Часть 1. Первичная переработка нефти и газа

Конспект лекций

 

 

Издательство

Пермского государственного технического университета

2007

 

УДК 665.63

ББК

РЕЦЕНЗЕНТЫ

Доктор технических наук, профессор кафедры ТНВ

Пермского государственного технического университета

В.З. Пойлов;

Главный технолог ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез»

В.А. Крылов;

Кандидат химических наук, доцент, вед. спец. техн. отдела

ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез»

Н.П. Углев

 

Рябов В.Г.

Технология переработки нефти и газа. Часть 1. Первичная переработка нефти и газа: Конспект лекций. – Пермь: Изд-во Перм.гос.техн. ун-та, 2007.- 173 с.: ил.

 

 

Данный конспект лекций может быть использован в качестве учебного пособия при изучении курса «Химическая технология топлива и углеродных материалов», а именно физических процессов связанных с подготовкой и переработкой нефти и газа, их физико-химических и эксплуатационных свойств.

В конспекте лекций достаточно подробно изложены материалы, касающиеся общих сведений о происхождении нефти и газа, их добыче, промысловой подготовке, транспорте с промыслов на нефте- и газоперерабатывающие заводы. Дан краткий исторический обзор развития нефтяной, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности в мире и в нашей стране и роль нефти и газа как в мировом топливно-энергетическом балансе, так и СССР и РФ. Освещены перспективы развития нефтеперерабатывающей и газовой отраслей промышленности.

Большое внимание уделено методам определения и расчета физико-химических свойств жидких и газообразных нефтепродуктов, их эксплуатационным свойствам.

Описаны физические процессы подготовки и переработки нефти и газа, применяемые в промышленности, и, в частности, прямой перегонки нефти и ее фракций. Дана характеристика основных типов аппаратов и получаемых продуктов.

Конспект лекций с учетом включенных в него материалов, наиболее полезен при изучении первой части общего курса «Химическая технология топлива и углеродных материалов» студентами специальности «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов» дневного и заочного отделений.

 

Издано в рамках инновационной образовательной программы ПГТУ «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технического университета»

 

 

                                                                    УДК 665.63

                                                                    ББК

 

 

ISBN

 

                                                                                                  ГОУ ВПО ПГТУ, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................... 7

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ................................................................................................... 9

ПЕРЕВОД ВНЕСИСТЕМНЫХ ЕДИНИЦ В ЕДИНИЦЫ СИ............................................. 10

Глава 1 КРАТКИЙ ОБЗОР МИРОВОГО И ОТЕЧЕСТВЕННОГО РАЗВИТИЯ НЕФТЯНОЙ, НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ. НЕФТЕ- И ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ РАЗВИТИЯ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИСХОЖДЕНИИ НЕФТИ И ГАЗА, БУРЕНИИ СКВАЖИН И ТРАНСПОРТЕ НЕФТИ И ГАЗА................................................. 11

1.1. Краткий обзор мирового и отечественного развития нефтяной, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности...................................................................................................... 11

1.2. Значение нефти и газа в топливно-энергетическом балансе нашей страны и мира 15

1.3. Мировые запасы нефти. Основные нефтедобывающие страны................................. 18

1.3.1. Основные нефтедобывающие страны..................................................................... 18

1.3.2. Крупнейшие мировые нефтепрерабатывающие заводы....................................... 19

1.3.3. Крупнейшие мировые компании - нефтепереработчики..................................... 20

1.4. Нефте- и газоперерабатывающая промышленность на современном этапе и перспективы ее развития.................................................................................................................................... 20

1.5. Краткие сведения о происхождении нефти, бурении нефтяных скважин, добыче и транспортировке нефти и газа с промысла на НПЗ и ГПЗ................................................. 25

Глава 2 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕФТИ, ЕЕ ФРАКЦИЙ И УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ....................................................................................................................................................... 30

2.1. Плотность.......................................................................................................................... 30

2.1.1. Методы определения плотности.............................................................................. 33

2.1.2. Характеристический фактор.................................................................................... 33

2.2. Молекулярная масса......................................................................................................... 34

2.3. Давление насыщенных паров (упругость паров)......................................................... 36

2.3.1. Критические параметры........................................................................................... 37

2.3.2. Фактор сжимаемости................................................................................................ 39

2.3.2. Летучесть (фугитивность)........................................................................................ 39

2.3.3. Методы определения давления насыщенных паров............................................. 40

2.4. Вязкость............................................................................................................................. 41

2.4.1. Зависимость вязкости от температуры................................................................... 42

2.4.2. Вязкостно-массовая константа................................................................................. 43

2.4.3. Вязкость нефтяных дисперсных систем................................................................. 44

2.4.4. Зависимость вязкости нефтепродуктов от давления............................................. 45

2.4.5. Вязкость смеси нефтепродуктов.............................................................................. 45

2.4.6. Вязкость углеводородных газов и нефтяных паров.............................................. 46

2.4.7. Приборы для определения вязкости........................................................................ 46

2.5. Электрические свойства нефти и нефтепродуктов...................................................... 47

2.6. Оптические свойства нефти и нефтепродуктов........................................................... 48

2.6.1. Цвет............................................................................................................................. 48

2.6.2. Показатель или коэффициент лучепреломления (коэффициент рефракции)... 48

2.6.3. Оптическая активность............................................................................................. 49

2.7. Свойства нефтяных вяжущих (коллоидообразных нефтепродуктов)........................ 50

2.8. Поверхностное натяжение.............................................................................................. 51

2.9. Характерные температуры.............................................................................................. 52

2.9.1. Температуры вспышки............................................................................................. 52

2.9.2. Температура воспламенения и самовоспламенения.............................................. 53

2.9.3. Температура застывания........................................................................................... 55

2.9.4. Температура плавления............................................................................................ 55

2.9.5. Температура каплепадения....................................................................................... 56

2.10. Тепловые свойства нефтепродуктов............................................................................ 56

2.10.1. Теплоемкость........................................................................................................... 56

2.10.2. Теплота испарения.................................................................................................. 58

2.10.3. Теплота плавления.................................................................................................. 58

2.10.4. Теплота сгорания..................................................................................................... 59

2.10.5. Энтальпия (теплосодержание)............................................................................... 60

2.10.6. Теплопроводность................................................................................................... 61

2.11. Коллоидно-химические свойства нефтей. Нефтяные дисперсные системы........... 62

2.11.1. Коллоидно-химические свойства нефтей............................................................. 62

2.11.2. Формирование нефтяных дисперсных систем..................................................... 63

2.12. Фракционный состав нефти и нефтепродуктов......................................................... 64

2.12.1. Низкотемпературная ректификация...................................................................... 66

2.12.2. Среднетемпературная и вакуумная перегонка..................................................... 66

2.12.3. Молекулярная дистилляция................................................................................... 67

2.12.4. Перегонка методом однократного испарения...................................................... 67

Глава 3 КЛАССИФИКАЦИЯ НЕФТЕЙ, ХАРАКТЕРИСТИКА ТОВАРНЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ................................................... 69

3.1. Классификация нефтей.................................................................................................... 69

3.1.1. Технологическая классификация............................................................................. 69

3.1.2. Техническая классификация.................................................................................... 72

3.2. Ассортимент товарных нефтепродуктов....................................................................... 74

3.2.1. Топлива для карбюраторных двигателей............................................................... 74

3.2.1.1. Авиационные бензины...................................................................................... 74

3.2.1.2. Автомобильные бензины.................................................................................. 74

3.2.1.3. Основные показатели качества карбюраторных топлив............................... 75

3.2.2. Реактивные топлива.................................................................................................. 79

3.2.3. Дизельные топлива................................................................................................... 80

3.2.4. Газотурбинные топлива............................................................................................ 83

3.2.5. Котельные топлива................................................................................................... 83

3.2.6. Растворители.............................................................................................................. 84

3.2.7. Осветительные керосины......................................................................................... 85

3.2.8. Нефтяные масла......................................................................................................... 85

3.2.8.1. Моторные смазочные масла.............................................................................. 86

3.2.8.2. Индустриальные масла...................................................................................... 87

3.2.8.3. Смазочные масла специального назначения................................................... 88

3.2.9. Парафины, церезины, вазелины.............................................................................. 90

3.2.10. Нефтяные битумы................................................................................................... 90

3.2.11. Нефтяной кокс......................................................................................................... 92

3.2.12. Пластичные смазки................................................................................................. 92

3.3. Основные направления переработки нефти и газа...................................................... 93

3.4. Основные принципы выбора варианта переработки нефти и газа............................ 93

Глава 4 ПОДГОТОВКА И ПЕРЕРАБОТКА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ...................... 95

4.1. Характеристика и направления использования углеводородных газов. Характеристика конечных продуктов их переработки..................................................................................................... 95

4.2. Схемы подготовки и переработки углеводородных газов.......................................... 99

4.3. Подготовка углеводородных газов к переработке..................................................... 100

4.3.1. Очистка газов от жидкой и твердой дисперсных фаз......................................... 102

4.3.2. Очистка углеводородных газов от вредных примесей....................................... 103

4.3.2.1. Характеристики вредных примесей............................................................... 103

4.3.2.2. Методы очистки углеводородных газов и характеристики поглотителей 105

4.3.2.3. Утилизация сероводорода............................................................................... 110

4.3.3. Осушка углеводородных газов.............................................................................. 110

4.3.3.1. Осушка охлаждением....................................................................................... 111

4.3.3.2. Абсорбционная осушка................................................................................... 111

4.3.3.3. Адсорбционная осушка................................................................................... 112

4.4. Переработка углеводородных газов............................................................................. 114

4.4.1. Низкотемпературная сепарация (НТС)................................................................. 114

4.4.2.Низкотемпературная конденсация (НТК).............................................................. 116

4.4.3. Маслоабсорбционное извлечение......................................................................... 117

4.4.4. Стабилизация газового бензина и получение индивидуальных углеводородов 118

4.5. Стабилизация и переработка газовых конденсатов................................................... 120

4.6. Извлечение гелия из природного газа......................................................................... 122

4.7. Транспортирование и хранение углеводородных газов............................................ 124

Глава 5 ПОДГОТОВКА НЕФТИ К ПЕРЕРАБОТКЕ............................................................ 126

5.1. Вредные примеси в нефтях и их влияние на транспортировку и переработку нефти 126

5.2. Дегазация и стабилизация нефти. Потери легких фракций нефти при ее транспортировке и хранении................................................................................................................................. 128

5.3. Обезвоживание и обессоливание нефтей. Технологическое и аппаратурное оформление процессов обезвоживания и обессоливания...................................................................... 132

5.3.1. Факторы, способствующие стабилизации и разрушению водонефтяных эмульсий 133

5.3.2. Методы разрушения нефтяных эмульсий............................................................. 135

5.3.2.1. Механические методы..................................................................................... 135

5.3.2.2. Термохимические методы............................................................................... 136

5.3.2.3. Электрические методы.................................................................................... 137

5.4.Особенности подготовки высоковязких нефтей......................................................... 140

5.5. Смешение нефтей........................................................................................................... 141

Глава 6 ПЕРВИЧНАЯ ПЕРЕГОНКА НЕФТИ...................................................................... 144

6.1. Методы переработки нефти и нефтяных фракций..................................................... 144

6.2. Методы перегонки нефти и нефтяных фракций......................................................... 145

6.2.1. Перегонка нефти и нефтяных фракций с однократным и многократным испарением 146

6.2.2. Перегонка нефти и нефтяных фракций в присутствии испаряющего агента.. 149

6.2.3. Перегонка нефти и нефтяных фракций под вакуумом....................................... 150

6.2.4. Экстрактивная и азеотропная ректификация....................................................... 150

6.3. Подвод и отвод тепла в колонны ректификации....................................................... 151

6.4. Четкость ректификации при перегонке нефти и ее фракций.................................... 154

6.5. Материальный баланс перегонки нефти. Характеристики получаемых продуктов и направления их использования.................................................................................................................. 155

6.6. Расчет ректификационных колонн.............................................................................. 159

6.6.1. Отбензинивающая колонна.................................................................................... 159

6.6.2. Расчет основной атмосферной колонны............................................................... 160

6.6.3. Колонна стабилизации........................................................................................... 161

6.6.4. Колонна вторичной перегонки бензина............................................................... 161

6.6.5. Технологический расчет блока вакуумной перегонки....................................... 161

6.7. Перегонка нефти с ректификацией.............................................................................. 163

6.8. Установка прямой перегонки нефти............................................................................ 166

6.9. Интенсификация процесса прямой перегонки нефти................................................ 166

6.10. Комбинирование установки АВТ со вторичными процессами.............................. 172

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................... 174

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Представить себе современную жизнь без энергоносителей невозможно. Малейшие сбои в энергообеспечении ведут к серьезным последствиям. При этом одним из основных источников энергии на современном этапе являются нефть и углеводородные газы. Пик их доли в общем энергопотреблении человечества пришелся на шестидесятые годы 20 века, однако и в настоящее время их суммарная доля в Мировом топливно-энергетическом балансе существенно превышает другие источники энергии. Нефть и природный газ останутся важнейшими энергетическими источниками еще не одно десятилетие и в 21 веке.

Еще более важная роль отводится нефти и газу как ценнейшему сырью для нефтехимического синтеза и производства продуктов различного назначения, таких как: кокса, технического углерода, битумов, парафинов, минеральных масел, растворителей и др. Поэтому, вопросы технологии их рациональной глубокой переработки, получения качественных продуктов с улучшенными эксплуатационными и экологическими свойствами, сохраняют актуальность как на сегодняшний день, так и в ближайшем обозримом будущем.

Развитие нефте- и газоперерабатывающей промышленности в 21 веке трудно представить без высококвалифицированных инженеров-технологов, владеющих современными представлениями о природе углеводородного сырья, новейшими мировыми и отечественными достижениями в области теории и практики технологии переработки нефти и газа.

В данном конспекте лекций представлены материалы из общего курса «Химическая технология топлива и углеродных материалов», касающиеся, в первую очередь, физико-химических свойств нефти, ее отдельных фракций и углеводородных газов, технологии подготовки к переработке и переработки нефти (атмосферной и вакуумной перегонки) и углеводородных газов, ассортимента продуктов, выпускаемых нефте- и газоперерабатывающими предприятиями, аппаратурного оформления рассматриваемых технологий.

Для того чтобы качественно освоить курс «Химической технологии топлива и углеродных материалов» студентам необходимо иметь прочные знания по целому ряду естественнонаучных и общеинженерных дисциплин, а именно: неорганической, органической, физической, аналитической и коллоидной химии, химии нефти, математике, физике, теплотехнике, процессам и аппаратам химической технологии, теоретическим основам технологии топлива и углеродных материалов и др.

После изучения дисциплины «Химическая технология топлива и углеродных материалов» в полном объеме студенты должны:

- иметь ясное представление о теоретических основах процессов переработки нефти и углеводородных газов;

- знать основные технологические схемы процессов нефте- и газопереработки, принципы работы оборудования и аппаратуры;

- уметь производить расчеты основного технологического оборудования, используемого на предприятиях нефте- и газопереработки;

- освоить методики анализа нефтепродуктов и углеводородных газов.

Предлагаемый конспект лекций направлен на более глубокое изучение первичных процессов переработки нефти и газа, которые находясь в голове общей технологической схемы, определяют работу любого нефтеперерабатывающего завода.

Автор выражает признательность ассистенту кафедры ТТУМ
А.С. Ширкунову и ведущим инженерам И.М. Радостевой и О.Ю. Радостевой, принявшим участие в редактировании и подготовке рукописи конспекта лекций к изданию.

 

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

 

АСПО – асфальто-смолисто-парафиновые отложения;	ВМК – вязкостно-массовая константа;
НДС – нефтяные дисперсные системы;	ИТК – истинная температура кипения;
ВМС – высокомолекулярные соединенияния;	ОИ – однократное испарение;
ССЕ – сложные структурные единицы;	ПАВ – поверхностно-активные вещества;
ИВ – индекс вязкости;	ОЧ – октановое число;
н.к. – начало кипения;	ЦЧ – цетановое число;
к.к. – конец кипения;	ДИ – дизельный индекс;
yi, xi – мольные концентрации i -го компонента в паровой и жидкой фазах соответственно;	,  – массовые концентрации i -го компонента в паровой и жидкой фазах соответственно:
mi – масса i -го компонента, кг;	М – молекулярная масса, кг/кмоль;
k – константа фазового равновесия;	V М – мольный объем (V М = 22,414 м^3/кмоль;
V – объем, м^3;	Ni – число молей i -го компонента;
ρ – плотность, кг/м^3;	Р – давление в системе, Па;
ρ^204 и ρ^1515 – относительная плотность;	pi – парциальное давление компонента в паровой фазе, Па;
t – температура, °С;	t кр – критическая температура, °С;
Т – абсолютная температура, К;	Т кр – критическая температура, К;
К – характеристический фактор;	Р кр – критическое давление, Па;
f – летучесть (фугитивность), Па;	h – динамическая вязкость, Па×с;
α – относительная летучесть;	Ψ – подвижность смеси, 1/Па×с;
μ – коэффициент сжимаемости;	n – кинематическая вязкость, м^2/с;
n ^20 D – показатель преломления, коэффициент рефракции;	ВУ – вязкость условная, условные градусы Энглера, °ВУ;
σ – поверхностное напряжение, Н/м;	τ – напряжение сдвига, Па (Н/м^2);
Р нас – давление насыщенных паров i- го компонента, находящегося в жидкой фазе при температуре равновесия;	с – истинная удельная теплоемкость, Дж/(моль×К), Дж/(м^3×К), Дж/(кг×К)
γ – коэффициент активности;	Q – количество тепла, Дж;
λ – теплопроводность, Вт/(м×К);	q – энтальпия, Дж/кг;
l – теплота испарения, Дж/кг;	L – теплота плавления, Дж/кг;
R – универсальная газовая постоянная (R = 8,3148 Дж/(моль×К) = 8314,8 Па×м^3/(кмоль×К));	Р атм – нормальное атмосферное давление (Р атм = 760 мм рт. ст. = 101325 Па» 0,1 МПа).
е – массовая доля отгона паровой фазы;

ПЕРЕВОД ВНЕСИСТЕМНЫХ ЕДИНИЦ
В ЕДИНИЦЫ СИ

 

Температура:

t (°С) = T (К) – 273;

t (°F) = 1,8 t (°С) + 32.

 

Давление:

1 мм рт. ст. (миллиметр ртутного столба) = 133,322 Па;

1 атм (физическая атмосфера) = 101325 Па = 760 мм рт. ст.» 0,1 МПа;

1 ат (техническая атмосфера) = 98066,5 Па = 735,5 мм. рт. ст.;

1 кгс/см² (техническая атмосфера) = 98066,5 Па = 735,5 мм. рт. ст.

 

Вязкость:

1 П (Пуаз) = 0,1 Па×с;

1 сП (сантипуаз) = 10^–3 Па×с = 1 мПа×с;

1 Ст (Стокс) = 10^–4 м²/с;

1 сСт (сантистокс) = 10^–6 м²/с = 1 мм²/с.

 

Теплота:

1 ккал = 4187 Дж;

1 ккал/ч = 4187/3600 Вт = 1,1630 Вт = 1,1630 Дж/с.

 

Теплота сгорания:

1 кг у.т. (килограмм условного топлива) = 29,31 МДж/кг = 7000 ккал/кг.

 

Глава 1
КРАТКИЙ ОБЗОР МИРОВОГО И ОТЕЧЕСТВЕННОГО РАЗВИТИЯ НЕФТЯНОЙ, НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ. НЕФТЕ- И ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ РАЗВИТИЯ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИСХОЖДЕНИИ НЕФТИ И ГАЗА, БУРЕНИИ СКВАЖИН И ТРАНСПОРТЕ НЕФТИ И ГАЗА