Сущность и экономическая оценка технологических процессов переработки топлива

Топливом называются твердые, жидкие и газообразные горючие вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для химической промышленности.

В результате химической переработки различных видов топлива получают огромное количество углеводородного сырья для Производства пластических масс, химических волокон, синтетических каучуков, лаков, красителей, растворителей и т.п. При добыче нефти из нее выделяют «попутные» газы, которые содержат метан, этан, пропан, бутан и другие углеводороды, используемые в химической промышленности. Источниками углеводородного сырья служат также газы, полученные в результате переработки нефти (крекинге, пиролизе, риформинге). Эти газы содержат предельные углеводороды- метан, этан, пропан, бутан и непредельные углеводороды - этилен, пропилен и др. Кроме того, при переработке нефти могут быть получены и ароматические углеводороды: бензол, толуол, ксилол и их смеси. Одним из важнейших видов химического сырья является природный газ, содержащий до 98% метана. Древесина и древесные отходы являются источником получения целлюлозы, этилового спирта, уксусной кислоты, фурфурола и ряда других продуктов. Из сланцев и торфа производят горючие газы, сырье для производства масел, моторного топлива, высокомолекулярных соединений и т.п.

Сжигание топлива обеспечивает энергией тепловые электростанции, промышленные предприятия, транспорт, быт. Значение топлива как химического сырья с каждым годом растет.

Поскольку в мировом топливном балансе повышается роль твердого топлива, то во всем мире разрабатывают методы получения из углей и сланцев дешевого жидкого и газообразного топлива, а также химического сырья.

Развитие угольной и ядерной энергетики даст в будущем возможность прекратить потребление нефти и природного газа в энергетических целях и полностью передать эти виды топлива в сферу промышленности как сырье для химической промышленности, а также для синтеза белков и жиров.

Все виды топлива по агрегатному состоянию делятся на твердые, жидкие и газообразные; по происхождению – на естественные и искусственные (см.табл. 2).

Искусственное топливо получают в результате переработки естественного топлива.

Таблица 2

Виды топлива

Твердое топливо состоит из горючей органической массы и негорючей (минеральных примесей) и балласта. Органическая часть топлива состоит из углерода, водорода и кислорода. Помимо этого в ней могут содержаться азот и сера. Негорючая часть топлива состоит из влаги и минеральных веществ.

Важнейшим жидким топливом является нефть. Нефть содержит 80-85% углерода, 10- 14% водорода и представляет собой сложную смесь углеводородов. Помимо углеводородной части в нефти имеются небольшая неуглеводородная часть и минеральные примеси. Углеводородная часть нефти состоит из углеводородов трех рядов: парафинового (алканы), нафтенового (циклены) и ароматического (арены).

Газообразные парафиновые углеводороды от СН4 до СдНю находятся в нефти в растворенном состоянии и могут быть выделеныизнее в виде попутных газов при добыче нефти. Жидкие парафиновые углеводороды от С^Нц до С1зНз4 составляют основную массу жидкой части нефти и жидких фракций, получаемых при ее переработке.

Твердые парафиновые углеводороды от Ск.Н.м.и выше растворены в нефти и могут быть выделены из нее.

Нафтеновые углеводороды представлены в нефти главным образом производными циклопентана и циклогексана.

Ароматические углеводороды содержатся в нефти в. виде бензола, толуола, ксилола в небольших количествах.

Неуглеводородная часть нефти состоитиз сернистых, кислородных и азотистых соединений. Кислородные соединения — это нафтеновые кислоты, фенолы, смолистые вещества.

Минеральные примеси - это механические примеси, вода, минеральные соли, зола. Механические примеси - твердые частицы песка, глины, пород - выносятся из недр земли с потоком добываемой нефти.

Вода в нефти присутствует в двух видах:

а) свободная, отделяемая от нефти при отстаивании;

б) в виде стойких эмульсий, которые могут быть разрушены только специальными методами.

Минеральные соли, например, хлориды магния и кальция, растворены в воде, содержащейся в нефти.

Зола составляет в нефти сотые и даже тысячные доли процента.

Твердые виды топлива перерабатывают следующими методами:

пиролиз или сухая перегонка, газификация и гидрирование.

Пиролиз осуществляется при нагревании топлива без доступа воздуха. В результате протекают физические процессы, например, испарение влаги, и химические процессы - превращение компонентов топлива с получением ряда химических продуктов. Характер отдельных процессов, протекающих при переработке различных топлив, различен. В основном все они требуют подвода тепла извне. Нагрев реакционных аппаратов производится горячими дымовыми газами, которые передают тепло топливу через стенку аппарата или же при непосредственном соприкосновении с топливом.

Газификация — процесс переработки топлива, при котором органическая часть его превращается в горючие газы в присутствии воздуха, водяного пара, кислорода и других газов. Этот процесс экзотермический. Температура газификации составляет 900 - 1100 °С.

Гидрирование—переработка твердого топлива, при которой под влиянием высокой температуры, при действии водорода и в присутствии катализаторов происходят химические реакции, приводящие к образованию продуктов, более богатых водородом, чем исходное сырье. Качество и количество продуктов, полученных при гидрировании, зависит от вида перерабатываемого топлива, от условий проведения процесса и ряда других факторов.

Методы переработки нефти различны и их можно разделить на две группы: физические и химические.

Физические методы переработки основаны на использовании физических свойств фракций, входящих в состав нефти. Химических реакций при этих методах переработки не протекает. Наиболее распространенным физическим методом переработки нефти является ее перегонка, при которой нефть разделяют на фракции.

Химические методы переработки основаны на том, что под влиянием высоких температур и давления в присутствии катализаторов углеводороды, содержащиеся в нефти и нефтепродуктах, претерпевают превращения, в результате которых образуются новые вещества.

Термический крекинг — химический метод переработки нефти, суть

которого заключается в расщеплении длинных молекул тяжелых углеводородов, входящих в высококипящие фракции, на более короткие молекулы легких, низкокипящих продуктов. Термический крекинг протекает при высоких температурах 450 - 500 °С и повышенном давлении. Термический крекинг, проводимый при температуре 670 -1200 °С и при атмосферном давлении, химические называется пиролизом.

Каталитическим называется крекинг с применением катализатора. Применение катализатора позволяет снизить температуру крекинга и не только увеличить количество получаемых продуктов, но и улучшить их качество. Катализаторами служат глины типа бокситов, а также синтетические алюмосиликаты, содержащие 10-25% АL₂Оз, SiO₂. Температура крекинга — 450 - 500 °С. Процесс идет при повышенном давлении Разновидностью каталитического крекинга является риформинг. Катализатором служит платина, нанесенная на окись алюминия.

С помощью описанных методов переработки естественных видов топлива получают искусственное твердое, жидкое и газообразное топливо, а также важнейшие виды нефтепродуктов.

Продукты прямой перегонки нефти можно разделитьна тригруппы: топливные фракции, масляные дистилляты и гудрон Наиболее ценной топливной фракцией являются бензины, в состав которых входят углеводороды с температурой кипения 180 - 200 °С. Бензины применяются.

как компоненты автомобильных и авиационных бензинов и в качестве растворителей.

Лигроины включают углеводороды с температурамикипения 105-220 °С. Легкий лигроин (с температурой кипения 105-150 °С) используется как сырье для дальнейшей переработки на бензины, а тяжелый - как компонент реактивных топлив или растворителей для лакокрасочной промышленности. Керосины - углеводородная фракция с температурами кипения 140 - 330 °С. Применяются в качестве осветительногокеросина, а такжев качестве реактивных и дизельных топлив.

Газойль - фракции с температурами кипения до 400 °С. Легкий газойль (соляр) является основой дизельных топлив. Тяжелые газойли являются сырьем для дальнейшей переработки.

Мазут - фракция, включающая углеводороды, парафин, маслянистые и смолистые вещества с температуройкипения свыше300 °С. Легкие мазуты применяются в качестве котельного топлива и топлива газовых турбин; тяжелые - идут на дальнейшую переработку.

Масляные дистилляты - фракции, состоящие из углеводородов С₂₀ – С₇₀. Температуры кипения веществ, входящих в их состав, составляют 350°- 550 °С. Масляные дистилляты применяют для получения большого количества смазочных и специальных масел.

Гудрон состоит из смолистых веществ, парафинов и некоторого количества тяжелых углеводородов циклического строения. Гудрон-полупродукт для получения битумов и кокса. Некоторые виды гудрона Применяются в качестве смягчителей для резиновой промышленности.

Продуктами крекинга являются: крекинг—бензины, крекинг—газы и крекинг-остаток.

Крекинг-бензины применяют в качестве компонентов автомобильных бензинов. Крекинг-газы используются в качестве топлива и как сырье для синтеза органических соединений. Крекинг-остаток является смесью смолистых и асфальтовых веществ с некоторым количеством непрореагировавшего сырья. Применяется крекинг-остаток как котельное топливо и сырье для производства битума.

К технико-экономическим показателям нефтеперерабатывающей и коксохимической промышленности относятся: производительность и мощность оборудования, интенсивность процесса, производительность труда, себестоимость продукции, капитальные затраты. Коксохимическая и нефтеперерабатывающая отрасли промышленности характеризуются высокой материале- и энергоемкостью. Затраты на сырье при производстве нефтепродуктов составляют 50 - 75%. Следовательно, основным фактором, влияющим на себестоимость, является снижение затрат на тонну выпускаемой продукции, которое можно осуществить совершенствованием технологических процессов переработки нефти и кокса, применением каталитических процессов, более совершенных аппаратов и комплексной автоматизации, что ведет к сокращению капитальных затрат, затрат на энергию и пар, повышение производительности труда.

Раздел V