Фракционный состав что это
ХИМИЯ НЕФТИ
ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ НЕФТИ
Определения
. Для всех индивидуальных веществ температура кипения при данном давлении является физической константой. Так как нефть представляет собой смесь большого числа органических веществ, обладающих различным давлением насыщенных паров, то говорить о температуре кипения нефти нельзя.
В условиях лабораторной перегонки нефти или нефтепродуктов при постепенно повышающейся температуре отдельные компоненты отгоняются в порядке возрастания их температур кипения, или, что то же самое, в порядке уменьшения давления их насыщенных паров. Следовательно, нефть и ее продукты характеризуется не температурами кипения, а температурными пределами начала и конца кипения и выходом отдельных фракций, перегоняющихся в определенных температурных интервалах. По результатам перегонки и судят о фракционном составе.
называется доля нефти, выкипающая в определенном интервале температур. Нефти выкипают в очень широком интервале температур, в основном, от 28 до 520-540°С. Фракционный состав нефти определяется стандартным методом (ГОСТ 2177–82) по результатам лабораторных испытаний при разделении соединений по температурам кипения методом фракционирования (разгонки) нефти, отгона или смеси соединений на установках АВТ (атмосферно-вакуумная трубчатка).
фракции считают температуру падения первой капли сконденсированных паров.
фракции считают температуру, при которой испарение фракции прекращается.
Нефтяные фракции
В зависимости от температурных диапазонов выкипания нефтяные фракции (продукты разделения нефти) подразделяют на:
Определение фракционного состава
Фракционный состав определяется стандартным методом по ГОСТ 2177-99 (метод аналогичен распространенной за рубежом разгонке по Энглеру), а также различными способами с применением лабораторных колонок. Для пересчета температур выкипания, полученных стандартной перегонкой (Тгост) в истинные температуры кипения (Титк) предложена формула:
При нагреве такой сложной смеси, как нефть, в паровую фазу прежде всего переходят низкокипящие компоненты, обладающие высокой летучестью. Частично с ними уходят высококипящие компоненты, однако концентрация низкокипящего компонента в парах всегда больше, чем в кипящей жидкости. По мере отгона низкокипящих компонентов остаток обогащается высококипящими. Поскольку давление насыщенных паров высококипящих компонентов при данной температуре ниже внешнего давления, кипение в конечном счете может прекратиться. Для того чтобы сделать кипение безостановочным, жидкий остаток непрерывно подогревают. При этом в пары переходят все новые и новые компоненты со всевозрастающими температурами кипения. Отходящие пары конденсируются, образовавшийся конденсат отбирают по интервалам температур кипения компонентов в виде отдельных нефтяных фракций.
Перегонку нефти и нефтепродуктов с целью разделения на фракции можно осуществлять с постепенным либо с однократным испарением. При перегонке с постепенным испарением образующиеся пары непрерывно отводят из перегонного аппарата, они конденсируются и охлаждаются в конденсаторе-холодильнике и собираются в приемник в виде жидких фракций.
Еще более четкое разделение происходит при перегонке с ректификацией. Аппарат для такой перегонки состоит из перегонной колбы, ректификационной колонки, конденсатора-холодильника и приемника.
Определение фракционного состава нефтей и нефтяных фракций проводится в лабораторных условиях. Наибольшее распространение в лабораторной практике получили следующие виды перегонки.
Фракционный состав нефти
Из Википедии — свободной энциклопедии
Фракционный состав является важным показателем качества нефти. В процессе перегонки на нефтеперерабатывающих заводах при постепенно повышающейся температуре из нефти отгоняют части — фракции, отличающиеся друг от друга пределами выкипания.
Также указываются следующие точки кипения фракций нефти: [3] [4]
Cогласно БСЭ газойль получается при 200—400°С и занимает промежуточное положение между лёгкими маслами (температурный интервал смазочных масел 350—500°С [2] ) и керосином, используется в качестве дизельного топлива или для каталитического крекинга); [5]
Последнее время [ когда? ] фракции, выкипающие до 200 °С, называют лёгкими, или бензиновыми, от 200 до 300 °С — средними, или керосиновыми, выше 300 °С — тяжёлыми, или масляными.
Все фракции, выкипающие до 350 °С, называют светлыми, остаток после отбора светлых дистиллятов (выше 350 °С) называется мазутом. Дальнейшая ректификация мазута при атмосферном давлении крайне затруднена, поэтому его разгоняют под вакуумом, [ источник не указан 638 дней ] при этом получают следующие фракции в зависимости от переработки:
Получение масел происходит в следующих температурных интервалах: [ источник не указан 638 дней ] 300—400 °С — лёгкая фракция, 400—450 °С — средняя фракция, 450—490 °С — тяжёлая фракция, более 490 °С — гудрон. Асфальтосмолопарафиновые отложения (АСПО) также относят к тяжёлым компонентам нефти — Тпл
Нефтяные фракции
Современная цивилизация строится на использовании углеводородов, в частности нефти и продуктов ее переработки. При этом значение данного полезного ископаемого не ограничивается лишь тем, что оно является источником моторного топлива. Напротив, существуют целые промышленные производства – нефтеперегонные и нефтехимические, которые имеют большое значение для экономики нашей страны, а продукты перегонки нефти в последующем используются практически в каждой отрасли народного хозяйства.
Массовое использование нефтепродуктов – явление, которое имеет свои корни в относительно недавнем прошлом. По сути, до XIX века нефтяные промыслы были единичными и использовали «черное золото» в основном в качестве освещения и отопления. Однако было вполне очевидно, что именно развитие нефтяной промышленности обеспечит технологический прорыв человечества. Недаром известный русский ученый Д. И. Менделеев сравнивал использование нефти для отопления со сжиганием для этих целей ассигнаций (бумажных денег).
В то же время следует понимать, что сырая нефть в чистом виде, которая добывается в скважинах, практически не имеет применения, по крайней мере, на сегодняшний день. Используются же продукты переработки, а для ее осуществления необходимо наличие развитых нефтеперерабатывающих мощностей.
Что такое фракционный состав нефти
Нефть – уникальное природное полезное ископаемое, которое представляет собой черную жидкость маслянистой консистенции, имеющую специфический вид и запах. На сегодняшний день нет единого научного мнения о ее происхождении в природе. Так, наиболее популярная теория гласит, что процессы нефтеобразования проходили миллионы лет, а само полезное ископаемое являет собой остатки органических веществ. Иными словами, нефть образовалась из очень древних живых организмов.
Несмотря на то что данная теория получила всеобщее признание, отдельные ученые заявляют, что этот природный ресурс имеет абиогенное происхождение. Иными словами, нефть есть результат химического и физического воздействия высоких температур и давления на неорганические вещества.
Это полезное ископаемое крайне неоднородно распространено по планете. Так, наиболее крупные месторождения приходятся на районы Персидского и Мексиканского заливов, Западную Сибирь, Каспий, Норвежское море и т. д. На сегодняшний день многие из них близки к исчерпанию, что заставляет правительства и нефтяные компании проводить усиленную геологоразведку и совершенствовать методы нефтедобычи для разработки более труднодоступных участков залегания ресурса.
Нефть имеет крайне сложный химический состав. По сути, она состоит из огромного количества различных соединений, обладающих разной молекулярной массой. На сегодняшний день не существует методик, которые бы позволили получать из нефти-сырца необходимый конечный продукт. Однако возможно разделение ее на фракции, углубленная переработка которых позволяет решить данную проблему.
По сути, фракция нефти представляет собой определенную группу соединений, объединенных общими химическими свойствами. Основной их особенностью выступает тот факт, что выкипают они только в определенном температурном интервале. Это их свойство позволяет осуществлять процесс ректификации, то есть первичной перегонки нефти. При использовании различных методов очистки происходит вторичная перегонка для получения более качественного продукта.
В соответствии со стандартами, принятыми в нефтеперерабатывающей промышленности, существует определенная градация фракций. Так, они бывают:
В их число входят петролейная и бензиновая фракции. Они образуются при температуре до +140 градусов.
Считаются лигроиновые, керосиновые и дизельные. Вместе с легкими они относятся к светлым нефтяным фракциям.
При высокой температуре, составляющей более +350 градусов, и в условиях вакуума образовывается мазут (темная фракция). Из него путем углубленной перегонки получают вакуумный газойль, а также гудрон в качестве остатка.
Виды и свойства нефтяных фракций
Современные методы нефтепереработки позволяют проводить ректификацию сырой нефти для получения соответствующих фракций. Они имеют разные физико-химические свойства и, соответственно, применяются в различных отраслях промышленности и сферах народного хозяйства. Разберем каждую фракцию более подробно.
Петролейная
Является наиболее быстровыкипаемой фракцией и выделятся при ректификации одной из первых. Также она известна под некоторыми другими названиями. Несколько устаревшим среди них является термин «петролейный эфир», что говорит о летучести и легкости этих нефтяных соединений. Название «масло Шервуда» более распространено в западных странах.
Петролейный эфир состоит из легких углеводородов, преимущественно пентанов и гексанов. По своему внешнему виду он представляет собой несколько маслянистую совершенно бесцветную жидкость, плотность которой довольно низкая.
Температуры, при которых происходит выделение петролейной фракции, также весьма небольшие и составляют от +45°С до +70°С для легкого эфира и от +70°С до +100°С для тяжелого.
Масло Шервуда используется, в первую очередь, в качестве растворителя, в том числе и в нефтеперерабатывающей промышленности, а также представляет собой довольно экологичное и дешевое топливо для небольших горелок и зажигалок.
Бензиновая
Состав бензиновой фракции намного более сложный по сравнению с петролейной. В ее числе элементы на парафиновой основе, такие как: циклогесксан, метилциклопент и некоторые другие. В целом, имеется более 200 различных химических веществ.
Следует отметить, что количество различных видов углеводородов в составе бензиновых соединений может быть различным, равно как и октановое число. Оно непосредственно зависит от качества нефти из конкретного месторождения. Для повышения качества конечного продукта нередко используется нефтяная смесь.
Получают соединения бензинового типа при температуре от +100°С до +140°С.
Продукты углубленной переработки используются для получения топлива для двигателей внутреннего сгорания (тот же автомобильный бензин), а также ароматических эфиров, используемых в нефтехимической промышленности.
Лигроиновая
За счет того, что содержание нафтенов в ней значительно превышает количественное число парафинов, эта фракция также известна под названием «нафта». Кроме этого, она содержит большое количество ароматических эфиров.
Температура, при которой возможно вскипание нафты, составляет от +140°С до +180°С. Здесь же следует отметить, что в ее составе довольно большое естественное содержание серы.
Лигроиновые фракции используют для того, чтобы получить керосин и реактивное топливо. Кроме этого, из тяжелой нафты получается бензин с высоким октановым числом. В промышленности ее используют в качестве растворителя.
Любопытный факт, что до того момента, как стали использовать специальное дизельное топливо, именно нафта применялась для изготовления топливных смесей для тракторов, грузовиков и проч.
Керосиновая
В состав керосиновой фракции входят углеводородные соединения с углеродным числом от 6 до 12. При этом в ней отмечается повышенное содержание изопарафинов. И, напротив, содержание ароматических углеводородов относительно низкое.
Получают ее при температуре от +180°С до 315°С.
Данная фракция является основной для получения качественного реактивного топлива, для чего используется метод гидрокрекинга.
Кроме этого, она применяется для изготовления керосина, получаемого в качестве топлива для осветительных фонарей, а также уайт-спирита – широко распространенного в промышленном производстве растворителя.
Дизельная
Дизельное топливо получают из нефти при температуре кипения от +220°С до +350°С. Применяется в дизельных двигателях. В своем составе содержит циклогексаны и циклопентаны. Отмечается большое количество нафтенов при небольшом содержании ароматических углеводородов. В зависимости от качества нефти в дизельном топливе может присутствовать небольшое число органических веществ.
Следует отметить, что двигатели подобного типа используются в транспортных средствах, которые применяются для работы в довольно суровых климатических условиях. При низких температурах дизельное топливо может застыть. Чтобы этого не произошло, при нефтеперегонке используются методы дополнительной дефрагментации для снижения количества содержания в нем нафтенов. Также качество дизеля повышается за счет применения катализаторов гидроочистки, что, впрочем, относится ко всем легким фракциям.
Мазут
Открывает класс тяжелых нефтяных фракций. Его получают при температуре от +350°С до +500°С. При этом используется метод вакуумной перегонки.
Мазут представляет собой вязкую субстанцию с температурой застывания от +10°С до +40°С.
Его состав многокомпонентен. Так, имеются сложные углеводороды с молекулярной массой до 1000. Кроме этого, присутствуют нефтяные смолы. Имеются органические соединения.
Практическое использование мазута зависит от степени его вязкости. Согласно стандартам по этим критериям выделяются три его вида. Все из них используются в качестве топлива на ТЭЦ и небольших теплоподстанциях.
Гудрон
Эта фракция являет собой остаток после выкипания всех остальных. Гудрон содержит большое количество всевозможных примесей и тяжелых металлов. Кроме этого, в его составе имеются парафины, нафтены, ароматические углеводороды невысокого качества.
Остаток после ректификации нефти имеет широкое промышленное применение. Так, из него делают технологический кокс и битум, которые используются при строительстве автодорог и в строительной сфере.
Методы определения фракционного состава нефтепродуктов
Такое сложное по своему составу полезное ископаемое как нефть имеет разное качество. Оно зависит от конкретного месторождения. Кроме этого, даже в пределах одного из них нефть в разных слоях залегания также имеет неоднородный состав. В этой связи анализ фракционного состава нефтепродуктов имеет принципиальное значение в нефтеперерабатывающей промышленности.
Сегодня на территории стран СНГ действует единый стандарт этой процедуры, установленный межгосударственным ГОСТом 2177-99, который полностью соответствует международному ISO 3405-88.
Так, выделяется два метода определения наличия фракционного состава нефти.
Применяется для легких фракций нефти. Для этого используется специальный прибор, который изготовлен из особого закаленного стекла, способный выдержать высокую температуру.
Сам метод заключается в планомерном нагревании испытуемого образца (примерно 100 мл нефтепродукта). При этом при помощи специальных формул и графиков фиксируется начало и окончание парообразования, а также объем полученного продукта в рамках каждого температурного диапазона.
Принцип проведения исследования аналогичен тому, что используется в методе А, однако в качестве оборудования используются специальные приборы, которые создают крайне высокие температуры в условиях вакуума. Применяется для определения состава тяжелых фракций.
Фракционный состав нефти
Определение состава нефти и ее продуктов происходит путем разделения по температурам кипения методом перегонки и ректификации.
Нефть, газовые конденсаты и их фракции представляют собой многокомпонентную смесь из соединений углеводородов. В составе нефти содержатся сотни органических соединений. Поэтому определение состава этой смеси как совокупности всех входящих в их состав соединений — сложнейшая и не всегда разрешимая задача.
Расходы на покупку сырой нефти, составляющие около 80% расходов НПЗ, наиболее важный фактор, определяющий рентабельность нефтяной компании. Качество и ценность сырой нефти зависят от ее кривой ИТК, определяющей содержание фракции светлых нефтепродуктов, выкипающих до 360°C, фракции 360-540°C и кубового продукта (>540°C), и содержания примесей, таких как сера, азот, металлы и т.д.
Однако кривая ИТК не отражает химического состава нефтяных фракций, который, в свою очередь, влияет на выход и свойства продукции установок для преобразования и повышения сортности нефтепродуктов на НПЗ. Таким образом, знание кривой ИТК и химической природы фракций сырой нефти имеет чрезвычайно важное значение для улучшения экономических показателей НПЗ. К сожалению, для получение этой информации необходимы лабораторные анализы, требующие больших финансовых и временных затрат.
Основные фракции
Углеводородный газ
Газ, входящий в состав данной нефти состоит в основном из бутанов (73,9 % мас.) выход газов на нефть составляет 1,5 % мас. Пропан – бутановая фракция будет использована в качестве сырья газофракционирующих установок с целью производства индивидуальных углеводородов, топлива и компонента автомобильного бензина.
Фракция НК-62°С
Фракция НК-62°С будет использована как сырьё для процесса каталитической изомеризации с целью повышения октанового числа.
Фракция 62-85°С
Фракцию 62-85°С называют “бензольной”, она будет использоваться как компонент товарного бензина и для получения бензола.
Фракция 85-120°С
Фракция 85-120°С в смеси с фракцией 120-180°С будет использована как сырье для установки каталитического риформинга с целью повышения октанового числа. Предварительно отправляется на гидроочистку.
Фракция 120-180°С и 180-230°С
Фракция 120-180°С будет использована в смеси с фракцией 180-230°С как компонент реактивного топлива. Реактивное топливо не подходит по температуре вспышки, поэтому нужно удалить часть лёгких компонентов.
Индивидуальный состав нефтепродуктов
В настоящее время индивидуальный состав продуктов нефти может быть достаточно надежно определен методами газожидкостной хроматографии только для единичных бензиновых фракций. Поэтому индивидуальный углеводородный состав не может быть положен в основу прогнозных методов расчета теплофизических свойств (ТФС) ввиду его недоступности для потребителей.
В то же время фракционный состав и структурно-групповой углеводородный состав могут иметь более плодотворное применение на пути построения методов расчета теплофизических свойств нефти.
Поэтому ниже рассмотрены методики пересчета и экстраполяции кривых разгонок и способы расчета структурно-группового углеводородного состава фракций.
Фракционный состав нефти и нефтепродуктов
Определение данного вида состава нефти и ее продуктов происходит путем разделения по температурам кипения методом перегонки и ректификации.
Совокупность выхода (в процентах по массе или объему) отдельных фракций, которые выкипают в определенных температурных диапазонах, называется фракционным составом нефти, нефтепродукта или смеси. Для более полной характеристики определяется относительная плотность и средняя молярная масса каждого погона и смеси в целом. По результатам испарения строят кривую ИТК, которая содержит достаточно полную информацию о составе смеси.
Ректификация по ГОСТ 11011-85 в аппарате АРН-2 ограничивается температурой 450—460 °С из-за возможного термического разложения остатка. Проведение данного вида исследования нефтей рекомендуется в устройстве для перегонки АРН-2 по методу ГрозНИИ в колбе Мановяна до температуры выкипания 560—580 °С. При этом не происходит искажения кривой ИТК.
Фракционный состав, особенно светлых товарных нефтепродуктов и широких фракций, часто определяют перегонкой в аппарате Энглера по ГОСТ 2177-82, что значительно проще ректификации. Кривая разгонки по Энглеру позволяет достаточно надежно определить характеристические температуры кипения фракций. Однако при расчете фазовых равновесий предпочтительнее иметь кривую ИТК. Для получения такой кривой предложен ряд эмпирических процедур.
Например, для светлых нефтепродуктов известна методика БашНИИНП. Основываясь на том, что разность температур, полученных при разгонке товарного нефтепродукта по ИТК и по Энглеру, в определенной точке выкипания нефтепродукта является почти постоянной, можно записать
Характеризация физико-химических свойств (ФХС) узких нефтяных фракций (псевдокомпонентов)
При расчете процессов ректификации многокомпонентных смесей (МКС) необходимо использовать физико-химические и термодинамические свойства всех компонентов, составляющих разделяемую МКС. Поскольку в рассматриваемом случае декомпозиция исходной непрерывной смеси на псевдокомпоненты носит достаточно условный характер, процедура расчета физико-химических свойств отдельных псевдокомпонентов приобретает особое значение.
Известно [2], что любое химическое вещество обладает совокупностью характеристических констант, причем значения характеристических констант зависят от химического строения молекул вещества. Это положение может быть распространено и на псевдокомпоненты, особенно если значения характеристических констант определены экспериментально.
В качестве основной и минимально необходимой характеристики псевдокомпонента принята его среднеарифметическая (между началом и концом выкипания фракции) температура кипения.
Однако, эта температура не в полной мере характеризует псевдокомпонент, поскольку она не учитывает особенности состава нефтей различного типа (различных месторождений). Для более точной оценки ФХС псевдокомпонентов необходима информация об углеводородном составе фракций.
Эта информация в косвенной форме в кривых ОИ и ИТК содержится. Более того, по закону сохранения масс усредненные (среднеинтегральные) значения псевдохарактеристических констант и вероятного углеводородного состава для фракций, выделенных по сравниваемым кривым при одинаковых расходных пределах выкипания, должны совпадать (за исключением их температурных пределов выкипания) [2].
Поэтому для оценки углеводородного состава моторных топлив вполне допустимо использование кривой ОИ – как более простой и удобной при экспериментальном определении. Однако при расчете процессов разделения (прежде всего ректификации) необходимо использовать только кривую ИТК.
Для расчетов в качестве псевдохарактеристических констант всех компонентов (псевдокомпонентов) МКС используются стандартные свойства (температуры кипения, температуры фазовых переходов, давления насыщенных паров, плотности газовой и жидкой фаз при стандартных условиях, показатели преломления, вязкости, энтальпий и др.), а также критические свойства. Эти константы характеризуют химическую индивидуальность компонента, т.е. представляют «химический паспорт» вещества. Характеристические свойства являются функциями специфических химических параметров вещества: молярной массы и структуры молекулы вещества [2]:
| Фij=f(Мi, химическая формула). | (1.1) |
Из (1.1) следует, что все стандартные свойства оказываются взаимосвязанными и могут быть выражены друг через друга. Так молярная масса какого либо углеводорода (псевдокомпонента) может быть выражена в виде функции от его стандартных свойств: температуры кипения, плотности, показателя преломления и прочих свойств, а также от комбинации этих свойств. В качестве примера можно привести формулы Б. П. Войнова [3], Крега [4] и Мамедова [4] для расчета молекулярной массы углеводородов:
Поэтому количество вариантов расчета ТФС псевдокомпонентов оказывается достаточно большим, что в определенной мере затрудняет их практическое использование.
Для расчета ФХС широких нефтяных фракций, состоящих из нескольких псевдокомпонентов, используется правило аддитивности, т.е. вклад каждой узкой фракции в свойства более широкой фракции определяется относительной концентрацией узкой фракции в более широкой.
В УМП процедуры расчета ФХС для непрерывных смесей автоматизированы: пользователь в соответствии с принятой температурной разбивкой кривой ИТК на псевдокомпоненты задает пределы выкипания отдельных псевдокомпонентов (отдельных узких фракций), после чего заполняет спецификацию для каждого выбранного псевдокомпонента, задавая его характеристические свойства, известные пользователю.
В качестве минимально необходимой информации, как уже указывалось, должна быть задана средняя температура кипения псевдокомпонента, а в качестве дополнительной задаются свойства (плотность, показатель преломления и т.д.), известные пользователю. Чем более полно определена эта информация, тем точнее будет охарактеризован каждый псевдокомпонент, а значит, и точнее будут результаты последующего моделирования. Для примера на рис. 1.7 приведены кривые распределения характеристических свойств (tср, p, n) для прямогонного гидроочищенного бензина [2].
Рис. 1.7. Кривые распределения температуры кипения (tср), плотности (p) и показателя преломления (n) фракции прямогонного гидроочищенного бензина
В соответствии с принятым условием достаточно плавного изменения характеристических свойств при изменении температуры кипения отдельных компонентов (число индивидуальных компонентов очень велико) зависимости всех свойств от доли отгона вещества (или от температуры отгона) должны быть также непрерывными.
На основе данной информации могут быть рассчитаны все основные свойства (Tкр, Pкр, Zкр, энтальпийные характеристики) как отдельных псевдокомпонентов, так и среднеинтегральные значения этих свойств для фракции в целом, а также определены вероятные брутто-формулы гипотетических псевдокомпонентов [2].По сути такой же подход используется и при взаимном пересчете кривых ОИ и ИТК.
При этом наличие даже неполной информации (только отдельных свойств для отдельных фракций даже в ограниченном диапазоне изменения доли отгона) позволяет заметно повысить адекватность обобщающей информации. Так, для примера, приведенного на рис. 1.4, учет только одного свойства по фракции в целом (плотность мазута) заметно уточняет вид конечной характеристики (кривая ИТК).