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 топлив получают огромное количество углеводородного сырья для производства пластических масс, химических волокон, синте­тических каучуков, лаков, красителей, растворителей и т.п. Так, например, при коксовании углей получают: бензол, то­луол, ксилолы, фенол, нафталин, антрацит, водород, метан, этилен и другие продукты. 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, моторных топлив, 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 топлива по агрегатному состоянию делятся на твер­дые, жидкие и гааообразные; по происхождению — на есте­ственные и искусственные {См.табл.}.

Искусственные топлива получают в результате переработ­ки естественных топлив.

Виды топлива

Твердые топлива состоят из горючей органической массы и негорючей, или минеральных примесей и баласта. 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 роматического (арены).

Газообразные парафиновые углеводороды от СН₄ до С₄Н₁₀ находятся в нефти в растворенном состоянии и могут быть выделены из нее в виде попутных газов при добыче
нефти. Жидкие парафиновые углеводороды от С₅Н₃₄ до С₁₅Н₃₄ составляют основную массу жидкой части нефти и жидких фракций, получаемых при ее переработке.

Твердые парафиновые углеводороды от С₁₆Н₃₄ 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 состоит из 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: свободная, отделяе­мая от нефти при отстаивании; 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 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 а 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 разделяет 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 химические превращения, в ре­зультате которых образуются новые вещества.

Термический крекинг— химический метод переработки нефти, суть которого заключается в расщеплении длинных молекул тяжелых углеводородов, входящих в высоко-кипящие 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 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% А1₂О₃, 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 вышеописанных методов переработки естест­венных топлив получают искусственные твердые, жидкие и га­зообразные топлива, а также важнейшие виды нефтепродуктов.

В результате коксования углей получают следующие про­дукты:

1. Кокс — продукт темно-серого цвета, пористость ко­торого составляет 45—55%, содержит 97—98% углерода. В зависимости от назначения делится на:

а) доменный кокс — крупный, более 40 мм в диаметре, прочный и пористый. По содержанию серы подразделяется на марки КД-I, КД-2, КД-3. Содержание серы не должно превышать 1,3—1,9%;

б) литейный кокс (марки КЛ). Нижний предел крупности— 25 мм в диаметре. Содержание серы в нем допускается не выше 1,2—1,3%. Он имеет меньшую пористость и прочность по сравнению с доменным коксом;

в) коксовый орешек (КО) применяется для производства ферросплавов. Размер 10 — 25 мм в диаметре. Коксик — фракция от 10 до 20 мм — применяется для газификации;

г) коксовая мелочь (фракция диаметром менее 10 мм) применяется для агломерации;

д) кокс, не пригодный для технических нужд из-за большого содержания золы и серы, а также вследствие низких механических свойств, используется в качестве топлива.

2. Обратный коксовый газ содержит 60% водорода и 25% метана, остальное — азот, окись углерода, углекислый газ, кислород, непредельные углеводороды. При­меняется для подогрева воздушного дутья в доменных печах, для обогрева сталеплавильных, коксовых и других печей, а также служит сырьем для производства водорода и аммиака.

3. Сырой бензол состоит из бензола, толуола, ксилола, сероуглерода, фенолов и др. Вещества, входящие в состав сырого бензола, широко используются в производстве
полимеров, красителей, лекарственных препаратов, взрывча­тых веществ, ядохимикатов и др.

4. Каменноугольная смола является сме­сью ароматических углеводородов. Ее используют для произ­водства красителей, химических волокон, пластических
масс, в фармацевтической промышленности, а также для производства различных технических масел.

Продукты прямой перегонки нефти можно разделить на три группы: 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 температурами кипения 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 осветительного керосина, а также в 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.

Maзут - фракция, включающая углеводороды, пара­фин, маслянистые и смолистые вещества с температурой ки­пения свыше 300 °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 от 350 до 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 мягчителей 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