Как из черной густой нефти получаются бензин, керосин, дизель и асфальт? Нагревай нефть в печи, смотри, как пары расходятся по тарелкам колонны, и включай крекинг, чтобы бензина стало больше.
В нефти есть и легкие молекулы на 4–5 атомов углерода, и тяжелые на 40 и больше. У каждой своя температура кипения. Нефть нагревают в печи примерно до 360 °C: все, что кипит ниже, превращается в пар, а тяжелый остаток остается жидким. Смесь пара и жидкости подают в низ высокой ректификационной колонны.
Пар поднимается вверх через тарелки, и чем выше, тем холоднее. Тяжелые молекулы конденсируются на нижних тарелках, где еще горячо, легкие поднимаются до верха. С каждой высоты отбирают свою фракцию: внизу дизельное топливо, выше керосин, нафту и бензин, сверху уходит газ. Внизу колонны остается мазут.
ⓘ Выходы фракций считаются по кривой разгонки выбранной нефти: все, что кипит ниже температуры печи, уходит вверх и делится по тарелкам. Числа типичные для нефти такой плотности, у реальных месторождений они отличаются. Подробнее о самих молекулах в теме «Углеводороды и изомерия».
Первая формула отвечает, сколько выйдет каждой фракции, вторая сколько тепла нужно печи, третья как крекинг добавляет бензина. Числа под формулами берутся из опыта, а карточка, которая сейчас важнее всего, подсвечена.
Выход фракции по кривой разгонки
Доля нефти, выкипевшая до верхней границы фракции, минус доля, выкипевшая до нижней. Разница и есть эта фракция.
Сколько тепла дает печь
Тепло идет на две вещи: нагреть всю нефть и испарить ту ее часть, которая уходит вверх паром.
Крекинг: из длинной молекулы две короткие
На горячем катализаторе длинная цепочка рвется пополам. Получается молекула бензина и молекула алкена, тоже бензиновая.
Колонна разделена на 30–50 тарелок. На каждой стоит слой жидкости, а пар снизу пробулькивает через него сквозь колпачки. Пар горячее жидкости над ним: он отдает ей тепло, тяжелые молекулы пара конденсируются, а самые легкие молекулы жидкости испаряются и уходят выше. На каждой тарелке смесь немного «очищается»: вверх уходит более легкий пар, вниз стекает более тяжелая жидкость.
Одной тарелки мало, но после десятков таких ступеней внизу собираются только тяжелые молекулы, а вверху только легкие. Сверху колонну охлаждают: часть бензина возвращают обратно как орошение. Снизу подают водяной пар, он помогает выгнать остатки легких фракций из мазута.
Почему мазут перегоняют под вакуумом: выше 370–380 °C молекулы начинают сами разваливаться и превращаться в кокс, который забивает трубы печи. При давлении в 15–20 раз ниже атмосферного жидкость кипит примерно на 150 °C холоднее, и из мазута можно отогнать вакуумный газойль, не перегревая его. В остатке получается гудрон.
Самосвалы, экскаваторы, бульдозеры и дизель-генераторы на руднике работают на фракции 270–360 °C. Зимнее топливо делают из более легкой части этой фракции и добавляют керосин, чтобы оно не густело на морозе.
Вертолеты, которые возят вахту и грузы на высокогорные объекты, летают на керосине 150–280 °C. От него требуют, чтобы он не замерзал до −50 °C и не содержал воды.
Моторные, гидравлические и трансмиссионные масла делают из вакуумного газойля: из него удаляют парафины и смолы, а затем добавляют присадки. Без вакуумной перегонки базовых масел не было бы.
Гудрон, самый тяжелый остаток, окисляют воздухом и получают битум. Он связывает щебень в асфальте технологических и подъездных дорог и идет на гидроизоляцию.
Тяжелое топливо сжигают в котлах ТЭЦ и в судовых дизелях. Его нужно подогревать, чтобы прокачать по трубам: при комнатной температуре мазут густой, как мед.
Прямой перегонкой получается мало бензина, да и тот с низким октановым числом. Крекинг делит тяжелые молекулы на легкие и дает бензин с разветвленными молекулами и алкенами, у которого октановое число выше. Подробнее в теме о топливе и горении.
Колонна считается идеальной: каждая фракция отбирается точно по своим границам кипения, без наложения соседних фракций. В реальной колонне фракции перекрываются на 10–30 °C. Все, что кипит ниже температуры печи, считается ушедшим в пар; на деле водяной пар внизу колонны позволяет отогнать немного больше. Кривые разгонки трех видов нефти типичные, а не данные конкретного месторождения. Тепло печи посчитано от 20 °C; на заводе нефть сначала нагревают теплом горячих продуктов в теплообменниках, и печь тратит в 2–3 раза меньше. Вакуумная колонна отгоняет газойль до 520 °C в пересчете на атмосферное давление. Выходы каталитического крекинга взяты средними: 50% бензина, 20% газа, 17% легкого газойля, 8% тяжелого остатка, 5% кокса, который сгорает при восстановлении катализатора. Сам опыт ведется по массе, плотность разных фракций не учитывается.