В это время нефть была найдена в Баку (Россия), Пенсильвании (США) и многих других местах, начата её промышленная добыча и переработка.
Первым продуктом, добытым из сырой нефти, был керосин. Он стал широко применяться в лампах, быстро вытесняя другие масла. Однако, при дистилляции в керосин может быть переработано только 10% сырой нефти. Остальные продукты переработки не находили применения пока, не привлекли внимания Рудольфа Дизеля – изобретателя поршневого двигателя с воспламенением рабочей смеси от сжатия.
Первый двигатель Дизеля работал на угольной пыли, однако вскоре выяснилось, что жидкие нефтепродукты – лучшая альтернатива. В 1895 году прототип двигателя был завершен. С тех пор оба двигателя носят название Diesel.
В отличие от более легкого керосина, дизельное топливо представляет собой смесь углеводородов с температурой кипения от 150 до 380° C, которые также получаются из сырой нефти. Сама нефть состоит из углеводородов трех основных классов:
- парафиновые (алканы),
- нафтеновые (циклоалканы),
- ароматические углеводороды.
Цвет и консистенция сырой нефти может варьироваться от светло-коричневой или зеленоватой нефти с низкой плотностью, до черной плотной массы, напоминающей расплавленный гудрон. Жидкую нефть с низкой плотностью называют «легкой», а густую с высокой плотностью – «тяжелой». С энергетической точки зрения, «тяжелая» нефть более выгодна, однако её переработка более затратна.
В процессе переработки, нефть превращается в бензин, авиационный керосин, дизельное топливо и другие нефтепродукты, такие как сжиженный газ, топочный мазут, смазочные масла, парафин, асфальт. «Легкая» нефть содержит более легкие продукты, необходимые для производства транспортного топлива. Как правило, такая нефть имеют более низкое содержание серы.
Современные методы переработки могут превратить «тяжелую» нефть в более легкие нефтепродукты. Однако, это требует дополнительных расходов на более сложное технологическое оборудование, дополнительные шаги в процессе переработки, более высокие затраты энергии.
Процесс переработки сырой нефти можно разделить на три основные категории:
Разделение: сырье разделяется на фракции, которые имеют различные физических свойства. Наиболее распространенным является процесс дистилляции, когда в процессе нагрева компоненты сырой нефти разделяются на несколько потоков в зависимости от их температуры кипения. Дистилляция не изменяет химическую структуру входящих в сырую нефть углеводородов.
Преобразование: процессы изменяющие молекулярную структуру углеводородов входящих в состав нефти. Наиболее распространенными являются каталитический крекинг и гидрокрекинг. Название говорит само за себя. «Крекинг» - это когда крупные молекулы углеводородов преобразуются в более мелкие молекулы.
Апгрейдинг: используется для удаления из топлива нежелательных соединений, всегда присутствующих в некоторых количествах. Наиболее часто используемый процесс апгрейдинга дизельного топлива - гидроочистка, который включает в себя ряд химических реакций с водородными соединениями.
Схема современного НПЗ показана на рисунке. Функционирует завод следующим образом:
Первичная ректификационная колонна, работающая под атмосферным давлением, разделяет нагретую сырую нефть на ряд углеводородных потоков с различными температурами кипения. Эти компоненты называются прямогонными продуктами, например, прямогонное дизтопливо.
Осадок, который слишком тяжел для испарения при атмосферном давлении собирается и удаляется из нижней части колонны. На большинстве НПЗ, этот осадок перерабатывается в дальнейшем в вакууме.
Количество и качество углеводородов после первичной перегонки зависит от химического состава сырой нефти, которая определяет основные пропорции между получаемыми родуктами - бензином, дизельным топливом, мазутом и др. Однако, эти пропорции могут оказаться неприемлемыми для современного рынка.
Единственный способ сбалансировать структуру производства НПЗ с требованиями рынка – ввести дополнительные процессы переработки, превратить длинные молекулы углеводородов в более короткие путем нагревания под давлением в присутствии катализаторов.
Нефтеперерабатывающие заводы используют термический крекинг, каталитический крекинг и гидрокрекинг, также использующий катализатор, но осуществляющийся под высоким давлением, чтобы увеличить выход целевых продуктов крекинга и сократить количество нежелательных тяжелых фракций. Конечный продукт – дизельное топливо, получают путем смешивания продуктов крекинга с первичным дизтопливом.
Однако, компоненты дизтоплива могут потребовать различной степени очистки, чтобы снизить содержание серы, азота и других вредных соединений.
Для этого реализован целый ряд процессов называемых гидрообработкой с использованием водорода и соответствующего катализатора. Гидрообработка может быть «мягкой», когда удаляются реактивные соединения такие, как олефины и некоторые соединения серы, азота, и «жесткой», при которой удаляются практически все соединения серы и азота.
Моторное дизельное топливо, используемое на транспорте, довольно дорого и относится к классу дистиллятных топлив. Оно не содержит каких-либо более тяжелых углеводородов. Одновременно, печное и бункерное топливо содержат их в значительных количествах. Эти нефтепродукты, как правило, в значительной степени отличаются от дизельного дистиллята по своим свойствам.
