Лекция №14

Фракционный состав нефтей

Фракция – смесь углеводородов, характеризующихся определенным интервалом температуры кипения.

Фракционированием (дробной перегонкой) называют разделе­ние жидкостей на отличающиеся по составу дистилляты (фрак­ции), кипящие в узких интервалах температур. Поэтому фракционный состав отражает зависимость количества выкипающего продукта от повышения температуры кипения. Такая зависи­мость имеет место для любых смесей разнокипящих веществ. Для индивидуальных веществ с определенной температурой ки­пения такой зависимости нет, так как вещество начинает кипеть и полностью выкипает при одной и той же температуре, назы­ваемой температурой кипения.

Нефть и нефтепродукты представляют собой такую сложную смесь углеводородов и неуглеводородных соединений, что обычными метода­ми перегонки их невозможно разделить на индивидуальные соедине­ния. Как правило, нефти и нефтепродукты разделяют путем перегонки (дистилляции)* на отдельные части, каждая из которых является менее сложной смесью. Такие части принято называть фракциями, или дис­тиллятами. Нефтяные фракции в отличие от индивидуальных соедине­ний не имеют постоянной температуры кипения. Они выкипают в определенных интервалах температур, т. е. имеют температуру начала ки­пения (н.к.) и конца кипения (к.к.). Температуры начала и конца кипе­ния зависят от химического состава фракции.

Таким образом, фракционный состав нефти и нефтепродуктов пока­зывает содержание в них (в объемных или массовых процентах) различ­ных фракций, выкипающих в определенных температурных пределах. Этот показатель имеет большое практическое значение. По фракцион­ному составу нефти судят о том, какие нефтепродукты и в каких коли­чествах можно из нее выделить, а фракционный состав бензинов и дру­гих моторных топлив характеризует их испаряемость, полноту испаре­ния и др.

В обозначение нефтяных фракций обычно входят температуры их выкипания: например, выражение «фракция 200—350 °С» означает «фракция, выкипающая в интервале температур от 200 до 350 °С».

Основные фракции, выделяемые из нефти на промышленной уста­новке, следующие:

бензиновая н.к. (28 °С) — 180 °С (без отбора керосиновой фракции) или н.к. (28 °С) — 150 °С (с отбором керосиновой фракции);

керосиновая 150 — 250 °С;

дизельная (180 °С) — 350 °С (без отбора керосиновой фракции) или 250—350 °С (с отбором керосиновой фракции). В ряде случаев отбирают дизельную фракцию утяжеленного фракционного состава с концом ки­пения 360 °С.

Суммарный выход этих фракций (до 360 °С) составляет количество светлых фракций в нефти.

Из остатка > 350 (360 °С) — мазут — получают вакуумный газойль 350 (360 °С) — 500 (550 °С) и гудрон > 500 (> 550 °С) — самый тяжелый продукт перегонки нефти.

При определении фракционного состава нефть или нефтепродукт перегоняют в стандартном приборе при определенных условиях и стро­ят кривую разгонки в системе координат: ось абсцисс — выход фракций (отгон) в % (об.) или % (мае.) и ось ординат —температура выкипания в °С (рис. 2.1).

В основе всех методов определения фракционного состава нефти и нефтепродуктов лежит процесс перегонки (дистилляции).

Дистилляция — процесс разделения сложных смесей углеводородов путем частичного испарения жидкости или частичной конденсацией паровой смеси с образованием двух фаз (перегонка), из которых паро­вая обогащается низкокипящим компонентом (нкк), а жидкая — высококипящим (вкк) по сравнению с исходной смесью.

При нагреве такой сложной смеси, как нефть, в паровую фазу преж­де всего переходят низкокипящие компоненты, обладающие высокой летучестью. Частично с ними уходят высококипящие компо­ненты, однако концентрация низкокипящего компонента в парах всегда больше, чем в кипящей жидкости. По мере отгона низкокипящих компо­нентов остаток обогащается высококипящими. Поскольку давление насыщенных паров высококипящих компонентов при данной температуре ниже внешнего давления, кипение в конечном счете мо­жет прекратиться. Для того чтобы сделать кипение безостановочным, жидкий остаток непрерывно подогревают. При этом в пары переходят все новые и новые компоненты со всевозрастающими температурами кипения. Отходящие пары конденсируются, образовавшийся конденсат отбирают по интервалам температур кипения компонентов в виде от­дельных нефтяных фракций.

Перегонку нефти и нефтепродуктов с целью разделения на фракции можно осуществлять с постепенным либо с однократным испарением. При перегонке с постепенным испарением образующиеся пары непре­рывно отводят из перегонного аппарата, они конденсируются и охлаж­даются в конденсаторе-холодильнике и собираются в приемник в виде жидких фракций.

В том случае, когда образующиеся в процессе нагрева пары не выводят из перегонного аппарата до тех пор, пока не будет достиг­нута заданная температура, при которой в один прием (однократно) отделяют паровую фазу от жидкой, процесс называют перегон­кой с однократным испарением. После этого строят кривую ОИ (см. рис. 2.1).

Следует отметить, что применительно к нефти кривая ИТК, полу­ченная на АРН, достигает лишь 70—75 % (иногда больше) выкипания, так как высококипящая часть нефти, даже в условиях вакуума, не пере­гоняется, а остается в жидкой фазе (см. далее рис. 2.8). Легкие и сред-

ние фракции выкипают практически полностью (за вычетом потерь, которые при перегонке обычно не превышают 1 %).

Ни постепенным, ни тем более однократным испарением невоз­можно добиться четкого разделения нефтепродуктов на узкие фракции, так как часть высококипящих компонентов переходит в дистиллят, а часть низкокипящих остается в жидкой фазе. Поэтому для более четко­го разделения применяют перегонку с дефлегмацией или с ректификацией. Для этого в колбе нагревают нефть или нефтепродукт; образующиеся при перегонке пары, почти лишенные высококипящих компонентов, охлаждаются в специальном аппарате — дефлегматоре и частично пере­ходят в жидкое состояние — флегму. Флегма, стекая вниз, встречается со вновь образующимися парами. В результате теплообмена низкоки- пящие компоненты флегмы испаряются, а высококипящие компонен­ты паров конденсируются. При таком контакте паров достигается более четкое разделение на фракции, чем без дефлегмации.

Еще более четкое разделение происходит при перегонке с ректи­фикацией. Аппарат для такой перегонки состоит из перегонной кол­бы, ректификационной колонки, конденсатора-холодильника и при­емника.

Ректификация осуществляется в ректификационных колонках. При ректификации происходит контакт между восходящим потоком паров и стекающим вниз конденсатом — флегмой. Пары имеют более высокую температуру, чем флегма, поэтому при контакте происходит теплооб­мен. В результате этого низкокипящие компоненты из флегмы перехо­дят в паровую фазу, а высококипящие компоненты конденсируются и переходят в жидкую фазу. Для эффективного ведения процесса ректи­фикации необходимо возможно более тесное соприкосновение между паровой и жидкой фазами. Это достигается с помощью особых контак­тирующих устройств, размещенных в колонке (насадок, тарелок и т. д.). От числа ступеней контакта и количества флегмы (орошения), стекаю­щей навстречу парам, в основном и зависит четкость разделения ком­понентов смеси. Для образования флегмы в верхней части колонны по­мещен конденсатор-холодильник. По результатам четкой ректифика­ции строят кривую ИТК (истинных температур кипения) (см. рис. 2.1). На рис. 2.1 кривая 3 представляет разгонку по Энглеру (см. ниже).

Определение фракционного состава нефтей и нефтяных фракций проводится в лабораторных условиях. Наибольшее распространение в лабораторной практике получили следующие виды перегонки.

1. Перегонка, основанная на принципе постепенного испарения: простая перегонка нефти и нефтепродуктов, выкипающих до 350 °С

при атмосферном давлении;

простая перегонка нефтепродуктов, выкипающих выше 350 °С при пониженном давлении (под вакуумом); перегонка с дефлегмацией; перегонка с четкой ректификацией.

2. Перегонка, основанная на принципе однократного испарения: перегонка с однократным испарением.

3. Молекулярная дистилляция для высокомолекулярных соедине­ний и смол.

4. Имитированная перегонка.