蒸餾是石油加工的一個(gè)重要步驟。通過蒸餾可以將石油中的汽油、煤油、柴油和潤(rùn)滑油等成分分離出來,它是石油加工的第一步。
我們知道,任何一種純凈物質(zhì),都有自己固定的沸點(diǎn),如在一個(gè)大氣壓下,水是100℃、酒精是78.4℃、甲烷是-161.6℃。利用物質(zhì)沸點(diǎn)的不同,以蒸餾的方法可將混合物進(jìn)行分離。
在實(shí)驗(yàn)室里常用的一種簡(jiǎn)單蒸餾裝置(圖1-2)是由蒸餾燒瓶、溫度計(jì)、冷凝管和接受器四部分組成的,利用這種簡(jiǎn)單裝置能將混合物進(jìn)行初步分離。如把稀酒溶液(含較少酒精和較多水的混合液)放在燒瓶里,慢慢地加熱,由于酒精沸點(diǎn)低,容易氣化,水的沸點(diǎn)高,難氣化,因此,在燒瓶里,蒸氣中的酒精含量要比稀酒溶液中的含量高。當(dāng)這些蒸氣碰到較冷的燒瓶壁時(shí),又部分地被冷凝下來,同樣由于沸點(diǎn)不同,冷凝液中的酒精含量卻比蒸氣中的含量少。這樣,稀酒經(jīng)過一次氣化和冷凝過程,最后被導(dǎo)出的蒸氣中,酒精的含量要比稀酒溶液中的含量高得多。經(jīng)冷凝管冷凝后,流入接受器內(nèi)便得到較濃的酒溶液。如果將其再反復(fù)進(jìn)行蒸餾,最后可得很濃的酒精溶液。
石油是由各種沸點(diǎn)不同的烴組成的極其復(fù)雜的混合物,沒有一個(gè)固定的沸點(diǎn)。好在我們對(duì)石油的利用也并不要求將其中所有烴的成分一一加以分開。通常是根據(jù)各種石油產(chǎn)品的用途,用蒸餾的方法把它分割成一定的沸點(diǎn)范圍,如表1-1所示。
表1-1 石油分割成燃料油和潤(rùn)滑油的沸點(diǎn)范圍*
油品 | 沸點(diǎn)(℃) | 含碳原子數(shù) | 理想組份 |
車用汽油 | 79~200 | C5~C11 | 芳香烴、異構(gòu)烷烴 |
燈用煤油 | 200~300 | C10~C17 | 烷烴、環(huán)烷烴 |
航空煤油 |
60~280 150~280 |
C5~C15 C8~C15 |
單側(cè)鏈烷烴、異構(gòu)烷烴 |
輕柴油 | 200~350 | C11~C20 | 烷烴、環(huán)烷烴 |
輕質(zhì)潤(rùn)滑油 | 300~420 | C15~C26 | 少環(huán)長(zhǎng)側(cè)鏈烷烴 |
中質(zhì)潤(rùn)滑油 | 400~470 | C25~C35 | 少環(huán)長(zhǎng)側(cè)鏈烷烴 |
重質(zhì)潤(rùn)滑油 | >470 | >C35 |
* 表中所示沸點(diǎn)范圍不是絕對(duì)的,在生產(chǎn)操作時(shí)常常根據(jù)具體生產(chǎn)情況和產(chǎn)品質(zhì)量要求,會(huì)有一定的變動(dòng)。
在煉油廠里,對(duì)石油進(jìn)行蒸餾,其原理就和上面講的簡(jiǎn)單蒸餾原理一樣,但是設(shè)備要復(fù)雜得多,它是在一個(gè)直徑有好幾公尺,高有幾十公尺的龐大的圓柱形分餾塔里進(jìn)行的。塔里填有幾十層塔板,一層迭一層。塔板的形式也很多,較老的是泡罩式,較新的有浮閥、舌型和浮動(dòng)噴射等,其原理基本相似?,F(xiàn)舉泡罩式分餾塔為例,在這種塔的塔板上有許多氣道和一個(gè)溢流管,在每個(gè)氣道上蓋有鋸齒形邊緣的泡罩,溢流管是一根短管,固定在塔板上,下口伸入下層塔板的油液中。當(dāng)加熱到300℃左右的原油從塔的中下部送入塔內(nèi)時(shí),其中一部分低沸點(diǎn)烴已氣化成油氣上升,而未氣化的高沸點(diǎn)烴則成油液逐層流向塔底。為了控制油品質(zhì)量,還向塔頂打入一部分冷的油液以進(jìn)行回流。在每層塔板上,油氣都要經(jīng)過氣道,穿過泡罩的鋸齒形邊緣和塔板上的油液,而油液的溫度要比油氣低,于是,在那里不斷地進(jìn)行著氣液熱交換的兩種過程,一種是油液中低沸點(diǎn)的成分受熱后部分氣化成油氣,繼續(xù)上升;另一種是油氣中的高沸點(diǎn)成分部分冷凝成油液,經(jīng)溢流管層層下流。每層塔板如同一個(gè)簡(jiǎn)單蒸餾裝置,而整個(gè)分餾塔就相當(dāng)于將幾十次簡(jiǎn)單蒸餾組合在一個(gè)設(shè)備中。這樣,由下至上,溫度層層降低,經(jīng)過幾十次連續(xù)不斷地部分氣化和部分冷凝過程,結(jié)果塔頂?shù)头悬c(diǎn)的烴越來越多,塔底高沸點(diǎn)的烴也越來越多,分別引出后,塔頂?shù)玫降氖瞧停资侵赜?。若要得到沸點(diǎn)介于兩者之間的產(chǎn)品,在塔的中間開幾個(gè)側(cè)線,分別引出,就得煤油、輕柴油、重柴油等產(chǎn)品。由于這些產(chǎn)品是通過原油直接蒸餾得到的,所以又稱它們?yōu)橹别s油。
但是,在塔底的重油里還含有重柴油、潤(rùn)滑油、石蠟、瀝青等許多重要產(chǎn)品,也必須加以分離。在常壓下(通常指一個(gè)大氣壓)要分離重油中的產(chǎn)品,就必須增高溫度,但在高溫條件下,又會(huì)導(dǎo)致高沸點(diǎn)烴的分解,影響潤(rùn)滑油的質(zhì)量,更嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)炭化結(jié)焦,損壞設(shè)備,影響正常生產(chǎn)。如何解決這個(gè)矛盾呢?我們知道,水在一個(gè)大氣壓下,沸點(diǎn)是100℃,如果在高山上燒水,不到100℃水就沸騰了,山愈高,水的沸點(diǎn)就愈低,這是由于高山頂上氣壓低的緣故,煉油廠就根據(jù)這個(gè)氣壓降低而沸點(diǎn)會(huì)下降的原理,以減壓蒸餾的方式來分離重油。減壓塔也是分餾塔,沒有常壓塔高,塔內(nèi)也裝有許多層塔板,但比常壓塔的層數(shù)少。在塔頂裝有真空抽氣機(jī),可把塔內(nèi)氣壓降至0.1大氣壓以下。從常壓塔底放出的重油,經(jīng)加熱到400℃左右,送入減壓塔蒸餾,就可把原來沸點(diǎn)約在700℃以下的各種烴分離成重柴油和幾種潤(rùn)滑油。最后,在減壓塔底剩下的是沸點(diǎn)更高、難以蒸餾的減壓重油(俗稱渣油)。由于現(xiàn)代煉油廠一般都將常壓蒸餾和減壓蒸餾裝置連在一起,如圖1-4所示,所以習(xí)慣上稱常減壓蒸餾。
常減壓蒸餾基本上沒有使石油中所含有的各種烴分子受到破壞,僅是將原油中原來就含有的沸點(diǎn)不同的烴加以分離而已,所以它是一種物理加工方法。