Всім машинам потрібне змащування

У зв’язку з появою різних машин і механізмів потребувалось для них і хороше змащування. Коли потрібно було змащувати колеса возів або частини будь-яких примітивних пристроїв, то для цього можна було використати як мазут, так і сиру нафту, застосовувались рослинні й тваринні жири. Проте, коли з’явились складні машини й механізми із швидко рухомими частинами, якість мастильного матеріалу набула великого значення. До змащування тепер висовувались підвищені вимоги. Воно повинно було володіти достатньою в’язкістю навіть у нагрітому стані, щоб не витікати з вузлів, що труться. Крім того, воно не повинно було не застигати, а залишатись рідким за нормальної температури, інакше не працюючий механізм дуже важко знову запустити в хід.

На основі ідей і вказівок Д.І.Менделеева в період 1876…1878 рр. у Росії почалось налагоджування виробництва мастил із мазуту.

Після відгонки з нафти гасу залишковий мазут нагрівали до 300⁰ С і через нього пропускали водяну пару, яка й виносила мастила по металевій трубі в холодильник, де вода легко відокремлювалась від мастила.

Одержані в Росії В.І.Рагозіним таким чином мастила, які називали «олеонафтами», виявились за своїми якостями значно кращими за всіх інших, що застосовувались тоді, мастил. Російські олеонафти демонструвались тоді на Всесвітній Паризькій виставці в 1878 р. і одержали потім широке застосування.

В останній чверті XIX ст. одержання гасу й мастил було основною задачею переробки нафти. У міру зростання потреби на ці продукти розвивалось їх виробництво, удосконалювалась технологія перегонки нафти й застосовувана для цього апаратура. Замість простих перегінних кубів почали будувати так звані кубові батареї (рис.5.7.), в яких процес перегонки здійснювався безперервно.

Рис.5.7. Кубова батарея

У першому кубі з нафти, що надходила, відганяли найбільш вдалу її частину. Далі нафта надходила в другий куб, в якому підтримувалась більш висока температура й відганялась вся наступна за леткістю фракція. Із другого куба нафта попадала в третій і т.п. Із останнього куба стікав мазут, який використовувався як паливо або направлявся в окрему кубову батарею для одержання мастил. Для пришвидшення відгонки мастил у куби вводили перегріту водяну пару (250…300⁰С) через дрібні отвори в трубі, розташованій на дні куба.

Бензин і автомобіль

На початку видобування й перероблення нафти найбільш легка її частина – бензин, а також газ – не використовувались. Їх вважали непотрібними, шкідливими й небезпечними домішками до нафти. Коли почалось перероблення нафти для одержання гасу і мастил, то особливе хвилювання завдавав бензин, який першим виділявся під час перегонки нафти. Бензин легко займався, вибухав і був непридатним для використання як пальне в лампах. Зараз це звучить дико, але тоді, у другій половині XIX ст., бензин просто знищували, спалюючи його в ямах або в спеціальних печах. Нафтопромисловці витрачали великі суми грошей на розроблення найбільш зручних способів для знищення цієї «нікому не потрібної й небезпечної рідини».

Ще на початку XIX ст. в районі Баку існували печі для спалювання бензину. Дехто з господарів бакинських нафтопереробних заводів намагався скидати бензин у море. Проте, це призводило до виникнення пожеж і знищення, суден і човнів, що знаходилися у воді. Тому виливання бензину в море було суворо заборонено.

Про масштаби знищення бензину можна судити з того, що в 1902 р., за збереженими відомостями, тільки в Грозному було спалено біля 70000 тон бензину як непотрібного й небезпечного продукту нафтопереробних заводів.

Винайдення двигуна внутрішнього згорання й широкий розвиток будівництва автомобілів із цими двигунами здійснило переворот у переробці нафти. Для таких двигунів був потрібен бензин. Поступово бензин, який раніше не знали куди дівати, потрапив у число найважливіших продуктів, які одержують із нафти. З бензиновою фракцією почали обходитись дуже бережно, не допускаючи її втрат ні під час видобування, ні під час переробки нафти.

Все це викликало необхідність удосконалення нафтоперегінної апаратури. В останню четверть XIX ст. таким удосконаленням займався В.Г. Шухов – славетний російський інженер – та його співробітники. Діяльну участь у розробленні нової нафтоперегінної апаратури приймав Д.І. Менделєєв. У нафтоперегонному апараті В.Г. Шухова застосовувалась тарілчаста ректифікаційна колона, що знаходилась над перегінним кубом і нагрівалась за рахунок його тепла. Використання таких апаратів значно покращило якість нафтових фракцій і сприяло підвищенню техніко-економічних показників роботи нафтоперегонних установок.

У подальшому на нафтоперегонних установках почали застосовувати ректифікаційні колони з великим числом тарілок, щоб виділити з нафти більше число фракцій, починаючи з найлегших.

Спочатку установки з розщеплення нафти були багатоколонними, і кожна колона дозволяла ділити рідку суміш на дві фракції. Таким чином кількість колон (К) на установці бралась у залежності від кількості необхідних фракцій (Ф) і визначалась як: К=Ф-1.

Двигуни внутрішнього згорання стали застосовуватись не тільки в автомобілях, але й в інших машинах. Нове різке збільшення попиту на бензин, і до того ж якісний, виникло в зв’язку з розвитком літакобудування. Різні двигуни, які працюють в різних умовах, вимагали й різних сортів пального.

Це різноманіття машин і механізмів вимагало для своєї роботи й різних сортів мастил у залежності від умов, в яких здійснювалась їх робота. Тому паралельно з виробництвом різних сортів бензину розвивалось і виробництво мастил. Почали застосовуватись спеціальні ректифікаційні колони для одержання з мазуту мастил різної в’язкості. У міру розвитку електричного освітлення роль гасу як засобу освітлення почала падати. Проте гас почав широко застосовуватись у побуті – в гасницях і примусах – і далі почав використовуватись як дизельне паливо для тракторів та інших машин. Нафтоперегонні гасові і мастильні кубові батареї були замінені «трубчатками».

За таких умов нафта підігрівається в трубчастих печах і за температури 340…400⁰С надходить у ректифікаційну колону з великим числом тарілок (рис.5.8).

Рис.5.8. Схема розділення нафти на ректифікаційній колоні:

1 – піч трубчаста; 2 – колона ректифікаційна; 3 – холодильник

Із такої колони з верхніх тарілок відбирають бензинові фракції, а із секцій нижніх тарілок, як бокові погони, відбираються фракції лігроїнова, гасова, газойлева.

Мазут відбирають з кубової частини колони як залишок. А далі із мазуту в спеціальній колоні з боковим відбором фракцій одержують фракції веретенного, машинного, циліндрового та інших видів мастил. Залишок називають гудроном. Гудрон використовується для виробництва важких мастил, бітумів та ін.

У результаті бурхливого розвитку автомобільної, а далі й авіаційної промисловості запит на бензин все зростав. А між іншим, у самій нафті вміст бензинової фракції в багатьох випадках складає лише 10…15%. Тому, ще на початку ХХ ст. стало очевидним, що бензину, що одержують шляхом перегонки нафти, буде явно недостатньо для задоволення швидко зростаючої потреби в ньому. Різко збільшився попит на бензин під час першої світової війни 1914…1918 рр. Стало зрозуміло, що якщо збільшити видобуток нафти для задоволення зростаючої потреби в бензині, то спаде попит на гас і інші нафтопродукти.

Для збільшення кількості бензину, що одержують, почали застосовувати процес крекінгу нафти, тобто її розклад за високої температури. Після відгонки від нафти бензинової фракції (а часто і гасової) залишок нагрівають в спеціальних трубчастих печах до 450…475⁰С (рис.5.9.). За таких температур важкі складні молекули вуглеводнів цього залишку розкладаються (крекінгуються) з утворенням бензинових вуглеводнів і газів.

Рис. 5.9. Трубчаста піч (поперечний переріз):

1 – колона; 2 – горизонтальні балки; 3 – ферма; 4 – нижній пояс ферми;

5 – верхній пояс ферми; 6 – стійки; 7 – розкоси

Утворення летких вуглеводнів під час нагріву важких нафтових фракцій було відомо ще в кінці XIX ст. Проте широкий розвиток крекінг-процесу розпочався з 1912 р., коли почав різко зростати запит на бензин. Починаючи з 1912…1913 рр., крекінг нафти для одержання бензину почав широко розвиватись у США. Для одержання бензину будували все нові й нові крекінг-заводи. Були розроблені різні способи крекінгу нафтопродуктів із застосуванням і без застосування каталізаторів. Конструктивну схему одного із сучасних реакторів каталітичного крекінгу наведено на рис. 5.10.

Рис.5.10. Схема реактора з регенератором каталітичного крекінгу:

1 – реактор; 2 – регенератор; 3 – стояки; 4 – транспортна лінія; 5 – циклони; 6 – розподільна решітка; 7 – перегородка; 8 – клапан стояка; 9 – клапан транспортної лінії; I – сировина; II – водяна пара; ІІІ – продукти реакції; IV – гази регенерацій; V – повітря