POČETAK EKSPLOATACIJE I ISTORIJSKI RAZVOJ PRERADE NAFTE

energetika energetika

POČETAK EKSPLOATACIJE I ISTORIJSKI RAZVOJ PRERADE NAFTE

Prema podacima prvu bušotinu u cilju eksploatacije nafte (zemnog ulja) izveo je pukovnik Edvin Drejk 1859. u Titusvilu SAD. Time je započela era eksploatacije nafte kao sirovine za goriva i hemijsku industriju. Ta prva bušotina je bila duboka samo dvadesetak metara. Drejk i njegovi suinvestitori su očekivali da će moći biti konkurentni na tržištu rasvete tako što će jedan derivat zemnog ulja - kerozin prodavati kao zamenu za kitovo ulje. Svi ostali derivati se tada nisu izdvajali ni koristili, pa je ostatak zemnog ulja bio ostavljen da prirodno otpari u atmosferu. Ponekad su lakši derivati bili spaljivani. Međutim, vrlo brzo su proizvođači shvatili da se ti sastojci mogu koristiti za grejanje stanova i kuća, kao i za proizvodnju pare.

≡ Autor teksta: Mihajlo Stambolić

Tridesetak godina nakon počela je separacija različitih proizvoda iz zemnog ulja u šaržnim procesima. Danas se takvi procesi smatraju lošim, energetski neefikasnim načinom izdvajanja produkata iz zemnog ulja. Takvi procesi su se odvijali u nizu kotlova u kome se nafta zagrevala i isparavala, a pare su zatim bile kondenzovane u kondenzatorima kako bi ponovo prešle u tečno stanje. Počevši od 1900-te godine procesi prerade su unapređeni tako što je više kotlova povezano u niz. Tako su nastali tzv. kontinualno šaržni procesi. Međutim i takvi procesi nisu bili energetski efikasni. Frakciona destilacija u kolonama sa podovima , koja se danas široko primenjuje u rafinerijama, nije bila uvedena u proizvodnju sve do 1920. godine. Ova tehnologija je bila primenjivana za destilaciju alkohola, a primena u rafinerijskim postrojenjima je počela nakon što je proizvodnja i prodaja alkohola bila zabranjena aktom o prohibiciji. Uvođenjem separacije nafte u kolonama sa podovima energetska efikasnost procesa je porasla za 25 %. Prvi automobili su kao pogonsko gorivo koristili kerozin. Izumom motora sa unutrašnjim sagorevanjem oko 1890, glavno pogonsko gorivo je postao benzin. To je znatno uticalo na promenu rafinerijskih procesa. Kako je broj automobila znatno porastao početkom dvadesetog veka, potrebe za benzinom, derivatom koji je do tada odbacivan, znatno su porasle. Da bi se zadovoljile potrebe auto saobraćaja dovelo je do prerade sve većih količina nafte, a time su povećane i količine ostatka iz prerade, frakcija koje se ostale neupotrebljene. Tada je otkriveno da se teži sastojci nafte mogu prevesti u lakše tako što će se teški molekuli “pocepati“ ako se teški sastojci dovoljno zagreju. Takvi proces pod nazivom termički kreking je patentirao Rus Vladimir Šukov 1890 g. Prvi termički kreking u SAD je počeo sa radom 1912. čime je znatno unapređen proces Šukova. Izum je došao u pravom momentu, jer je uvođenje električne energije istisnulo kerozin iz sistema rasvete, a pogon aviona na kerozin još nije bio uveden. Hemičari su 1921. godine otkrili da se oktanski broj benzina može znatno popraviti dodavanjem malih količina olovnih alkilata ( tetra etil olovo i tetrametil olovo). Dodavanjem ovih supstanci u gorivo znatno je podignuta efikasnost motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Međutim, emisije olova u izduvnim gasovima automobila veoma su negativno

Foto: pixabay.com uticale na životnu sredinu pa je u drugoj polovini 20 veka (posle 1970.) dodavanje olova u benzin zamenjeno dodavanjem drugih, manje štetnih, organskih jedinjenja (ETBE i drugi). Uvođenje katalizatora u procese prerade nafte počelo je 1936. Tada je počeo sa radom prvi katalitički kreker. On je bio fixed bed tipa (fiksni sloj postavljen na rešeteke na putu kretanja sirovine), a katalizator je bila prirodna glina. Ovim procesom udvostručena je količina kvalitetnog benzina dobijena krekovanjem teških sirovina, u odnosu na termički kreking. Nekoliko godina kasnije počeo je sa radom prvi pogon u kome se katalizator kretao u reaktoru zajedno sa sirovinom (Fluid Catalytic Cracker –FCC). Pogon je izgrađen 1940. u čuvenoj Baton Rouge rafineriji (SAD), u vlasništvu ESSO Co. U međuvremenu, nove generacije motora sa unutrašnjim sagorevanjem su zahtevale sve kvalitetnije gorivo. Da bi se zadovoljili ovi zahtevi, 1949. godine je počeo sa radom prvi katalitički reformer u Schellovoj rafineriji u SAD. Schell je reklamirao proizvedeni benzin kao “Super Schell sa Platformatom“.

Procesi hidriranja su postali značajniji u drugoj polovini dvadesetog veka. U ovim procesima tretiranje vodonikom služi za uklanjanje kontaminanata. Kontaminanti su bili vrlo nepoželjni jer su zagađivali okolinu, pa su ovakvi procesi postali važni u cilju smanjenja zagađenja i zaštite okoline. Prvobitna namena procesa Hidrokrekinga je bila povećanje proizvodnje benzina na račun srednjih destilata kao što su lož ulje za grejanje domaćinstva, dizel gorivo i kerozin. U rafinerijama su stalno pokušavali da konvertuju teške ostatke u lakše proizvode. Pri tome su se suočili sa naglim porastom stvaranja čvrstog ostatka (Coke-Petrolkoks) u procesnim posudama termičkog krekera. Problem je rešen ubrzanjem strujanja sirovine kroz proces, čime se odlaže stvaranje petrol koksa tako da se on može odvesti u posebnu posudu za odlaganje –Coke drum. Taj proces je nazvan Odloženo koksovanje ( delayed coking). Kako su propisi o zaštiti okoline postajali strožiji, prerađivači nafte su proizvodili za tržište sve više belih čistih derivata . Time je količina rezidualnog goriva- mazuta smanjena ili potpuno nestala a a ostajao je samo petrolkoks. ZNAČAJ POZNAVANJA PROCESA I HRONOLOGIJE NJIHOVOG UVOĐENJA U PRERADU NAFTE

U poslednjih šezdeset godina na proizvodnju goriva su veoma uticali propisi za zaštitu okoline u kojima se zahtevalo uklanjanje opasnih sastojaka iz izduvnih gasova automobila. Ti sastojci su sumporni oksidi, azotni oksidi, organske pare (nesagorele) i toksini. Pritisak ekoloških propisa je prisiljavao proizvođače da stalno usavršavaju svoje proizvodne procese, što je znatno uticalo na profitabilnost proizvodnje. U unapređenju proizvodnih procesa poseban napredak je ostvaren u usavršavanju katalizatora čime je povećana njihova efikasnost. Uprkos napretku, nekoliko osnovnih procesa su decenijama ostali neizmenjeni ili samo neznatno popravljeni. To su: • Procesi separacije- izdvajanja postojećih komponenti iz sirove nafte. Ti procesi mogu biti destilacija, adsorbcija ili absorbcija. U njima nema hemijskih reakcija pa molekuli originalnih komponenti ostaju neizmenjeni po sastavu i strukturi. • Procesi krekovanja-cepanja molekula. Oni se ovijaju uz pomoć katalizatora, sa i bez primene vodonika. U tim procesima se cepaju veliki molekuli i formiraju manji molekuli. Takvi procesi su termički kreking, katalitički kreking, hidrokreking i koking. • Pocesi preobikovanja molekula –reshaping. U takvim se procesima menja konfiguracija molekula pri čemu sastav ostaje isti, ali se menja odnos i veze pojedinih atoma u molekulu. Takvi procesi su Katalitički reforming i izomerizacija. • Procesi kombinovanja – U njima se iz manjih molekula stvaraju veći molekuli kako bi se nove komponente koristile u sastavu benzina. Takvi procesi su alkilacija i polimerizacija • Proces i uklanjanja kontaminirajućih sastojaka- Kontaminanti se uklanjaju hemijski putem uz primenu katalizatora i vodonika. Treba imati u vidu da u procesima separacije nema izmene sastava i konfiguracije molekula nego se izdvajaju grupe komponenti kao zasebne smeše. Sa druge strane u procesima promene strukture i konfiguracije molekula dolazi do hemijskih reakcija koje za posledicu imaju izmenjen hemijski sastav komponenti. Takvi procesi su kreking, reforming i alkilacija. U nekim od tih procesa nastaju samo manje promene, pa tako u procesima uklanjanja kontaminirajućih sastojaka kao što je sumpor, samo se nekoliko novih proizvoda stvara iz početne sirovine.

Plus u opremanju Vašeg Centra za obradu.

Povećajte efikasnost Vašeg sistema sa SCHUNK stezanjem tehnološke komponente: Ostvarite kraće vreme podešavanja i viši stepen fleksibilnosti.

Experience more at schunk.com/equipped-by

DESTILACIJA

Kad prolazimo pored rafinerije možemo pogrešno zaključiti da većina od mnogobrojnih kolona služi za potrebe krekinga. Međutim one uglavnom služe za potrebe fizičkog razdvajanja komponenti sirove nafte odnosno za destilaciju. Nasuprot njima kreking se uglavnom događa u reaktorima koji nisu uvek lako vidljivi. Destilaciona jedinica je bio epohalni izum koji omogućava razdvajanje grupa jedinjenja iz sirova nafte prema tački ključanja. Proces je naizgled jednostavan, ali je u stvari veoma složen.

JEDNOSTAVNI UREĐAJ ZA DESTILACIJU- KAZAN ZA RAKIJU

Svi koji peku rakiju znaju kakva je konfiguracija instalacije. U kazanu ispod koga je vatra zagreva se fermentirani mulj (džibra). U tom mulju fermentirani sastojak je alkohol. Sastojci iz kazana neće istovremeno isparavati. Prvo će ispariti sastojci sa najnižom tačkom ključanja, a to je metil alkohol a zatim etil alkohol. Sastojci u parnom stanju prolaze zatim kroz kondenzator u kome se usled hlađenja ponovo pretvaraju u tečnost. Oni koji peku rakiju znaju da će prvu količinu formirane tečnosti baciti (metil alkohol je veoma toksičan i opasan za zdarvlje i život). Kondenzator je posuda sa vodom kroz koju prolazi cevna zmija sa parama iz kazana. U kontaktu sa hladnim zidovima cevi para se hladi i ponovo postaje tečnost. Ako se temperatura u kazanu povisi nakon alkohola isparavaće i drugi produkti fermentacije kao što su aldehidi i kiseline. Ako se nađu u destilatu koji se konzumira mogu izazvati glavobolje, pa i trovanja.

Prvobitna šaržna destilacija, kazan za rakiju

U cilju smanjenja neželjenih sastojaka u konačnom proizvodu (rakiji), proizvođači su vršili ponovnu destilaciju dobijenog proizvoda (prepek). Tako su nastale instalacije za dvostepenu destilaciju kao na slici dole. Instalacije za razdvajanje komponenti sirove nafte su sve da 1920. izgledale slično ovima za pečenje rakije na slikama

Prvobitna šaržna destilacija, kazan za rakiju

Prvobitna šaržna destilacija, kazan za rakiju

Dvostepena destilacija

DESTILACIONA KOLONA

Jasno je da prethodno opisana polukontinualna operacija destilacije nije pogodna za preradu stotina hiljada barela nafte na dan, pri čemu se separišu samo 5 do 6 komponenti. Zbog toga je bilo neophodno uvođenje u rafinerijska postrojenja destilacione kolone, jer se u njoj destilacija odvija kontinualno sa mnogo manje uloženog rada, opreme i potrošnje energije.

Šematski prikaz destilacione kolone

Gornja slika prikazuje šta se događa u destilacionoj koloni: u nju u ulazi sirova nafta, a iz nje izlaze različiti proizvodi koji su frakcije destilacije. Da bi destilaciona kolona funkcionisala i vršila svoju funkciju potrebno je obezbediti sledeće: napojnu pumpu koja uzima sirovu naftu iz rezervoara i transportuje je u kolonu. Na putu od rezervoara do kolone, sirova nafta se mora zagrejati u procesnoj peći do temperature oko 400 o C. Eksperimentalno je utvrđeno da se na toj temperaturi više od polovine sadržaja sirove nafte prevede u gasovito agregatno stanje. To znači da se u kolonu uvodi smeša tečnosti i para. U procesnoj peći sirova nafta prolazi kroz cevi preko čijih zidova se vrši razmena toplote između plamena u peći i nafte. Ne postoji kontakt sa plamenom, koji bi mogao imati katastrofalne posledice.

Dvostepena destilacija

Šematski prikaz destilacione kolone

energetika energetikaPriprema sirovine za uvod u destilacionu kolonu Pod kolone sa otvorom za izlaz para i poklopcem

Unutrašnji delovi u destilacionoj koloni mogu imati različite oblike i varijante. Primer koji je u ovom tekstu opisan je najprostiji i najlaši za objašnjenje. Kasnije će biti prikazane alternativne konstrukcije unutrašnjih delova. U unutrašnjosti destilacione kolone se nalazi više horizontalnih pregrada kojie se nazivaju podovi “kolone“. Podovi su raspoređeni po visini kolone na rastojanju 30 do 60 cm. Kada smeša tečnosti i para sirove nafte uđe u kolonu, u skladu sa zakonom gravitacije, gušće odnosno teže komponente će težiti da se spuste na dno kolone a lakše komponente (gasovi odnosno pare) će se kretati naviše prema vrhu kolone. U podovima su napravljeni posebni poklopci koji omogućuju prolaz para naviše a istovremeno strujanje tečnosti naniže. Ti poklopci ( bubble cups) su tako konstruisani da omogućuju formiranje sloja tečnosti na podu. Tako gasovi koji struje naviše moraju da prođu kroz tu tečnost. Gasovi prolaze kroz tečni sloj u obliku mehurića. Prolaz mehurića gasova kroz tečnost i interakcija gasova i tečnosti pri tom prolasku je suština procesa destilacije. Prilikom kontakta gasova i tečnosti, dolazi do interakcije i razmene toplote, mehurići gasova se hlade. Teže komponente u gasovima se prilikom hlađenja kondenzuju i pretvaraju u tečnost pa ostaju u tečnom sloju dok lakše gasovite komponente nastavljaju svoj put prema sledećem podu iznad. Isti proces se odvija i u sledečem podu. Temperatura gasova prema zakonima fizičke hemije opada pri kretanju kroz podove prema vrhu kolone.

Pod kolone sa otvorom za izlaz para i poklopcem

OT/IT Integration for Digital Asset Management

Our smartLink HW-DP gives you controller-independent access to process data from PROFIBUS DP networks via OPC UA, MQTT, HART IP and FDT/DTM. This allows you to implement asset management and asset monitoring for new and existing PROFIBUS DP networks.

https://industrial.softing.com

U međuvremenu se količina tečnosti na svakom podu povećava, nivo tečnosti se podiže. Ta tečnost koja ima osobine frakcije destilacije, a to znači da predstavlja smešu jedinjenja ugljovodonika sa sličnom tačkom ključanja, se preko priključenog cevovoda odvodi iz kolone kao proizvod destilacije.

Pod kolone sa otvorom za izlaz para i poklopcem

Podovi kolone poklopci i prelivnici Podovi kolone poklopci i prelivnici

Kada nivo tečnosti na podu poraste, preliva se preko prelivnika u niži pod

REFLUX I REBOILING

U međuvremenu, nekoliko drugih procesa se odvijaju van destilacione kolone koji olakšavaju sam proces destilacije u koloni. Kako bi se osiguralo da neki molekuli težih ugljovodonika ne “pobegnu“ sa gasovima koji izlaze iz kolone na vrhu, uobičajeno da se gasovi i pare sa vrha kolone provedu kroz posudu hladnjaka. Taj hladnjak se naziva reflux jedinica. Snižavanjem temperature gasova, svi teži ugljovodonici će se kondenzovati odnosno prevesti u tečno agregatno stanje. Ta tečnost se zatim uvodi na neki pod kolone koji nije blizu vrha pa se preko prelivnika kreće ka nižim podovima i zavisno od tačke ključanja zadržava se na pojedinim podovima. Time se obezbeđuje veća čistoća proizvoda koji se odvodi sa vrha kolone. Kao što se u gasu koji se dovodi sa vrha kolone mogu sadržati i neki teži ugljovodonici, tako se i u ostatku koji se odvodi sa dna kolone mogu sadržati i neki lakši ugljovodonici. Njihova rekuperacija se postiže reboilingom, odnosno ponovnim zagrevanjem tečnog ostatka i zatim isparavanjem lakših ugljovodonika u posudi reboilera. Ispareni gasovi se zatim ponovo vraćaju u kolonu na nekom od nižih podova gde nastavljaju svoj put naviše kroz podove gde se akumuliraju na podovima sa drugim ugljovodonicima slične tačke ključanja. Uvođenjem jedinica za reflux i reboiling postiže se bolja separacija ugljovodoničnih jedinjenja GRANICE RAZDVAJANJA (CUT POINTS)

Da bi se upravljalo procesom destilacije ključno je odrediti granice razdvajanja pojedinih derivata, odnsno proizvoda. Te granice su određene temperaturama na kojima neka frakcija (proizvod ili presek) počinje da ključa, odnosno isparava. Te temperaturske tačke se nazivaju “inicijalne tačke ključanja (Initial boiling points- IBP)“. Temperaturske tačke na kojima pojedine frakcije potpuno ispare se nazivaju“krajnje tačke“ za pojedinu frakciju (END POINTS-EP). Tako svaka frakcija ima dve temperaturske vrednosti: početnu i krajnju. Prva označava početak a druga završetak isparavanja pojedine frakcije. Ako se radi o susednim frakcijama onda je krajnja temperatura lakše isparljive frakcije jednaka inicijalnoj temperaturi teže isparljive frakcije. Na granici razdvajanja inicijalna i krajnja tačka dve susedne frakcije su nominalno jednake, a u praksi to zavisi koliko je precizno izvršena separacija u destilacinoj koloni. Inicijalna tačka kerozina može biti niža od krajnje tačke lož ulja. Proces koji se odvija na podovima kolone ima za rezultat da svaka frakcija ima

2

takozvane “repove“, što se može videti u laboratorijskim analizama. Ovi “repovi“ su vidljivi na dijagramu dole:

Jedinice za refluks i reboiling uz destilacionu kolonu

Destilacione krive za kerozin i lož ulje (krajnja temperature za lož ulje je viša od početne tačke za kerozin) Destilacione krive za kerozin i lož ulje (krajnja temperature za lož ulje je viša od početne tačke za kerozin)

Zapreminske procentualne količine isparenog lož ulja i kerozina u odnosu na temperature

Bolji način da se prikažu repovi je prethodni grafik gde su prikazane kumulativne procentualne zapreminske količine obe frakcije u odnosu na temperature.

Zapreminske procentualne količine isparenog lož ulja i kerozina u odnosu na temperature

Raspored osnovnih frakcija destilacije i njihova dalja preradaRaspored osnovnih frakcija destilacije i njihova dalja prerada

O AUTORU:

Mihajlo Stambolić, 1947

Mašinski Fakultet u Beogradu: Dipl. ing. 1972.

Radno iskustvo :

• Na projektima u procesnoj i petrohemijskoj industriji (Azotara

Pančevo, Petrohemija Pančevo,

Rafinerija nafte Pančevo, Tehnogas

Beograd, Projekti u Libiji Alžiru, Iraku,

Kazakhstanu) • Radio na pozicijama rukovodioca radova, projektantskim poslovima, pozicijama nadzornog inženjera, rukovodećim poslovima: • Project Mgr nadgradnje rafinerije nafte Pančevo • Direktor Tehnogas Inženjering-a • Tehnički direktor INA-e u Libiji • Chef du bureau technique (Sarpi

Alger) • Instrumentation superintendent

Kashagan Oil filed Development

Project • Saradnik na obukama rukovaoca u procesnoj industriji (katedra za analitičku hemiju Tehnološkog

Fakulteta, Prof Radomir Šaper) • Participirao u izradi Hemijsko tehnološkog priručnika (proračun regulacionih i sigurnosnih ventila)

Objavio 2 stručne knjige:

1. Sigurnosni instrumentalni sistemi u procesnoj industriji (2005.

Građevinska knjiga) 2. Projektovanje sistema za upravljanje procesom u procesnoj industriji i energetici (2010.)

Ništanepreviđamo!

NovaGigEserijaAlviumindustrijskihkameraizAllied Visiona.Višeod25različitihsenzorai2kapaciteta interfejsa. G1iG5serijekombinujuprednostiveć uspostavljenogGigEvisionstandardasafleksibilnošću Alviumplatforme.

PROVERITEPRIHVATLJIVECENEiROKOVE ISPORUKE!

4