, и др.).
Природное органическое топливо – основной источник теплоты, используемой человечеством. На сырье из природного топлива почти полностью базируется нефтехимическая промышленность, производство смазочных материалов и т.д.
Нефть – горючая, маслянистая жидкость со специфическим запахом, распространённая в осадочной оболочке Земли, являющаяся важнейшим полезным ископаемым. Образуется вместе с газообразными углеводородами, обычно на глубинах более 1,2-2 км. Вблизи земной поверхности нефть преобразуется в густую мальту, полутвёрдый асфальт и др.
Бензин (франц. benzine ) – это самая легкая из жидких фракций нефти, смесь углеводородов различного строения, бесцветная жидкость с пределами кипения 33—205°С. Температура замерзания бензина ниже -60°С, температура вспышки ниже 0°С, плотность 700—780 кг/м3 (0,70—0,78 г/см3).
Основной источник получения бензина — перегонка и каталитическая переработка нефти, также небольшие количества бензина получают переработкой каменных углей и горючих сланцев, и из природных и попутных газов. Обычный углеводородный состав бензина – молекулы длиной от С5 до С10. Бензин применяют главным образом в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры (карбюраторные и с непосредственным впрыском).
Около 10% бензина используют как растворители, промывочные жидкости и для др. целей. Но бензины отличаются друг от друга, как по составу, так и по свойствам, ведь их получают не только как продукт первичной возгонки нефти. Бензин получают из попутного газа (газовый бензин) и из тяжелых фракций нефти (крекинг-бензин)
Переработка нефти
... очистки и газофракционирования используется для технологических или бытовых нужд. Компоненты автомобильного (или авиационного) бензина после стабилизации компаундируются с другими компонентами и используются в качестве товарных топлив. ...
Бензины являются одним из основных видов горючего для двигателей современной техники. Автомобильные и мотоциклетные, лодочные и авиационные поршневые двигатели потребляют бензины. В настоящее время производство бензинов является одним из главных в нефтеперерабатывающей промышленности и в значительной мере определяющим развитие этой отрасли.
Современные автомобильные и авиационные бензины должны удовлетворять ряду требований, обеспечивающих экономичную и надежную работу двигателя, и требованиям эксплуатации: иметь хорошую испаряемость, позволяющую получить однородную топливовоздушную смесь оптимального состава при любых температурах; иметь групповой углеводородный состав, обеспечивающий устойчивый, бездетонационный процесс сгорания на всех режимах работы двигателя; не изменять своего состава и свойств при длительном хранении и не оказывать вредного влияния на детали топливной системы, резервуары, резинотехнические изделия и др. В последние годы экологические свойства топлива выдвигаются на первый план.
Раздел 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА
Нефть — не одно химическое соединение, а смесь нескольких тысяч разных соединений. Если нагреть нефть до температуры кипения и выдерживать её в этом состоянии, она полностью не испарится.
Большинство веществ, входящих в состав нефти, — это определённые комбинации атомов углерода и водорода, которые называются углеводородами. Каждое из этих соединений характеризуется своей собственной температурой кипения.
Как правило, чем больше атомов углерода в соединении, тем выше его температура кипения.
Определённые соединения объединяются в группы, называемые фракциями. Фракция объединяет все соединения, которые кипят между какими-либо двумя температурами. Обычно сырая нефть содержит
— температура кипения менее 32°С — углеводородные газы (бутан и более лёгкие газы)
— 32-105°С — бензин
— 105-160°С — нафта
— 160-230°С — керосин
— 230-430°С — газойль
— выше 430°С — мазут.
Различные нефти сильно различаются по составу. В лёгких нефтях обычно больше бензина, нафты и керосина, а в тяжёлых — газойля и мазута.
При простой перегонке смесь нагревают до кипения. Светлый продукт испаряется. В виде пара он оказывается легче жидкости. Поэтому он перемещается вверх, отделяется от жидкости и попадает в холодильник, где охлаждается и снова превращается в жидкость (конденсируется).
Полученную жидкость можно снова перегнать, получив продукт качеством выше. Такой процесс можно превратить в непрерывный.
Ректификация. Ректификационная колонна позволяет проводить перегонку постоянно. Внутрь колонны поступает сырая нефть, а наружу выходят углеводородные газы (бутан и более лёгкие газы), бензин, нафта, керосин, лёгкий газойль, тяжёлый газойль и кубовый остаток.
Сначала нефть проходит через печь, в которой нагревается до температуры около 385°С, при которой, как правило, испаряется больше половины нефти. Полученная таким образом смесь жидкости и паров подаётся снизу в ректификационную колонну. Когда смесь пара и жидкости поднимается по колонне, то более плотная и тяжёлая часть отделяется и опускается на дно, а лёгкие пары поднимаются вверх.
Расчет ректификационной колонны (2)
... в любом сечении ректификационной колонны. 2. при конденсации пара в дефлегматоре изменения его состава не происходит, то есть состав пара, выходящего из верхней части колонны, равен составу ... виде кубового остатка. При описании и расчетах процессов, осуществляемых в ректификационных аппаратах при противоточном взаимодействии потоков жидкости и пара принимают следующие допущения: 1. мольные теплоты ...
Внутри ректификационной колонны находится набор тарелок, в которых проделаны отверстия. Отверстия в тарелках снабжены колпачками, которые нужны для того, чтобы пары, поднимающиеся через тарелки, проходили через слой жидкости, находящийся на тарелке. Это прохождение газа через слой жидкости и составляет суть ректификации: горячие пары (при температуре не ниже 400°С) проходят через жидкость. При этом тепло передаётся от паров к жидкости. Соответственно пузырьки пара несколько охлаждаются и часть углеводородов из них переходит в жидкое состояние. После того как пары прошли через слой жидкости и потеряли часть более тяжёлых углеводородов, они поднимаются к следующей тарелке, где повторяется тот же процесс.
Тем временем количество жидкости на каждой тарелке растёт за счёт углеводородов, конденсирующихся из паров. Избыток жидкости перетекает вниз на следующую тарелку. Некоторые молекулы несколько раз путешествуют туда и обратно — в виде пара поднимаются на несколько тарелок вверх, затем конденсируются и стекают уже как жидкость на несколько тарелок вниз. Именно эта промывка пара жидкостью обеспечивает чёткое разделение фракций.
На различных уровнях колонны
Несколько дополнительных операций, происходящих вне ректификационной колонны, способствуют более успешному проведению процесса перегонки. Чтобы тяжёлые продукты случайно не попали в верхнюю часть колонны вместе с лёгкими фракциями, пары периодически направляют в холодильник. Вещества, которые конденсируются в холодильнике, снова поступают на одну из расположенных ниже тарелок. Это своего рода орошение ректификационной колонны.
И наоборот, некоторое количество лёгких углеводородов может быть увлечено током жидкости в нижнюю часть колонны вместе с тяжёлыми продуктами. Чтобы избежать этого, жидкость, выходящую через боковой отвод, снова пропускают через нагреватель. В результате остатки лёгких углеводородов отделяются и повторно поступают в ректификационную колонну в виде пара. Этот процесс называется повторным испарением.
Границами кипения фракций называют температуры, при которых продукты перегонки отделяются друг от друга. В частности, температура, при которой продукт начинает кипеть, называется точкой начала кипения. Температура, при которой 100% данной фракции испарилось, называется точкой выкипания этой фракции. Точка начала кипения и точка выкипания двух соседних фракций совпадают, по крайней мере, номинально.
Однако они могут и не совпадать — это зависит от того, насколько хорошее разделение обеспечивает процесс ректификации.
При температурах около и выше 480°С происходит явление, которое называется крекинг. Когда сложные углеводородные молекулы — те, что не испарились до 480°С — нагревают до более высоких температур, то энергии оказывается достаточно для того, чтобы расколоть большую молекулу на две (или больше) маленьких. Маленькие молекулы кипят при значительно более низких температурах, чем большие. Как только они образуются в результате крекинга, они выпрыгивают из кипящей жидкости в пары.
Реконструкция ректификационной колонны К-301 с целью
... углеводородов (С5 и выше) в газовую фазу. Этот недостаток обусловливает ограниченное применение данного способа. При втором способе стабилизация конденсата проводится в ректификационных колоннах ... конденсата целесообразно далее подвергать гидроочистке и депарафинизации, для удаления из дизельного топлива углеводородов нормального строения, которые очень сильно влияют на предельную температуру ...
Продукты крекинга при сохранении исходной массы сырья, занимают больший объём, так как маленькие молекулы занимают больше места, чем большие: более крупные молекулы стремятся упаковать свои атомы плотнее, чем мелкие молекулы.
Крекинг — интересный и выгодный процесс, но только в том случае, если им управлять. В ректификационной колонне этот процесс не контролируется, поэтому при перегонке избегают температур, при которых возможен крекинг. Наиболее высокая температурная граница при перегонке находится в районе 400°С. Но прямогонный остаток также содержит множество углеводородов, которые следует разделить на фракции. С этой целью разработан метод вакуумной перегонки.
Температура кипения зависит от давления следующим образом. Нагревание требуется для того, чтобы молекулы набрали достаточно энергии и могли покинуть жидкую фазу. Скорость, с которой это происходит, зависит от того, с какой скоростью тепло к ним подводится, а также от давления воздуха над жидкостью. Чем ниже давление, тем меньше энергии требуется и, значит, тем ниже температура, при которой начинается парообразование в жидкости, то есть кипение.
Крекинг прямогонного остатка происходит, когда температура поднимается
Прямогонный остаток перекачивают из ректификационной колонны непосредственно на установку вакуумной перегонки. В соответствии с режимом работы ректификационной колонны, температура остатка при этом отвечает началу его кипения или на пару градусов выше на случай охлаждения. Остаток поступает в колонну, давление в которой понижено. Внутри ректификационной колонны давление приблизительно равно атмосферному. Давление же в вакуумной ректификационной колонне составляет около 0,32-0,40 атм. При пониженном давлении лёгкая фракция остатка сразу начинает кипеть и быстро испаряется.
