Destylacja ropy naftowej

Przetwórstwo (rafinacja) polega na odseparowaniu związków chemicznych obecnych w surowej ropie naftowej. Jest to zadanie wieloetapowe. Pierwszy krok to destylacja.

Jest to proces rozdzielania ropy naftowej na różne frakcje, w zależności od temperatury wrzenia jej składników. Przeprowadza się go zwykle w dwóch typach kolumn destylacyjnych: pod ciśnieniem atmosferycznym, w celu separacji lekkich węglowodorów i próżniowych, w których oddzielane są cięższe węglowodory. Produkty destylacji mogą być końcowymi lub stać się surowcami dla innych zakładów.

Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony schemat instalacji destylacji. Składa się ona z dwóch kolumn, ADU (Atmospheric Distillation Unit) i VDU (Vacuum Distillation Unit), dwóch podgrzewaczy oraz sieci wymienników ciepła. Ostatnie są wykorzystywane do wstępnego ogrzewania surowca, typowo do temperatury +280°C, ciepłem odzyskanym z oddzielonych frakcji, a zarazem schłodzenia strumieni produktów destylacji od temperatury wrzenia do +60°C. Wymienniki ciepła są najczęściej typu płaszczowo-rurowego.

W podgrzewaczu, w miarę zwiększania temperatury, ropa naftowa paruje. Na jego wyjściu zwykle nie zostaje całkowicie odparowana – typowo tylko w 75%, a jej temperatura mieści się w przedziale +350...+380°C. Wsad (ropa naftowa) przed podaniem do podgrzewacza może być magazynowany w temperaturze pokojowej albo przejść przez wspomnianą sieć wymienników ciepła.

 

Rys. 1. Schemat instalacji destylacji ropy naftowej

Jak działa kolumna destylacyjna?

ADU to długa kolumna, z wieloma półkami, która pracuje pod ciśnieniem atmosferycznym albo większym, typowo 200 kPa. Półki są perforowane, żeby możliwy był przepływ pary. Są dwu- albo czteroprzepływowe. Z dołu wprowadza się przegrzaną parę o temperaturze około +350°C, żeby zmniejszyć ciśnienie cząstkowe w kolumnie i w ten sposób poprawić odparowanie i separację ropy naftowej. Ciepło jest usuwane przez górny skraplacz. Ropa jest wprowadzana od dołu kolumny. W miarę parowania unosi się.

Poszczególne frakcje osiadają na kolejnych półkach w sekcji rektyfikacyjnej, skąd są odprowadzane w zależności od ich temperatury wrzenia. Lekkie produkty, które mają niskie temperatury wrzenia, mają tendencję do unoszenia się, natomiast cięższe frakcje, o wyższych temperaturach wrzenia, do opadania. Patrząc od dołu kolumny mamy następujące produkty destylacji: nieskroplone resztki pary przekazywane do drugiego podgrzewacza w celu zwiększenia ich temperatury w przedziale od +350°C do +400°C przed wprowadzeniem do drugiej kolumny, resztki doprowadzane wprost do niej, ciężki olej napędowy, średni olej napędowy, lekki olej napędowy oraz naftę lotniczą (kerosen). Bardzo lekkie produkty jak butan, poza ulegającą skropleniu naftą, wychodzą jako para na górze kolumny.

VDU pracuje w warunkach próżni, co jest konieczne, by oddzielić ciężkie frakcji, a zarazem pozwala na destylację w niższych temperaturach niż w kolumnie ADU. Podciśnienie wynosi zazwyczaj 18 kPa w strefie odparowania oraz 10 kPa na szczycie kolumny. VDU opiera się na tej samej zasadzie działania co ADU, ale ma mniejszą liczbą półek i wyjść, z których odprowadzane są oleje o różnej lekkości.

Pomiary pH w kolumnach destylacji

Ropa naftowa zawiera też niepożądane składniki, inne niż węglowodory, w tym wodę, sole siarki, chlorki, amoniak, różne metale. Zanieczyszczenia mają tendencję do gromadzenia się w górnej części kolumny destylacyjnej wraz z parą wodną. Opary te przechodzą do skraplacza, a następnie do separatora oleju od wody. Ponieważ zanieczyszczenia są lepiej rozpuszczalne w wodzie niż w oleju, mają tendencję do gromadzenia się w skroplinach, powodując ich zakwaszenie.

Nieoczyszczona kwaśna woda powoduje powstawanie wżerów w rurociągach, skraplaczach, górnej części kolumny. Aby zminimalizować korozję, od góry dozuje się środki neutralizujące. Szybkość ich podawania jest regulowana na podstawie wyników pomiaru pH wody pochodzącej z separatora. Wymagana wartość tego współczynnika wynosi na ogół od 5,5 do 7.

Pomiar pH wody powstałej w procesie destylacji ropy naftowej jest trudny. Resztki węglowodorów zmieszane ze skroploną wodą mają tendencję do blokowania porowatego złącza w elektrodach pH, a produkty uboczne, jak siarkowodór, mogą je zatruć, zanieczyszczając elektrolit odniesienia. Poza tym mierząc pH bezpośrednio w linii technologicznej za skraplaczem, elektrody naraża się na wpływ wysokich temperatur i ciśnienia. Dlatego typowa żywotność czujników pH w kolumnach destylacyjnych wynosi nierzadko zaledwie tydzień.

Aby ją wydłużyć, zaleca się wybór specjalnych, wysokociśnieniowych i wysokotemperaturowych, elektrod. Ponadto warto zastosować układ kondycjonowania mierzonej próbki w celu ochłodzenia skroplonej wody i zmniejszenia jej ciśnienia. Nie tylko zwiększy to żywotność czujnika, ale także uprości jego demontaż w celu czyszczenia i kalibracji. Warto też przeszukać ofertę dostawców sond pH pod kątem odporności materiałów ich złączy na zatykanie węglowodorami.