Как с помощью колонны с «тарелками» превратить нефть в бензин и другие полезные продукты
«Кем ты хочешь стать, когда вырастешь?» — спрашивали ребят на уроках в школе и подогревали детский интерес к будущей профессии яркими примерами. Некоторые школьники уже тогда знали, кем станут во взрослой жизни, и проявляли свой талант. Молекулы нефти, словно люди, с «рождения» обладают разными «предрасположенностями»: одни могут стать составляющими бензина, другие — авиационного керосина, третьи — дизельного топлива. Достаточно лишь «подогреть интерес» таких молекул и «раскрыть их потенциал» с помощью простого физического процесса — перегонки.
«Талант» углеводородов — молекул, из которых состоит нефть, — определяется их молекулярной массой и физическими свойствами. Углеводороды с близкими массами и похожими свойствами объединяются в «кружки по интересам» — фракции: бензиновая, дизельная, керосиновая и другие. Например, легкая бензиновая фракция, из которой получают самое популярное топливо на планете, кипит при температуре 28–150 градусов, имеет плотность 0,71–0,76 грамма на кубический сантиметр и замерзает при минус 60 градусах.
Чем меньше молекулярная масса углеводородов определенной фракции, тем меньше и ее температура кипения. Этот принцип используется для «записи в кружки по интересам», то есть разделения на фракции методом простой перегонки. Очищенную от попутного нефтяного газа и примесей нефть постепенно нагревают до нескольких сотен градусов и конденсируют пар последовательно выкипающих фракций: сначала легких, затем средних и потом тяжелых.
Впервые процесс перегонки освоили в Древнем Египте, когда получали из кедровой смолы масло для бальзамирования. В Древнем Риме перегоняли вино для получения красителя. Перегонку также называют дистилляцией. Ее применяли александрийские алхимики, а затем освоили средневековые фармацевты. В XIII веке флорентийский медик Тадео Альдеротти впервые разделил жидкость на несколько фракций — он работал с этанолом.
«Уроки профориентации» для фракций нефти
В наши дни нефть перегоняют в ректификационной колонне. Это вертикальный цилиндр с перегородками внутри, которые напоминают тарелки. Так как более легкие фракции испаряются из нефти первыми, они поднимаются по колонне выше. Каждую фракцию при этом можно разделить на несколько узких — например, бензиновая состоит из бензольной, толуольной и ксилольной. Чем выше колонна и чем больше в ней «тарелок», тем больше узких фракций можно получить. На современных нефтеперерабатывающих заводах высота колонн превышает 50 метров.
Часть паров, оседающих на «тарелке» или в пространстве колонны, стекает вниз. Эта жидкость встречается с поднимающимся паром. Происходит теплообмен, в результате кипящий при невысокой температуре конденсат снова превращаются в пар и поднимается, а кипящий при более высокой температуре пар, наоборот, конденсируется и стекает. Зачем нужен этот круговорот пара? Так полученные продукты будут разделены на фракции, а не смешаны друг с другом.
Когда в 30+ лет еще не знаешь, кем станешь во взрослой жизни
Не каждый человек с детства понимает, в чем его призвание. Компоненты нефти также могут разделиться на фракции далеко не сразу. Поэтому существует несколько способов перегонки методом ректификации. Кроме однократного испарения в одной ректификационной колонне есть двукратное в двух последовательно расположенных колоннах, а также перегонка с предварительным испарением легких фракций в дополнительной колонне.
Для особо «сомневающихся» углеводородов ректификационные колонны могут быть вакуумными — в них фракции кипят при минимальном давлении и более низкой температуре. Здесь даже самые тяжелые молекулы, которым не «суждено» было стать светлыми нефтепродуктами, могут превратиться в легкий вакуумный газойль (желтая жидкость легче воды) и после очистки стать сырьем для дизельного топлива.
Ректификационная колонна не в силах разделить только тяжелый газойль и гудрон. Из них делают ценные продукты на других установках нефтеперерабатывающих заводов. Гудрон становится битумом — компонентом асфальта или крыши в доме, а длинные молекулы тяжелого газойля помощи каталитического крекинга разделяют на короткие — составляющие бензина. Но это уже совсем другая история.
