Как работает нефтеперерабатывающий завод: перегонка, крекинг, гидроочистка и риформинг

Тема: Нефтепереработка · Устройство и технологические процессы нефтеперерабатывающего завода

Кратко

Статья объясняет, как работает современный НПЗ: нефть очищают и разделяют на атмосферной ректификационной колонне на фракции, а затем тяжёлые и низкокачественные компоненты перерабатывают вторичными процессами — каталитическим крекингом, гидрокрекингом, гидроочисткой и каталитическим риформингом. Подчёркивается, что завод представляет собой связанную химическую систему, где побочный продукт одного процесса служит сырьём или реагентом для другого, а готовая продукция получается смешением компонентов в заданных пропорциях.

Главное

  • Нефть — сложная смесь углеводородов и примесей, поэтому НПЗ разделяет её на фракции и химически преобразует компоненты, а не просто очищает.
  • Первичная перегонка в атмосферной ректификационной колонне даёт газы, бензиновую фракцию и нафту, керосин, дизельные фракции и тяжёлый остаток.
  • Одной перегонки мало: в природной нефти много тяжёлых углеводородов, поэтому применяют вторичные процессы, меняющие сами молекулы.
  • Каталитический крекинг расщепляет тяжёлые фракции на горячем катализаторе, а гидрокрекинг делает то же при высоком давлении водорода и даёт много качественного дизельного и реактивного топлива.
  • Гидроочистка снижает содержание серы, превращая сернистые соединения в сероводород, и защищает катализаторы последующих процессов.
  • Каталитический риформинг повышает октановое число нафты и попутно даёт водород, используемый на самом заводе.
  • Два НПЗ на одной и той же нефти могут выпускать разный набор продуктов — всё зависит от набора установок, катализаторов, доступного водорода и экономики.

Нефть из скважины – это не готовое топливо, а сложнейшая смесь сотен и даже тысяч углеводородов, а также соединений серы, азота, кислорода, металлов и других примесей. Задача нефтеперерабатывающего завода (НПЗ) – не просто «очистить нефть», а  разделить её на фракции, химически преобразовать их и смешать полученные компоненты в продукты с заданными свойствами . Современный НПЗ поэтому правильнее представлять не как одну установку, а как целый химический комбинат.

Первый этап – разделить нефть

Сначала нефть очищают от воды, солей и механических примесей. Затем её нагревают и направляют в огромную атмосферную ректификационную колонну .

Здесь используется хорошо знакомый из школьной химии принцип: разные вещества кипят при разных температурах. В колонне пары поднимаются вверх, постепенно охлаждаются и конденсируются на разных уровнях. В результате нефть разделяется на фракции:

При этом НПЗ не пытается получить из нефти сразу «готовый бензин» или «готовое дизельное топливо». После первичной перегонки значительная часть полученных фракций требует дальнейшей переработки.

Почему нельзя просто перегнать нефть?

Проблема в том, что природная нефть содержит слишком много тяжёлых углеводородов. Если ограничиться перегонкой, получится относительно небольшое количество лёгких топлив и большое количество тяжёлых остатков.

Поэтому на современных НПЗ применяют вторичные процессы , изменяющие сами молекулы углеводородов.

Главный из них –  крекинг , то есть расщепление крупных молекул на более мелкие. Например, тяжёлый углеводород можно превратить в смесь более лёгких соединений, пригодных для производства бензина, дизельного топлива и других продуктов. На практике широко используются каталитический крекинг и гидрокрекинг.

Каталитический крекинг

В реакторе тяжёлая фракция контактирует с горячим катализатором. Катализатор ускоряет реакции разрыва углеродных цепей и одновременно влияет на то, какие именно продукты образуются.

Получаются бензиновые компоненты, сжиженные углеводородные газы и другие ценные продукты. Затем смесь снова разделяют ректификацией.

Гидрокрекинг

Это более «водородная» версия процесса: тяжёлое сырьё перерабатывается при высоком давлении водорода в присутствии катализатора .

Водород не просто помогает расщеплять молекулы. Он также насыщает образующиеся углеводороды, связывает серу и другие нежелательные элементы. Гидрокрекинг особенно ценен тем, что позволяет получать большие количества высококачественного дизельного и реактивного топлива из тяжёлого сырья.

Сера – один из главных врагов

Современное топливо должно содержать очень мало серы. Поэтому практически на каждом сложном НПЗ работают многочисленные установки гидроочистки .

Фракцию смешивают с водородом и пропускают через катализатор. Органические соединения серы превращаются главным образом в сероводород, который затем отделяют и перерабатывают, например, на установках получения элементарной серы.

Гидроочистка нужна не только ради качества топлива. Сернистые соединения могут отравлять катализаторы последующих процессов, а при сгорании топлива способствуют образованию загрязняющих веществ.

А откуда берётся высокооктановый бензин?

Для этого существует, в частности, каталитический риформинг .

Низкооктановые компоненты нафты подвергают каталитическим превращениям, в результате которых формируются более высокооктановые углеводороды, включая ароматические соединения. Одновременно образуется водород, который затем может использоваться на самом НПЗ для гидроочистки и гидрокрекинга.

Таким образом, нефтеперерабатывающий завод представляет собой довольно замкнутую химическую систему: побочный продукт одного процесса становится сырьём или реагентом для другого .

Что в итоге выходит из НПЗ?

После всех превращений компоненты снова разделяют, очищают и смешивают в строго рассчитанных пропорциях. Получаются, например:

бензины → дизельное топливо → реактивное топливо → сжиженные газы → мазут и другие тяжёлые продукты → битум → нефтехимическое сырьё.

Причём современный НПЗ может быть тесно связан с нефтехимическим производством. Из отдельных нефтяных фракций получают сырьё для производства пластмасс, синтетических материалов, растворителей и множества других веществ.

Почему современные НПЗ такие огромные?

Потому что все эти процессы связаны между собой. Между установками постоянно перемещаются потоки нефти, фракций, водорода, газов и промежуточных продуктов.

Кроме основных реакторов и колонн, завод включает:

Причём значительная часть энергии, необходимой заводу, получается из собственных побочных газов. Тепло от одних процессов стараются использовать для нагрева других – это существенно повышает энергоэффективность.

НПЗ – это уже не просто «нефтяной завод»

Главная особенность современной нефтепереработки состоит в том, что это управляемая цепочка физических разделений и химических превращений .

Упрощённо её можно представить так:

сырая нефть → очистка → перегонка → разделение на фракции → химическое преобразование тяжёлых и низкокачественных компонентов → удаление серы и других примесей → повторное разделение → смешение → готовые нефтепродукты.

Именно поэтому два НПЗ, получающие одну и ту же нефть, могут выпускать совершенно разный набор продуктов. Всё зависит от набора установок, катализаторов, доступного водорода и того, какие продукты экономически выгоднее производить.

А современная нефтепереработка постепенно становится ещё более технологичной: совершенствуются катализаторы, автоматическое управление, теплообмен, улавливание выбросов и методы переработки всё более тяжёлого сырья. Катализаторы при этом остаются одним из ключевых инструментов отрасли – именно они позволяют проводить нужные химические превращения быстрее и селективнее.

Иными словами, НПЗ – это гигантская химическая фабрика, в которой нефть сначала «раскладывают на части», затем перестраивают её молекулы и в конце собирают из полученных компонентов нужные человеку продукты.

Фрагменты

Нефть из скважины — не готовое топливо, а сложнейшая смесь сотен и тысяч углеводородов, а также соединений серы, азота, кислорода, металлов и других примесей. Задача НПЗ — разделить её на фракции, химически преобразовать их и смешать компоненты в продукты с заданными свойствами.

Сначала нефть очищают от воды, солей и механических примесей, затем нагревают и направляют в атмосферную ректификационную колонну, где пары поднимаются, охлаждаются и конденсируются на разных уровнях — так нефть разделяется на фракции.

В колонне получают газы (в том числе пропан и бутан), бензиновую фракцию и нафту, керосиновую фракцию — сырьё для реактивного топлива, дизельные фракции и тяжёлый остаток. Готового бензина или дизтоплива на этом этапе ещё не получают.

Причина вторичных процессов: природная нефть содержит слишком много тяжёлых углеводородов, и при одной перегонке лёгких топлив получается относительно мало, а тяжёлых остатков — много. Поэтому молекулы углеводородов изменяют химически.

Каталитический крекинг: тяжёлая фракция контактирует с горячим катализатором, который ускоряет разрыв углеродных цепей и влияет на состав продуктов; получаются бензиновые компоненты и сжиженные углеводородные газы, смесь снова разделяют ректификацией. Гидрокрекинг: тяжёлое сырьё перерабатывается при высоком давлении водорода в присутствии катализатора, водород насыщает углеводороды и связывает серу.

Сера — один из главных нежелательных элементов: сернистые соединения могут отравлять катализаторы последующих процессов, а при сгорании топлива способствуют образованию загрязняющих веществ. Поэтому на сложном НПЗ работают установки гидроочистки.

Гидроочистка: фракцию смешивают с водородом и пропускают через катализатор, органические соединения серы превращаются главным образом в сероводород, который отделяют и перерабатывают, например, на установках получения элементарной серы.

Каталитический риформинг повышает октановое число: низкооктановые компоненты нафты каталитически превращаются в более высокооктановые углеводороды, включая ароматические соединения, и одновременно образуется водород для нужд самого завода.

Из НПЗ выходят бензины, дизельное топливо, реактивное топливо, сжиженные газы, мазут и другие тяжёлые продукты, битум и нефтехимическое сырьё — сырьё для пластмасс, синтетических материалов, растворителей и других веществ.

Завод огромен, потому что его процессы связаны: между установками постоянно перемещаются потоки нефти, фракций, водорода, газов и промежуточных продуктов. Кроме реакторов и колонн есть печи и теплообменники, компрессоры и насосы, установки получения и очистки водорода, системы удаления серы, факельные системы, резервуары, лаборатории и автоматические системы управления.

Два НПЗ, получающие одну и ту же нефть, могут выпускать разный набор продуктов — всё зависит от набора установок, катализаторов, доступного водорода и того, какие продукты экономически выгоднее производить.

Вопросы и ответы

Почему нельзя просто перегнать нефть?
В природной нефти слишком много тяжёлых углеводородов: при одной перегонке получится мало лёгких топлив и много тяжёлых остатков. Поэтому применяют вторичные процессы, изменяющие сами молекулы.
Чем гидрокрекинг отличается от каталитического крекинга?
Каталитический крекинг — это контакт тяжёлой фракции с горячим катализатором в реакторе; гидрокрекинг идёт при высоком давлении водорода в присутствии катализатора, водород насыщает образующиеся углеводороды и связывает серу, что позволяет получать большие количества высококачественного дизельного и реактивного топлива.
Зачем нужна гидроочистка?
Фракцию смешивают с водородом и пропускают через катализатор: органические соединения серы превращаются главным образом в сероводород, который затем отделяют и перерабатывают. Это снижает содержание серы в топливе и защищает катализаторы последующих процессов.
Откуда берётся высокооктановый бензин?
Низкооктановые компоненты нафты подвергают каталитическому риформингу; образуются более высокооктановые углеводороды, включая ароматические соединения, а попутно получается водород для гидроочистки и гидрокрекинга.

Комментарии

  1. Нефть на НПЗ обычно поступает уже товарная, а не сырая

  2. Зацепился за последовательность из середины статьи: очистка → перегонка → гидроочистка → смешение. Термодинамически это работа против энтропии: разделение смеси требует затрат энергии, а финальное смешение фракций обратно в товарный бензин выглядит как управляемый возврат к хаосу, только с заданным октановым числом. Кстати, гидроочистку в такой логике корректнее читать не как экологическую меру, а как защиту катализатора риформинга от отравления серой - иначе вся цепочка превращений теряет смысл