На каких свойствах нефти основана ее фракционная перегонка
Под фракционной перегонкой понимают 
процесс многократной дистилляции, результатом которого станет разделение сложной смеси, состоящей из нескольких ингредиентов, на отдельные фракции. Часто этот процесс еще называют дробной перегонкой.
Фракционная перегонка известна человечеству очень давно. Уже в 10-м веке персидский ученый и врач Авиценна описывал дистилляцию как способ получения эфирного масла.
Процесс основывается на различиях между составом жидкой перегоняемой смеси и образующегося пара. Сначала испаряются легколетучие вещества с низкой температурой кипения, они конденсируются в холодильнике и отводятся в приемный сосуд. Естественно, там окажется и какой-то процент веществ с более высокой температурой кипения. По мере того, как низкокипящая фракция будет уходить из реакционной смеси, температура перегоняемого раствора будет расти, и испаряющиеся пары будут состоять уже в основном из более высококипящей фракции. После конденсации их собирают в другой сосуд.
После того, как прошла первая дистилляция, полученные фракции перегоняют снова и снова, чтобы добиться максимальной чистоты каждого компонента исходной смеси.
Для лучшего разделения фракций на выходе из реакционной колбы (до холодильника) применяются дефлегматоры. В дефлегматоре частично конденсируются пары более высококипящей составляющей. Образовавшийся конденсат называется флегмой, он стекает обратно в реакционный сосуд. Пары же более низкокипящей жидкости проходят в холодильник, после которого собираются в приемном сосуде.
Обычные лабораторные дефлегматоры позволяют разделять компоненты, кипящие с разницей температур не менее 30 °С.
Устройство для фракционной перегонки
Аппарат не сильно отличается от установки для простой перегонки. В его конструкцию входят те же:
- реакционная колба,
- нисходящий холодильник Либиха (с водяным охлаждением для смесей с температурой кипения до +120 °С, и с воздушным охлаждением для более высококипящих),
- насадка для отвода паров к холодильнику и алонж для сбора в приемный сосуд,
- приемный сосуд;
- баня, плитка, термометры.
Главное отличие — наличие вертикального дефлегматора. Он устанавливается в горловину реакционного сосуда. В его верхнюю горловину вставляют насадку для соединения с конденсатором. Верхний выход насадки закрывают пробкой или термометром.
В качестве дефлегматора обычно применяется елочный обратный конденсатор с большой эффективной поверхностью соприкосновения.
Процесс фракционной перегонки
Температуру паров доводят до температуры кипения первой фракции — низкокипящего компонента. Удерживая температуру на этом уровне, собирают в приемник эту фракцию с небольшим содержанием паров других компонентов.
После того, как содержание низкокипящей фракции в смеси уменьшается,
температура паров повышается. При превышении на 2-5 градусов, приемный сосуд меняют и начинают собирать промежуточную фракцию, состоящую из смеси паров разных компонентов.
Когда температура паров станет равна t кипения второй фракции, приемный сосуд снова меняют, и начинают собирать следующую фракцию. Промежуточную фракцию потом перегоняют или, если ее немного, утилизируют.
Перегонку продолжают до тех пор, пока в реакторе не останется около 2-3 мл жидкости.
После окончания перегонки смеси начинают перегонять полученные фракции, чтобы сделать их более чистыми.
Фракционная перегонка нефти – процесс разделения ее на фракции по температурам кипения.
Перегонка (дистилляция) – это физический метод разделения, основанный на испарении жидкости и конденсации паров, обогащенных летучим компонентом.
Термин «дистилляция» означает «разделение по каплям» или «стекание по каплям».
Перегонку можно проводить:
1.периодически;
2.непрерывно.
При периодической перегонке содержимое перегонного аппарата частично или полностью отгоняется. В этом процессе происходит непрерывное изменение состава паровой и жидкой фаз, а также температуры отбора паров.
При непрерывной перегонке продукт непрерывно вводят в перегонный аппарат. При этом обычно разделение паровой и жидкой фаз происходит однократно, поэтому такой процесс называется однократной перегонкой или однократным испарением. В этом процессе образующая паровая фаза остается в равновесии в смеси с жидкой до установления конечной (заданной) температуры. Фазы разделяются после установления этой температуры.
Перегонкой можно разделить до определенной степени смесь компонентов, температуры кипения которых отличаются более чем на 50ºС.
Определение фракционного состава нефти в аппарате АРНС (ГОСТ 2177-99):
Сущность метода заключается в перегонке 100см3 испытуемого образца и проведении постоянных наблюдений за показателями термометра и объемами конденсата.
Образцы, в которых явно присутствует вода, для фракционирования не пригодны. Их необходимо предварительно обезвоживать.
Подготовка аппаратуры:
Заполняют охлаждающую баню холодильника, например колотым льдом, водой, льдом с солью и водой или раствором этиленгликоля, так чтобы вся трубка холодильника находилась в охлаждающей жидкости.
При использовании колотого льда добавляют достаточное количество воды для того, чтобы покрыть всю трубку холодильника.
Для сохранения необходимой температуры в бане холодильника при необходимости добавляют циркуляцию, перемешивание или продувку воздухом.
Аналогичные меры следует предусмотреть для поддержания температуры охлаждающей бани мерного цилиндра.
Остатки жидкости удаляют из трубки холодильника, протирая ее куском мягкой ткани без ворса, прикрепленной к жгуту или медной проволоке.
Отбирают 100см3 пробы мерным цилиндром и переносят по возможности полностью в колбу для перегонки, соблюдая все меры предосторожности, так чтобы ни одна капля жидкости не попала в пароотводную трубку.
Вставляют термометр через отверстие плотно пригнанной пробки в горловину колбы так, чтобы ртутный шарик термометра располагался по центру горловины колбы и нижний конец капилляра находился на одном уровне с самой высокой точкой нижней внутренней стенки пароотводной трубки.
Колбу с пробой устанавливают на подставку и с помощью пробки, через которую проходит пароотводная трубка, плотно соединяют с трубкой холодильника; закрепляют колбу в вертикальном положении так, чтобы пароотводная трубка входила в трубку холодильника на расстояние 25…50 мм.
Мерный цилиндр, которым отмеряли пробу для испытания, помещают без высушивания в баню для цилиндра под нижний конец трубки холодильника с таким расчетом, чтобы конец трубки холодильника на ходился в центре цилиндра и входил в него на расстояние не более 25 мм, но не ниже отметки 100 см3. Плотно закрывают цилиндр куском фильтровальной бумaги или другого аналогичного материала, подобранного так, чтобы он плотно прилегал к трубке холодильника.
Если температура воздуха, окружающего цилиндр, выше 18ºС, используют охлаждающую баню, а цилиндр погружают так, чтобы жидкость покрывала отметку 100 см3.
Проведение испытаний по методу Б. При перегонке темных нефтепродуктов, полученных из парафинистых нефтей и имеющих температуру застывания выше -5ºС, а также жидкого парафина температура воды в ванне холодильника в начале перегонки должна быть (50±2)ºС, а к концу перегонки может подниматься до 60…70ºС за счет теплообмена.
При перегонке нефти вначале температура воды в холодильнике должна быть 0…5ºС. Перегонку ведут без подачи проточной воды в холодильник.
При перегонке парафинистых нефтей при достижении 250ºС температуру воды в холодильнике доводят до 50ºС, добавляя в нее горячую воду.
Нагревают колбу так, чтобы до падения первой капли конденсата с конца трубки холодильника в соответствующий цилиндр прошло при перегонке нефти 5…10мин, жидких парафинов и темных нефтепродуктов — 10…15 мин.
Oтмечают температуру, показываемую термометром в момент падения первой капли конденсата с конца трубки холодильника в мерный цилиндр, записывают как температуру начала перегонки (начала кипения).
Затем мерный цилиндр устанавливают так, чтобы конденсат стекал по стенке цилиндра. Далее перегонку ведут с равномерной скоростью 2…5см3/мин, что соответствует примерно 20…25 каплям за 10с (количество капель за 10 с, соответствующее скорости перегонки 2…5 см3/мин, уточняется для каждой трубки холодильника отдельно). Для проверки скорости перегонки по количеству капель цилиндр отставляют на короткий промежуток времени от конца трубки холодильника.
Начальную перегонку темных нефтепродуктов ведут так, чтобы скорость отгона первых 8…10см3 была 2…3 cм3/мин. Далее перегонку ведут со скоростью 4…5 см3/мин.
При перегонке нефти скорость отгона в начале должна быть 2…5 см3/мин, а затем 2…2,5 см3/мин (1 капля в 1с).
В процессе перегонки производят записи, которые включают показания термометра при указанном проценте отгона или процент отгона при заданном показании термометра.
После достижения конечной температуры, установленной в нормативной документации на испытуемый нефтепродукт, нагрев колбы прекращают, дают стечь конденсату в течение 5 мин и записывают объем жидкости в цилиндре.
Если в нормативной документации на испытуемый нефтепродукт нормируется температура конца кипения, колбу нагревают до тех пор, пока ртутный столбик термометра не остановится на некоторой высоте, а после этого начинает опускаться. Максимальную температуру, показываемую при этом термометром, записывают как температуру конца кипения. При появлении белых паров анализ считается недействительным для таких продуктов за температуру конца кипения принимают температуру, при которой произошла остановка ртутного столбика термометра и еще не появились белые пары. После этого нагрев колбы прекращают, дают стечь конденсату в течение 5 мин и записывают объем жидкости в цилиндре.
Перегонку нефти ведут до 300ºС, при этом отмечают температуру начала кипения и объемы конденсатов при 100, 120, 140, 150, 160ºС и далее через каждые 20ºС до 300ºС.
Все отчеты ведут с погрешностью не более 0,5 см3 и 1ºС.
После прекращения нагрева колбу охлаждают в течение 5 мин, снимают термометр, отсоединяют колбу от трубки холодильника и осторожно выливают горячий остаток из колбы в измерительный цилиндр вместимостью 10см3. Цилиндр с остатком охлаждают до (20±3) ºС и записывают объем остатка с погрешностью не более 0,1см3.
Разность 100см3 и суммы объемов конденсата и остатка записывают как процент потерь при перегонке.
При перегонке нефти остаток не измеряют.
За результат испытания принимают среднее арифметическое результатов двух последовательных исследований. Результаты перегонки оформляют в таблицах.
Примечание: определение выхода отгона при температуре 350ºС, остатка в колбе и потерь при перегонке ГОСТом не предусмотрены.
Расхождения между двумя последовательными определениями фракционного состава при измерении объемов конденсата не должны превышать 1см3, для остатка – 0,2см3.
Таблица. Перегонка по методу Б
| Тем-ра н.к., ºС | Выход отгона, % при температуре, ºС | Оста ток в колбе, % | Потери при пере- гонке, % | ||||||||||||
Атмосферная перегонка (дистилляция) — разделении нефти на фракции, путем многократного испарения и конденсации паров, проводящийся при нормальном (атмосферном) давлении.
Первый из двух процессов первичной перереработки нефти.
Технологический процесс
Подготовленная в ходе специальной процедуры нефть (см. Подготовка нефти к переработке) нагревается в специальной печи до температуры около 380 °С. В результате получается смесь жидкости и пара, которая подается в нижнюю часть ректификационной колонны — основного блока атмосферной дистилляции нефти.
Ректификационная колонна представляет собой внушительных размеров (до 80 метров высотой и до 8 метров в диаметре) трубу, вертикально разграниченную внутри так называемыми тарелками со специальными отверстиями. Когда нагретая смесь подается в колонну, легкие пары устремляются вверх, а более тяжелая и плотная часть отделяется и опускается на дно.
Поднимающиеся вверх пары конденсируются, и образуют на каждой тарелке слой жидкости толщиной около 10 см. Отверстия в тарелках снабжены так называемыми барботажными колпачками, благодаря которым поднимающиеся пары барботируют сквозь эту жидкость. Пары при этом теряют тепло, передавая его жидкости, и часть углеводородов переходит в жидкое состояние. Данный процесс «пробулькивания»и есть суть ректификации. Далее пары поднимаются к следующей тарелке, где барботирование повторяется. Кроме этого, каждая тарелка оснащена так называемым сливным стаканом, который позволяет избытку жидкости переливаться на нижнюю тарелку.
 | Барботажные колпачки и сливные стаканы в ректификационной колонне (схематичное изображение) |
Таким образом, посредством атмосферной перегонки нефть разделяется на фракции (или погоны). Однако, для более эффективного разделения используют следующие технологические приемы.
Орошение и повторное испарение
Для исключения попадания тяжелых продуктов в верхнюю часть колонны, пары периодически направляют в холодильник. Сконденсированные в холодильники вещества возвращают на одну из нижних тарелок. Такой процесс называется орошением ректификационной колонны.
С другой стороны, некоторое количество легких углеводородов может вместе с током жидкости оказаться в нижней части колонны. Эта проблема решается пропусканием отбором жидкости из определенного места колонны и повторным ее пропусканием через нагреватель. Таким образом легкие углеводороды снова поступают в колонну в виде пара. Описанный процесс называется повторным испарением.
| Орошение и повторное испарение | |
Орошению и повторному испарению можно подвергать фракции, взятые из любой части колонны. В результате этих процессов некоторые молекулы несколько раз проходят весь путь по колонне, испаряюсь и снова конденсируясь. Такой подход обеспечивает наиболее эффективное разделение нефти, а ректификационная колонна по своей сути является комплексом перегонных аппаратов совмещенных воедино.
Границы кипения фракций
Принципиально важной и основной характеристикой фракций являются ее границы кипения – температуры, при которых продукты перегонки отделяются друг от друга.
Точка Начала Кипения (ТНК) – температура, при которой фракция начинает кипеть
Точка Выкипания (ТВ) – температура, при которой данная фракция полностью испарилась.
Номинально температура выкипания одной фракции должна являться температурой начала кипения соседней, более тяжелой фракции. Однако на практике процесс ректификации не идеален и в большинстве случаев (если не всегда) ТВ и ТНК соседних фракций не совпадает. Такое перекрытие принято называть «хвостами», а наиболее наглядно их можно видеть на кривых разгонки.
Для упрощение было введено понятие эффективных границ кипения, т.е. температур, при которых фракции условно считаются разделенными.
 | Перекрывающиеся кривые разгонки керосина и нафты | |
Отбор фракций на различных уровнях ректификационной колонны осуществляется через боковые отводы. Тяжелые фракции отбираются в нижней части колонны, более легкие (верхний погон) – в верхней. При этом границы кипения фракций можно устанавливать и регулировать, в зависимости от потребностей.
 | Схема разделения нефти на фракции в процессе атмосферной перегонки |
Практически все легкие продукты атмосферной дистилляции сразу отправляются на вторичную переработку, а прямогонный остаток (мазут) — на вакуумную перегонку.
Перегонка — это процесс, который широко используется в химической промышленности, а также в других отраслях. Рассмотрим подробнее данный процесс, взяв за основу переработку нефти. Она представляет собой смесь различных углеводородов, которые, в свою очередь, применяются во многих областях современного химического производства.
Интересные факты
Перегонка — это химический процесс, который происходит при повышенных температурах. Ученые считают, что нефть является остатками растений и животных, которые населяли миллионы лет назад нашу планету. Благодаря переработке можно рассчитывать на получение важного сырья для народного хозяйства.
Перегонка — это возможность выделения разнообразных веществ из исходного соединения. К примеру, это актуально для получения разных видов топлива путем перегонки нефти. То многообразие продуктов, которое можно получить, свидетельствует о значимости и важности переработки в промышленных масштабах.
Современные тенденции
Постепенно добыча угля, а также его переработка отошла на второй план, уступив место нефти и газу. Это и стало стимулом для создания химической технологии, позволяющей перерабатывать данное природное сырье. Как осуществляется выделение разных органических веществ из исходного сырья?
Перегонка — это химический процесс или физический процесс? Попробуем разобраться в данном вопросе, выявить его особенности.
Процесс перегонки нефти осуществляется для получения качественного (чистого) продукта. На первом этапе идет обессоливание, последующее обезвоживание на аппаратах. Данный период завершается содержанием в нефти 2-3 мг на 1 литр.
При изменении температуры происходит удаление жидких углеводородов. После того как проект начинает кипеть, осуществляются реакции по выделению определенных фракций. Температура зависит от количественного состава (углеводородов). По данному показателю выделяют:
- бензин (рекомендуемая температура составляет 180 градусов);
- реактивное топливо (диапазон температур 190-230 градусов);
- дизельное топливо.
После завершения процесса перегонки нефти появляется мазут, применяемый в промышленных отраслях для обслуживания и ремонта механизмов.
Первичная переработка приводит к выработке различных компонентов.
Во многих случаях первичная переработка предполагает проведение дополнительных процедур очистки и отфильтровывания полученных компонентов. В оставшейся смеси содержится достаточно много иных углеводородов, которые также необходимо выделять.
Получение чистого продукта
Перегонка — это в химии важный процесс, ведь именно с его помощью можно получать множество органических соединений. Современное оборудование и полная автоматизация процесса позволяют вести речь о различных способах получения множества продуктов из натурального сырья. Перегонка — это многоэтапный процесс, который предполагает несколько вариаций:
- равновесная дистилляция (техника однократного испарения) предполагает постепенное нагревание продукта по появления пара, последующего разложения его на отдельные компоненты;
- ректификация;
- фракционная перегонка.
Самой популярной считается дистилляция, так как выход продуктов гораздо больше, чем при обычном выпаривании. При фракционной перегонке можно на первом этапе получить топливо и компоненты, используя без дополнительной очистки сырье.
Подведем итоги
Первым технологическим процессом переработки нефти считается ее первичная перегонка. Подобные установки в настоящее время функционируют на каждом нефтеперерабатывающем комбинате. Прямая перегонка базируется на различных температурах кипения у углеводородов, сходных по физическим свойствам.
Происходит нагревание смеси до кипения (возможно частичное испарение). В результате образуется остаток и дистиллят, отличающиеся по составу от первоначальной смеси. На современных устройствах, предназначенных для перегонки нефти, применяют однократное испарение.
Оно позволяет выводить низкокипящие фракции, а после снижения парциального давления выводятся остальные фракции. Так как перегонкой невозможно получить конечные продукты, которые кипят только в конкретных интервалах, после однократного испарения происходит ректификация нефтяных паров.