Нефть как топливо непосредственно почти не применяется, а перерабатывается в товарные нефтепродукты. Для этого ее вначале подвергают фракционированной перегонке.
Вследствие сложности состава нефть перегоняется в широком интервале температур. Путем фракционированной перегонки получают несколько фракций (дистиллятов) с более узкими пределами температуры кипения.
Прежде чем подвергать нефть перегонке, ее освобождают от легко летучих компонентов (нефтяного газа) и воды. Для этого ее из скважин направляют по трубопроводам в газоотделители — стальные вертикальные цилиндры (трапы), где давление снижается до атмосферного. В результате этого из нефти выделяется нефтяной газ. Вода, присутствующая в сырой нефти, содержит значительное количество растворенных солей, песок, глину и другие примеси, которые могут вызвать засорение и значительную коррозию аппаратов. С целью удаления этих примесей нефть длительное время отстаивают в отстойниках, причем вода и нерастворимые примеси, имеющие больший удельный вес, чем нефть, выделяются на дне. В случае, если вода содержится в нефти в виде стойкой эмульсии, то для разрушения эмульсии применяют чаще всего термохимический способ, нагревая нефть до 50—100° и добавляя деэмульгатор нейтрализованный щелочью «черный контакт» (НЧК) — отход от очистки нефтепродуктов серной кислотой. Хорошие результаты дает также электрический способ, при котором нагретую нефть промывают водой для удаления солей из эмульсии, смешивают с НЧК или с раствором NaOH и в тонком слое подвергают действию переменного электрического поля высокого напряжения (30— 45 тыс. в), что приводит к быстрому (за несколько секунд) разрушению эмульсии; однако отделяющаяся при этом вода содержит нефть в виде стойкой эмульсии, которая загрязняет сточные, воды. Лишь применение синтетических деэмульгаторов, получаемых, например, присоединением нескольких молекул окиси этилена к гомологам фенола: позволяет получать сточные воды с очень малым содержанием нефти.
В настоящее время фракционированная перегонка нефти осуществляется в виде непрерывного процесса в так называемых атмосферных трубчатых установках (рис. 95), основными аппаратами которых являются трубчатая печь / и ректификационная колонна 3. В трубчатой печи за счет теплоты, выделяющейся при сжигании нефтяного газа или жидкого котельного топлива, нефть нагревается до достаточно высокой температуры, при .которой, однако, еще не наблюдается разложения (крекинга) углеводородов. В ректификационной колонне смесь паров углеводорода отделяется от неиспарившегося остатка и разделяется на фракции путем ректификации в присутствии перегретого водяного пара при атмосферном давлении.
Трубчатая печь представляет собой камеру из огнеупорного кирпича, внутри которой перевальными стенками отделена внутренняя часть.
Нефть нагревается предварительно в теплообменниках горячими продуктами перегонки до 150—180° и затем подается под давлением 10—12 am внутрь печи. Здесь нефть разделяется на два потока и проходит длинный (до 1000—1500 м) путь по змеевику, состоящему из большого числа соединенных между собой стальных труб 2. Во внутренней части камеры эти трубы обогреваются отходящими топочными газами, а в наружных частях — главным образом за счет лучеиспускания факела горящего топлива. Температура нефти достигает 330—350°, а давление вследствие трения в трубах.
Во внутренней части печи расположен также змеевик для перегрева водяного пара до 400°.
Ректификационная колонна представляет собой вертикальный стальной цилиндр диаметром 4—5 м и высотой 35—40 м, тщательно изолированный снаружи асбестом. Внутри колонны имеется до 40 стальных или чугунных горизонтальных перегородок, называемых тарелками. В каждой тарелке 1 (рис. 96) имеется большое число отверстий, в которых укреплены короткие, направленные вверх трубки, так называемые / патрубки 2, прикрытые сверху колпачками 3, имеющими зубчатый нижний край. Через эти патрубки и колпачки проходят пары нефти, которые поднимаются по колонне снизу вверх. В тарелках укреплены, кроме того, сливные стаканы 4, служащие для стекания жидкости (флегмы) е вышележащей на нижележащую тарелку. Смесь паров и жидкости, выходящая из печи, поступает в нижнюю часть колонны, где эта смесь разделяется. Неиспарившаяся часть нефти стекает вниз, перетекая с одной тарелки на другую. На самую нижнюю тарелку подается из печи перегретый водяной пар, что способствует более полному удалению из мазута летучих веществ. Известно, что при перегонке вещества, не смешивающегося с водой, проводимой с водяным паром, температура его кипения понижается, так как кипение происходит при температуре, при которой давление его паров еще не достигает атмосферного. Часть общего давления, равного атмосферному, приходится в этом случае на долю водяного пара. Помимо этого, пузырьки водяного пара перемешивают жидкость и увеличивают поверхность испарения. Пары летучих углеводородов, поднимаясь вверх и подвергаясь ректификации разделяются на фракции.
Обязательными условиями для проведения процесса ректификации являются:
1) непрерывное поступление в колонну холодной флегмы — орошения, для чего часть конденсата, образовавшегося из прошедших через всю колонну паров фракции наиболее летучих.
Ректификация — наиболее эффективный способ разделения жидких смесей, основанный на многократном чередовании испарения жидкости с конденсацией пара, осуществляемых в одном и том же аппарате — ректификационной колонне.
2) установление хорошего контакта на каждой тарелке между стекающей вниз более холодной флегмой и поднимающимися вверх более горячими парами, в нашем случае — путем пробулькивания паров в виде пузырьков, выходящих между зубцами колпачков, через слой флегмы на тарелке. Благодаря этому пары нагревают флегму, испаряя из нее более летучие углеводороды, и увлекают их вверх на следующие тарелки. В то же время менее летучие углеводороды, содержащиеся в парах, вследствие охлаждения флегмой конденсируются и увлекаются ею на нижележащие тарелки. Таким образом, на каждой тарелке происходит как обмен теплом между парами и конденсатом, так и переход веществ из пара в жидкость и обратно — как бы отдельный процесс перегонки. Из поднимающихся вверх паров на первых тарелках (рис. 95) конденсируются углеводороды с наибольшими температурами кипения, образуя первую фракцию-дистиллят газойля (легкого солярового масла). Выше отделяется следующая фракция, состоящая из более летучих углеводородов — дистиллят реактивного топлива (вместо этой фракции иногда отбирают две фракции: керосиновый и в верхней части колонны еще более низкокипящий лигроиновый дистилляты).
Пары бензина и водяной пар покидают колонну сверху и конденсируются в конденсаторе 4. Смесь бензинового дистиллята с водой разделяется вследствие разности удельных весов в водоотделителе 5 и часть бензина подается насосом 6 на орошение колонны. Остальные дистилляты отводятся по трубам с соответствующих тарелок колонны для дополнительной отгонки более летучих углеводородов с водяным паром в так называемые отпарные секции (на рис. 95 не указаны), состоящие каждая из 6—8 тарелок, причем образующиеся здесь пары вместе с водяным паром поступают обратно в колонну. Дистилляты отдают теплоту нефти в теплообменниках и затем охлаждаются в водяных холодильниках. Производительность подобных установок, считая на нефть, составляет 4000—6000 т в сутки. В настоящее время в нефтяной, а также в химической промышленности вместо выше описанных трубчатых печей начинают применяться трубчатые печи «беспламенного» горения (рис. 97), так как они имеют более высокий коэффициент полезного действия. В них сгорание нефтяного газа, смешанного с воздухом, происходит в многочисленных отверстиях в керамических призмах, образующих стены (панели) в камере. Теплота передается трубам змеевика за счет лучеиспускания раскаленных панелей.
Из мазута большей частью получают смазочные масла путем непрерывной перегонки под уменьшенным давлением и с перегретым водяным паром (что позволяет сильно уменьшить температуру кипения углеводородов и избежать их разложения) на вакуумных трубчатых установках.
Нередко отбирают всего лишь одну фракцию с широким интервалом температур кипения в качестве сырья для каталитического крекинга, а остаток (полугудрон) используется как сырье для термического крекинга, а также в качестве электро- и гидроизолирующего материала в электротехнике и в строительном деле. Обычно атмосферная и вакуумная трубчатые установки объединяются в одно целое — атмосферно-вакуумную трубчатую установку (АВТ), что дает большую экономию топлива.