Принцип вакуумной перегонки основан на снижении давления над жидкостью для уменьшения её температуры кипения. Этот метод применяется к тяжёлым фракциям нефти, для которых температура нормальной перегонки близка к температуре термического разложения. Снижение давления позволяет получать перегонные фракции без разрушения углеводородов, что критически важно для сохранения качества сырья и предотвращения образования смол и кокса.
Физико-химические основы процесса заключаются в том, что температура кипения жидкости зависит от внешнего давления. Для большинства углеводородов снижение давления на несколько десятков процентов уменьшает температуру кипения на десятки градусов Цельсия. Это позволяет проводить перегонку тяжёлых нефтяных остатков при температуре 350–450 °C вместо 500–600 °C, характерных для атмосферной перегонки.
Аппаратура вакуумной перегонки включает в себя вакуумный котёл (вапоризатор), вакуумную колонну с тарелками или насадками, системы конденсации и отгонки различных фракций, а также вакуумные насосы и эжекторы. Важнейшим элементом является вакуумная колонна, обеспечивающая ступенчатое разделение продуктов перегонки на лёгкие и тяжёлые фракции. Колонны часто имеют несколько секций с тарелками, которые повышают эффективность контакта пара и жидкости, обеспечивая глубокое разделение.
Фракционный состав продуктов вакуумной перегонки характеризуется наличием нескольких групп углеводородов:
Тепловой режим перегонки имеет критическое значение. Температура поступающей жидкости должна быть максимально близкой к оптимальной для отделения требуемой фракции, но ниже температуры начала термического разложения. Для этого в котёл подводят тепло через трубные пучки или теплообменники, обеспечивая равномерное прогревание и минимизацию термического стресса компонентов.
Массообменные процессы в колонне определяют чистоту и выход фракций. Контакт пара и жидкости на тарелках способствует частичному испарению низкокипящих компонентов и обогащению тяжёлых остатков более высокими углеводородами. Эффективность разделения определяется коэффициентом уносных потерь и числом теоретических тарелок, что требует точного проектирования и регулирования вакуума.
Контроль и оптимизация процесса реализуется через регулирование вакуума, температуры подачи и отбора продуктов. Вакуум создаётся с помощью жидкостных или механических насосов, иногда комбинируемых с эжекторами для достижения давления 10–50 мм рт. ст. Погрешности в вакууме или перегрев жидкости ведут к ухудшению качества продуктов и повышенному образованию смол и кокса.
Химическая стабильность продуктов вакуумной перегонки зависит от минимизации термических и каталитических превращений. Лёгкие фракции, получаемые при вакуумной перегонке, сохраняют первичную структуру углеводородов, что особенно важно для дальнейшей переработки в крекинговых и гидрокрекинговых установках. Тяжёлые остатки могут быть предварительно обработаны гидрогенизацией для уменьшения содержания асфальтенов и смол.
Вакуумная перегонка как технологическая база нефтехимии обеспечивает производство ключевых промежуточных продуктов для химической переработки нефти. Газойли и вакуумные дистилляты используются для каталитического крекинга, пиролиза, производства масел и битумов, а вакуумный остаток служит основой для коксования и получения высококачественных смазочных материалов.
Энергетическая эффективность процесса достигается через интеграцию с другими стадиями переработки: тепло остаточных продуктов направляется на подогрев исходного сырья, а пар, выделяющийся в колонне, используется для вторичных перегонок и испарения тяжёлых фракций. Это снижает общие энергозатраты и повышает экономическую эффективность установки.
Экологические аспекты вакуумной перегонки связаны с минимизацией выбросов летучих углеводородов, предотвращением образования канцерогенных продуктов и эффективной утилизацией тяжёлых остатков. Современные установки оснащены системами конденсации паров и очистки газов, что позволяет снижать нагрузку на атмосферу и соблюдать экологические стандарты.