蒸餾是石油加工的一個重要步驟。通過蒸餾可以將石油中的汽油、煤油、柴油和潤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,如在一個大氣壓下,水是100℃、酒精是78.4℃、甲烷是-161.6℃。利用物質(zhì)沸點的不同,以蒸餾的方法可將混合物進行分離。
在實驗室里常用的一種簡單蒸餾裝置(圖1-2)是由蒸餾燒瓶、溫度計、冷凝管和接受器四部分組成的,利用這種簡單裝置能將混合物進行初步分離。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,由于酒精沸點低,容易氣化,水的沸點高,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,又部分地被冷凝下來,同樣由于沸點不同,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)進行蒸餾,最后可得很濃的酒精溶液。
石油是由各種沸點不同的烴組成的極其復(fù)雜的混合物,沒有一個固定的沸點。好在我們對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范圍,如表1-1所示。
表1-1 石油分割成燃料油和潤滑油的沸點范圍*
油品 | 沸點(℃) | 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)潤滑油 | 300~420 | C15~C26 | 少環(huán)長側(cè)鏈烷烴 |
中質(zhì)潤滑油 | 400~470 | C25~C35 | 少環(huán)長側(cè)鏈烷烴 |
重質(zhì)潤滑油 | >470 | >C35 |
* 表中所示沸點范圍不是絕對的,在生產(chǎn)操作時常常根據(jù)具體生產(chǎn)情況和產(chǎn)品質(zhì)量要求,會有一定的變動。
在煉油廠里,對石油進行蒸餾,其原理就和上面講的簡單蒸餾原理一樣,但是設(shè)備要復(fù)雜得多,它是在一個直徑有好幾公尺,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、舌型和浮動噴射等,其原理基本相似。現(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溢流管,在每個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,其中一部分低沸點烴已氣化成油氣上升,而未氣化的高沸點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,在那里不斷地進行著氣液熱交換的兩種過程,一種是油液中低沸點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。每層塔板如同一個簡單蒸餾裝置,而整個分餾塔就相當(dāng)于將幾十次簡單蒸餾組合在一個設(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的烴越來越多,塔底高沸點的烴也越來越多,分別引出后,塔頂?shù)玫降氖瞧?,塔底是重油。若要得到沸點介于兩者之間的產(chǎn)品,在塔的中間開幾個側(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,又會導(dǎo)致高沸點烴的分解,影響潤滑油的質(zhì)量,更嚴(yán)重的還會出現(xiàn)炭化結(jié)焦,損壞設(shè)備,影響正常生產(chǎn)。如何解決這個矛盾呢?我們知道,水在一個大氣壓下,沸點是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)這個氣壓降低而沸點會下降的原理,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,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,就可把原來沸點約在700℃以下的各種烴分離成重柴油和幾種潤滑油。最后,在減壓塔底剩下的是沸點更高、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不同的烴加以分離而已,所以它是一種物理加工方法。