НПЗ не варит бензин из нефти в одной огромной колонне. Завод сначала разделяет сырьё по температурам кипения, затем расщепляет тяжёлые молекулы, перестраивает лёгкие, удаляет серу и азот, а в конце смешивает десятки потоков по рецептуре. Сочетание разделения, химического превращения, очистки и смешения показывает базовая схема переработки.
Я рассматриваю современный НПЗ как замкнутую сеть. Выход одной установки становится сырьём для следующей, водород риформинга уходит на гидроочистку, сероводород превращается в товарную серу, горячие продукты подогревают холодную нефть. Производительность определяет не только главная колонна. Узким местом может стать гидроочистка, водородная установка, серное хозяйство, резервуарный парк или отгрузка.
Приём и анализ нефти
↓
Резервуарный парк и смешение
↓
Электрообессоливание
↓
Атмосферная перегонка
├─ газ и СУГ
├─ нафта
├─ керосиновая фракция
├─ дизельная фракция
└─ атмосферный остаток
↓
Вакуумная перегонка
├─ вакуумный газойль
└─ вакуумный остаток
↓
Крекинг, гидрокрекинг, коксование
↓
Очистка, смешение, контроль и отгрузка
Нефть ещё не попала в колонну
Сырьё приходит по трубопроводу, с морского терминала или по железной дороге. На приёмном узле измеряют количество, плотность и температуру, отбирают пробы, проверяют воду, соли, серу и механические примеси. Затем нефть направляют в сырьевые резервуары.
Резервуарный парк сглаживает перебои и позволяет смешивать сорта. Завод работает не с абстрактной «нефтью», а с конкретной сырьевой корзиной. Лёгкое малосернистое сырьё обычно содержит больше бензиновых, керосиновых и дизельных фракций. Тяжёлая нефть оставляет больше остатка и требует развитой конверсии. Сера, азот, никель, ванадий, соли, асфальтены и высокая коксуемость повышают нагрузку на катализаторы и очистные установки.
Технологи используют анализ сырья, который показывает выход и свойства фракций. Режим сопоставляют с заказами и ограничениями оборудования. Поэтому НПЗ меняет выпуск бензина, дизеля и авиакеросина только в пределах своей схемы.
Из резервуара нефть проходит теплообменники, где горячие продукты отдают ей тепло. Затем в поток вводят промывочную воду и деэмульгатор. В электродегидраторе высоковольтное поле укрупняет капли воды, после чего вода оседает вместе с солями и частью твёрдых частиц.
В российской практике электрообессоливание часто объединяют с атмосферно-вакуумной перегонкой и называют ЭЛОУ-АВТ. Плохая подготовка сырья вызывает отложения, повышает расход топлива и ускоряет коррозию. Хлориды магния и кальция при нагреве участвуют в образовании хлороводорода, а металлы и частицы отравляют катализаторы.
ЭЛОУ-АВТ разделяет нефть, но не выпускает готовое топливо
Обессоленная нефть проходит теплообменники и печь, где обычно нагревается примерно до 340-370 °C. Парожидкостная смесь входит в нижнюю часть атмосферной колонны. Лёгкие компоненты испаряются, поднимаются и конденсируются выше, тяжёлые остаются ниже.
Восходящий пар постоянно встречается со стекающей жидкостью. Орошение, циркуляционные потоки и боковые отпарные колонны помогают точнее разделять фракции. Границы отбора меняют вместе с сырьём и требуемым ассортиментом.
| Поток | Следующая операция |
|---|---|
| Газ и лёгкие углеводороды | Топливный газ, пропан, бутан, нефтехимическое сырьё |
| Лёгкая нафта | Гидроочистка и изомеризация |
| Тяжёлая нафта | Гидроочистка и каталитический риформинг |
| Керосиновая фракция | Очистка для авиакеросина или дизельного компонента |
| Атмосферный газойль | Гидроочистка и дизельный пул |
| Атмосферный остаток | Вакуумная перегонка или остаточные процессы |
Прямогонная фракция ещё не равна товарному продукту. Нафта может иметь недостаточное октановое число, дизельная фракция содержит слишком много серы, а керосин не всегда проходит требования по температуре замерзания и стабильности. Перегонка только сортирует смесь по летучести.
Атмосферный остаток нельзя просто сильнее нагреть. Тяжёлые молекулы начнут разлагаться, а печь закоксуется. Поэтому остаток подают в вакуумную колонну. Пониженное давление, водяной пар и вакуумная система позволяют испарить тяжёлые фракции при меньшей температуре.
Вакуумный газойль идёт на каталитический крекинг или гидрокрекинг. Гудрон направляют на коксование, деасфальтизацию, битум или тяжёлое топливо. Выбор маршрута показывает реальную глубину переработки завода.
Как тяжёлые молекулы превращают в светлые продукты
Каталитический крекинг FCC смешивает вакуумный газойль с горячим порошкообразным цеолитным катализатором. При температуре около 480-550 °C крупные молекулы быстро распадаются. Катализатор отделяют циклонами и направляют в регенератор, где кокс сжигают воздухом. Разогретый порошок возвращается в реактор.
FCC даёт бензиновую фракцию, газойли и газ, богатый пропиленом и бутиленами. Процесс выгоден заводу, ориентированному на бензин и нефтехимию. Водород в реактор не подают, поэтому продукты требуют отдельной очистки, а регенератор становится крупным источником дымовых газов.
Гидрокрекинг расщепляет газойль в присутствии катализатора, водорода и высокого давления. Одновременно насыщаются ароматические соединения, сера переходит в сероводород, азот в аммиак. Установка выпускает качественные компоненты дизеля и авиакеросина, а также нафту. За чистые продукты завод платит сложным оборудованием и большим расходом водорода.
Замедленное коксование работает с вакуумным остатком. Печь нагревает сырьё примерно до 480-510 °C, затем поток поступает в коксовую камеру. Газ и жидкие продукты уходят на разделение, твёрдый нефтяной кокс остаётся в барабане. Заполненную камеру охлаждают и режут кокс водой высокого давления, пока соседняя продолжает работу.
Коксовая нафта и газойли богаты серой, азотом и нестабильными соединениями, поэтому проходят глубокую гидроочистку. Нефтяной кокс становится отдельным продуктом, но высокое содержание серы и металлов ограничивает применение. Висбрекинг действует мягче. Он снижает вязкость остатка и даёт немного дистиллятов, сохраняя большую долю тяжёлого топлива.
Очистка, рецептура и невидимая половина завода
Гидроочистка стоит почти на каждом маршруте светлых продуктов. Фракцию смешивают с водородом, нагревают и пропускают через слой катализатора. Сернистые соединения превращаются преимущественно в сероводород, азотистые в аммиак, олефины насыщаются. Жёсткость режима зависит от сырья и требований. Универсальная цифра очистки в процентах здесь только вводит в заблуждение.
Тяжёлая очищенная нафта поступает на каталитический риформинг. Платиновый катализатор перестраивает парафины и нафтены, повышая октановое число. Завод получает высокооктановый реформат и водород. Реформат ценен для бензина, но бензол и общая доля ароматических соединений ограничивают его количество в рецептуре.
Лёгкую нафту направляют на изомеризацию. Нормальные пентаны и гексаны превращаются в разветвлённые изомеры с более высоким октановым числом. Алкилирование соединяет изобутан с пропиленом и бутиленами, получая высокооктановый алкилат с низким содержанием серы и ароматических соединений. Традиционные схемы используют серную или плавиковую кислоту, поэтому кислотный контур требует особенно жёсткой защиты.
Кислые газы поступают на аминовую очистку. Амин поглощает сероводород, затем выделенный газ направляют на установку Клауса, где получают элементарную серу. Очистка хвостового газа повышает полноту извлечения. Мощность серного производства может ограничить переработку сернистой нефти даже при свободной главной колонне.
Кислая вода из гидроочистки, коксования и отпарных колонн содержит сероводород и аммиак. Её обрабатывают в отдельной колонне, затем возвращают в оборот или направляют на очистные сооружения. Общезаводская схема обычно включает отделение свободной нефти, флотацию, физико-химическую и биологическую обработку.
Товарный бензин собирают из изомеризата, реформата, алкилата, очищенного бензина FCC, бутана и других разрешённых компонентов. Система смешения учитывает октановое число, давление насыщенных паров, фракционный состав, серу и бензол. Летний и зимний бензин различаются по летучести, поэтому рецепт меняется по сезону.
Дизель смешивают из прямогонных и конверсионных компонентов. Контролируют цетановое число, серу, плотность, вязкость, вспышку, смазывающую способность и холодовые свойства. Для авиакеросина критичны температура замерзания, термическая стабильность, дымность, плотность и отсутствие свободной воды. Часть присадок вводят на НПЗ, часть на нефтебазе или при наливе.
После лабораторного допуска продукт уходит по трубопроводу, в железнодорожную или автомобильную цистерну, на судно. НПЗ также выпускает СУГ, нефтехимическое сырьё, битум, базовые масла, серу, кокс и топливный газ. Набор зависит от установок и рынка.
За технологическими блоками работает огромная инфраструктура. Печи и котлы дают тепло и пар, градирни охлаждают воду, компрессоры подают воздух и водород, азот вытесняет кислород при подготовке оборудования. DCS ведёт обычный режим, независимая противоаварийная система останавливает процесс при опасном отклонении. Факел принимает аварийные и пусковые сбросы, но не должен служить штатным способом утилизации газа.
Пожары и взрывы чаще начинаются после утечки, нарушения уровня, перегрева, коррозии или ошибки при пуске и ремонте. Сероводород токсичен, водород легко воспламеняется, пирофорные сульфиды железа могут загореться при контакте с воздухом. Процессы и характерные опасности подробно разбирает руководство OSHA.
Простой гидроскимминг-завод перегоняет нефть, очищает дистилляты и риформирует нафту, но оставляет много тяжёлого топлива. Конверсионный НПЗ добавляет FCC или гидрокрекинг. Завод глубокой переработки использует коксование, деасфальтизацию и мощное водородное хозяйство, сокращая выход остатка.
Глубокая переработка не означает нулевое воздействие на окружающую среду. Тяжёлое сернистое сырьё требует больше энергии, водорода и очистных мощностей. Основные выбросы связаны с печами, котлами, производством водорода, регенератором FCC, факельными эпизодами и утечками.
Суммарный объём продуктов способен превысить объём принятой нефти, потому что лёгкие продукты менее плотные. Масса не возникает из воздуха. Баланс учитывает нефть, водород, другие компоненты, газ, кокс, серу, потери и изменение запасов.
Чтобы понять конкретный НПЗ, я смотрю на пять вещей. Какие сорта нефти завод принимает, что стоит после вакуумной колонны, откуда берётся водород, куда уходит сероводород и какие компоненты доступны смешению. Количество высоких колонн мало о чём говорит. Сложность определяют связи между установками и способность безопасно превратить тяжёлое загрязнённое сырьё в продукт, который проходит спецификацию.
