Подготовка и переработка нефтей

В. Г. ВЛАСОВ



            ПОДГОТОВКА И ПЕРЕРАБОТКА НЕФТЕЙ


Учебное пособие


Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 665.6
ББК 35.514
     В58





Автор выражает искреннюю признательность А. Агафонову за участие в исполнении графической части пособия и сотрудникам кафедры химической технологии переработки нефти и газа Самарского государственного технического университета А. А. Пимерзину и В. А. Пильщикову за полезные замечания при выполнении данной работы





        Власов, В. Г.
В58       Подготовка и переработка нефтей : учебное пособие / В. Г. Власов.         Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 328 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0561-4

        Рассмотрены современные технологии подготовки и первичной переработки нефтей, а также вопросы модернизации и реконструкции соответствующих установок. Даны рекомендации по выбору и обоснованию ассортимента получаемых продуктов на установках ЭЛОУ-АВТ. Показаны варианты блоков установок ЭЛОУ-АВТ. Даны рекомендации по расчету материальных балансов блоков ЭЛОУ и АВТ, ректификационных колонн; выбору конструкции и расчету электродегидраторов, отбензинивающей и основной атмосферной колонн; экономическому обоснованию строительства, эксплуатации и реконструкции установок ЭЛОУ-АВТ; построению кривых ИТК, молярной массы, плотности и других физико-химических свойств нефтей, кривых ИТК и линий ОИ нефтяных фракций при атмосферном и повышенном давлениях и под вакуумом.
        Для студентов химико-технологических направлений подготовки. Может быть полезно специалистам в области нефтепереработки.


УДК 665.6
ББК 35.514



ISBN 978-5-9729-0561-4

     © Власов В. Г., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

    ВВЕДЕНИЕ



    Научно-технический прогресс в стране определяется состоянием ее топливно-энергетического комплекса, в частности уровнем развития нефтеперерабатывающей промышленности, которая в свою очередь способствует развитию других отраслей промышленности -металлургии, машиностроения, транспорта (автомобильного, железнодорожного, авиации, речного и морского), энергетики, химических производств и т.д.
    Нефть, газ и продукты их переработки широко применяются во всех сферах жизни человека на Земле, они являются основными источниками энергии, тепла, топлив для транспорта и сырья для нефтехимических производств. Без нефти и газа трудно представить развитие современных технологий и техники.
    Растут темпы добычи нефти и газа, но еще быстрее в последние 2-3 десятилетия растет их потребление. Запасы нефти на Земле не беспредельны, поэтому одной из главных задач нефтепереработки является увеличение выработки автомобильных и авиационных бензинов, реактивных и дизельных топлив, сырья для нефтехимии при сокращении объемов переработки нефти, то есть углубление переработки нефти. Это особенно актуально для отечественной нефтепереработки, для которой характерна низкая глубина переработки нефти по сравнению с нефтепереработкой стран Западной Европы и США.
    Существенно возросли требования к качеству современных топлив, компоненты которых получают в процессах вторичной переработки нефти. Качество этих топлив существенно зависит от сырья процессов вторичной переработки нефти, качество которых в свою очередь зависит от уровня подготовки нефтей и их первичной переработки. Обеспечить необходимую длительность работы установок первичной переработки нефти без остановки на ремонт с получением качественных фракций нефти для их дальнейшей переработки во вторичных процессах переработки нефти и компаундирования воз

3

можно лишь при качественной подготовке нефти на местах их добычи (промыслах) и нефтеперерабатывающихзаводах (НПЗ).
    В данном учебном пособии рассмотрены современные технологии подготовки товарных нефтей на промыслах для их транспортировки и на НПЗ для первичной переработки. На современных НПЗ эксплуатируются в основном комбинированные установки первичной переработки нефти, в которых процессы обессоливания и обезвоживания нефти, атмосферной перегонки нефти, вакуумной перегонки мазута, стабилизации и вторичной ректификации бензиновых фракций объединены в единый технологический процесс, что способствует улучшению технико-экономических показателей при строительстве и при эксплуатации за счет снижения капитальных и эксплуатационных затрат. При этом уменьшается число технологических установок, занимаемая площадь, длина трубопроводов, расход металла, расход топлива, электроэнергии, водяного пара и воды, сокращается число обслуживающего персонала, увеличивается производительность труда.
    На дисциплину «Первичная переработка нефти» возлагается формирование у будущих бакалавров по профилю «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» по направлению 18.03.01 «Химическая технология» умений и навыков по синтезу технологических схем и расчетам основного оборудования комбинированных установок ЭЛОУ-АВТ.
    Студенты дневного, заочного и дистанционного обучения выполняют курсовой проект, который предусматривает приобретение навыков по составлению схем и проведению технологических расчетов основного оборудования установок подготовки и первичной переработки нефти.
    Пособие будет также использовано при выполнении студентами выпускной квалификационной работы.
    Данное учебное пособие состоит из пяти разделов.
    В первом разделе пособия даны общая характеристика нефтям и газам, краткие сведения о добыче нефтей и газов, их хранении и транспортировки, краткая история добычи и переработки нефти в России. Также обсуждены вопросы подготовки нефти к транспортировке и переработке, дано обоснование необходимости стаби

4

лизации, обезвоживания и обессоливания нефтей перед их транспортировкой и первичной переработкой на промыслах и НПЗ.
    Во втором разделе рассмотрен ассортимент фракций нефти, получаемых на установках первичной переработки нефти, простые и сложные ректификационные колонны.
    В третьем разделе пособия рассмотрены схемы блоков ЭЛОУ, атмосферного блока перегонки нефти, блока стабилизации и вторичной ректификации бензиновых фракций и блока вакуумной перегонки мазута, даны рекомендации по подбору основного оборудования установок ЭЛОУ-АВТ.
    Четвертый раздел пособия включает методические указания по построению кривых ИТК, молярной массы и плотности нефтей и нефтяных фракций, линий ОИ нефти и нефтяных фракций при атмосферном и повышенном давлениях и под вакуумом. Раздел содержит также рекомендации по составлению материальных балансов установки АВТ, блока ЭЛОУ и ректификационных колонн, технологическому расчету электродегидратора, отбензинивающей и основной ректификационных колонн.

5

1. ДОБЫЧА И ПОДГОТОВКА НЕФТЕЙ НА ПРОМЫСЛЕ, ИХ ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА

    1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НЕФТЕЙ И ГАЗОВ
    Нефть в отличие от индивидуального химического соединения является природной смесью тысяч углеводородов различных классов - парафиновых, нафтеновых и ароматических, чаще смешанных, с сернистыми, азотистыми, кислородными и металлоорганическими соединениями.
    Углеводороды являются основными компонентами нефтей.
    По внешнему виду нефть - маслянистая жидкость, обычно бурого цвета. Иногда встречаются нефти, имеющие более светлые оттенки -коричневого цвета и даже белые.
    Элементный состав нефтей:
    - углерод (С) - основной элемент нефтей и нефтепродуктов -83-87 % мас.;
    - водород (Нг) - 12-14 % мас.;
    - сера (S) - может достигать 5-7 %, но чаще 2-3 % мас. (Родаев-ская нефть содержит 4,5 %, Пермская нефть - 5,5 % мас.);
    - азот (N2) - 0,001 - 1,8 % мас., чаще доли процента;
    - кислород (О₂) - 0,05 - 1,0 %, чаще доли процента.
    Кроме того в состав нефтей входят ванадий, никель, железо, натрий, калий, медь и т.д.
    Основная масса серы, азота, кислорода и металлов концентрируется в тяжелой части нефти, выкипающей при температурах выше 350-360 оС.
    Плотность нефтей находится в пределах 720-1070 кг/м³, чаще в пределах 800-900 кг/м³.
    Температура начала кипения нефтей - от 28 до выше 100 оС, чаще 28 оС.
    Температура конца кипения нефтей - 650-700 оС.
    Температура застывания нефтей - от плюс 30 до минус 30 оС.
    Нефти после природного газа по сравнению с другими горючими ископаемыми характеризуются наивысшей теплотой сгорания, поскольку в нихсодержится наибольшее количество водорода.


6

    По фракционному составу - содержанию легких, средних и тяжелых компонентов (фракций, дистиллятов) нефти различных месторождений заметно различаются.
    Углеводородный (химический) состав нефтей:
    1)    Парафиновые или метановые углеводороды. Их содержание в нефтях составляет 30-35 % мас. Однако в некоторых нефтях их может быть больше - до 50 % мас. Парафиновые углеводороды представлены структурами нормального (н-ПУ) и изостроения (изо-ПУ). Чем выше молярная масса парафинового углеводорода, тем больше изопарафиновых углеводородов:

    Н-пентан......2 изомера (С5Н12).
    Н-октан.......18 изомеров (С₈Н₁₈).
    Н-ундекан.....159 изомеров (С11Н24).
    Н-тридекан....более 800 изомеров (С₁₃Н₂₈).
    Н-пентадекан ... более 4300 изомеров (С₁₅Н₃₂).

    Здесь речь идет лишь о физических изомерах. С учетом стереоизомеров парафиновыхуглеводородов будетеще больше.
    По агрегатному состоянию углеводороды от СН4 по С4Н10 и неопентан (2,2-диметилпропан) - газообразные углеводороды, от пентанов (С5Н12) по нормальный гексадекан (цетан) С16Н34 - жидкие углеводороды, а нормальный гептадекан (С17Н36) и т.д. - твердые углеводороды при нормальныхусловиях.
    Содержание н-ПУ и изо-ПУ зависит от природы нефти. Если нефть парафинистая, то больше н-ПУ, если нефть нафтенового основания, то больше изо-ПУ.
    2)     Нафтеновые углеводороды (циклоалканы, циклопарафины) в нефтях содержатся в количествах от 25 до 75 %, но чаще - ниже 50 % мас. Нафтеновые углеводороды представлены производными циклопентана, циклогексана, пенталана, декалина, гидриндана, пергидроантрацена и др.
    3)     Ароматические углеводороды (арены). Общее их содержание в нефтях чаще колеблется от 10 до 20 % мас. Но встречаются нефти и с большим содержанием ароматических углеводородов. Например, Чусовская нефть содержит 35 % мас. ароматических углеводородов.
    Ароматические углеводороды представлены бензолом, дифенилом, нафталином, антраценом, фенантреном и т.д. и их производными.

7

    В нефтях содержится больше углеводородов смешанного (гибридного) строенния.
    В состав нефтей входят гетороорганические соединения, которые влючают наряду с углеродом и водородом, серу или кислород, или азот или все вместе.
    Непредельные соединения в нефтях, как правило, отсутствуют. Наличие непредельных углеводородов в нефти является причиной особых условий месторождения нефти (например, термического воздействия).
    В состав нефтей входят высококипящие высокомолекулярные соединения - смолисто-асфальтеновые вещества. Их содержание в нефтях колеблется от единиц до 40 %, а плотность выше 1000 кг/м³.
    В нефть входят минеральные вещества, которые определяют в виде золы. Зола - это остаток минеральных веществ, которые содержатся в нефти и остаются после ее сгорания. В золе найдено более 40 различных элементов: V, Ni, Fe, Mo и т.д. Значительная часть зольных веществ попадает либо из воды, либо из пород, с которыми соприкасается нефть, а также из-за коррозии труб и оборудования.
    Нефть обычно включает растворенные газы, воду, песок (не относят к золе) и металлы.
    К газообразным относят следующие парафиновые углеводороды:
    -  Метан (СН₄);
    -  Этан (СгНб);
    -  Пропан (С₃Н₈);
    -  Изобутан (Изо-С4Ню);
    -  Н-бутан (Н-С4Н10);
    -  Неопентан (2,2-диметилпропан).
    Газообразные парафиновые углеводороды всегда растворены в нефтях. Растворенный в нефтях газ называют попутным или сопутствующим. Попутный газ получают на месторождениях одновременно с нефтями. Этот газ не следует путать с природным газом, получаемым на газовых или газоконденсатных месторождениях. Из общей добычи газа доля попутного газа составляет более 25 % об. Количество попутного газа в нм³, приходящееся на одну тонну добываемой нефти, называют газовым фактором. Величина газового фактора для нефтей различных месторождений находится в пределах от 10 до более 300 нм³/т нефти.

8

    Попутный (сопутствующий) и природный газы относят к группе естественных газов. Газы, получаемые на НПЗ при переработке нефтей и нефтяныхфракций, являются искусственными.
    Главной составной частью естественных газов является метан:
    -  в природном газе его содержание составляет 91-96 % об.
    -  в попутном газе чаще 30-50 %, но бывает и выше. Например, попутный газ самотлорской нефти содержит более 80 % метана, холмогорской нефти - примерно 80 % и мамонтовской -76 % об.
    Без метана на остальные компоненты природного газа приходится 4-5 % об.:
    -  этана - 2-3 % об.;
    -  пропана - 1,5-2,0 % об.;
    -  н-бутана + изобутана - доли процента.
    Кроме того, в состав природного газа входят или могут входить и другие компоненты:
    -  углекислый газ (СО₂) - его содержание колеблется от долей процента до 40 %;
    -  азот (N2) - содержится в широком интервале - от нуля до почти 100 % об.;
    -  гелий (Не) - от сотых до десятых долей процента. Гелий широко используется в медицине, космонавтике, науке и т.д., поэтому гелий выделяют из естественных газов при его содержании выше 0,1 % мас. Интересный факт: месторождения природных газов в Алжире и на Аляске содержат до 7 % мас. гелия;
    -  аргон (Ar) - не всегда присутствует в газах и его содержание очень незначительное.
    -  сероводород (H2S) - почти постоянный компонент естественных газов.
    Никогда в состав естественных газов не входят непредельные углеводороды, водород и оксид углерода (СО).
    В газах переработки нефтяных фракций могут присутствовать водород и непредельные углеводороды, всегда отсутствуют диоксид углерода, азот, другие инертные газы и меньше содержится метана. Газ, состоящий преимущественно из метана и этана (состава С1-С₂), называют «сухим газом», а газ состава С3-С4- «жирным газом».

9

    1.2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ДОБЫЧЕ НЕФТЕЙ И ГАЗОВ, ИХ ХРАНЕНИИ И ТРАНСПОРТИРОВКЕ
    Нефть и газ извлекают из недр земли через скважины.
    Залежь - скопление нефти или газа или того и другого в природных резервуарах, герметично экранированных непроницаемыми породами (глинами, солями, магматическими породами и т.д.). В верхней части залежи нефти находится газовая подушка, подпираемая снизу пластом нефти, под которым находится пласт воды.
    До середины XIX века нефть добывали из колодцев, которые рыли глубиной до 25 м и даже более; колодцы рыли уступами с двух сторон. На смену колодцам пришло бурение. К концу XIX века были пробурены сотни скважин. Бурение осуществляли ударным способом - долблением породы при помощи долота, подвешенного на канате. Глубина скважин, как правило, не превышала 500 м. Позже от ударного способа бурения перешли на вращательный (впервые в 1901 году в США) и глубина скважин достигла 5000 м. С начала XX века бурение стадо вращательным (роторным).
    Бурение скважин производится с использованием специальных установок, оснащенных бурильными станками. При вращательном бурении скважины порода не дробится, а растирается в тонкий порошок при вращении долота в забое. Сначала в скважину вводят одну трубу, затем по мере углубления скважины привинчивают все новые и новые трубы. Длина одной трубы - 6-10 метров. Для удаления разбуренной породы скважина непрерывно промывается глинистым раствором, который закачивается насосом внутрь колонны бурильных труб. Раствор проходит по трубам вниз, выходит через отверстия в долоте, а затем поднимается между стенками скважины и бурильных труб и выносит обломки разрушенных пород из скважины, укрепляет стенки скважины, предотвращает их обрушение и охлаждает долото в забое.
    При роторном бурении имеет место большой расход энергии на вращение всей колонны бурильных труб, масса которой в скважине глубиной до 4000 м превышает 200 т. Кроме непроизводительного расхода энергии часто происходит искривление скважины. Был разработан способ бурения, в котором применен турбобур - турбинный двигатель, соединенный с долотом. В этом способе двигатель пере

10