Что такое крекинг
Крекинг — это химический
процесс переработки углеводородов, в результате которого из тяжелых фракций
получаются более легкие продукты, такие как бензин и дизель. Он получил свое
название от английского cracking, что в переводе означает «дробление» или
«расщепление». Для крекинга характерны разрыв атомов углерода и образование
свободных радикалов. Такую реакцию вызывают с помощью нагревания сырья до
температуры более 300 градусов или воздействия катализаторов.
Когда изобрели крекинг
В 1875 году российский химик Александр Летний выяснил, что тяжелые
нефтепродукты при нагревании свыше 300 градусов частично расщепляются на более
легкие — бензин, керосин и газы. Это открытие легло в основу крекинг-процесса.
Его разработал и в 1891 году запатентовал другой российский ученый Владимир
Шухов вместе с помощником Сергеем Гавриловым. Благодаря их усилиям на
нефтеперерабатывающем заводе в Баку появилась первая в мире экспериментальная
термоустановка. Позднее, в 1912 году, американский химик Уильям Бартон
совместно с коллегой Робертом Хамфрисом разработал и в 1913 году запатентовал
промышленную термоустановку, которая впервые была установлена на НПЗ Standard
Oil в Вайтинге (штат Индиана). В течение 1913–1920 годов она была
усовершенствована.
Разработку каталитического крекинга связывают с франко-американским
механиком Эженом Гудри (1892–1962). По его методу в 1936–1937 годах началось
промышленное использование этого процесса в США на перерабатывающих объектах
компаний Socony-Vacuum Oil Company и Sun Oil. Каталитический крекинг позволил
получать на выходе больше бензина, чем термический, что способствовало развитию
автомобильной и авиационной отраслей. В частности, установки, работавшие по
технологии Гудри, обеспечили до 90% топлива для британской авиации, что
обеспечило ей преимущество над Люфтваффе в первые два года Второй мировой
войны.
Два основных вида крекинга
Крекинг применяется как при первичной переработке углеводородов, так и
при вторичной. К его основным видам относятся термический и каталитический.
Термический крекинг
При термопереработке углеводородов на них оказывают воздействие
температура (500–540 градусов Цельсия) и давление (2–5 МПа) в отсутствии
воздуха. В результате этого процесса образуются бензин, котельное,
автомобильное и дизельное топливо, газойлевые и керосино-газойлевые фракции, а
также нефтяной кокс. Конечный продукт зависит от химических особенностей сырья,
температуры, давления и продолжительности воздействия на него. Бензиновой
фракции будет соответствовать порядка 30–40% получаемых на выходе веществ.
По назначению термическая переработка делится на пиролиз, риформинг и
висбрекинг. Помимо распада углеводородов, крекинг-процесс сопровождают
конденсация и полимеризация, что снижает его эффективность. Зачастую такой
переработке подвергаются остатки мазута, масляные гудроны и другие продукты,
температура кипения которых не превышает 350 градусов Цельсия.
Каталитический крекинг
Для этого процесса характерно воздействие на углеводороды температуры
450–530 градусов Цельсия и близкого к атмосферному давления (0,1–0,2 МПа). Его
основой является применение катализаторов, которые сокращают параметры
воздействия на сырье, ускоряют распад и на выходе увеличивают долю компонентов
высокооктанового бензина до 50–65%. С помощью каталитического крекинга также
можно получить газойль, углеводородные газы, бензиновые фракции, реактивное и
дизельное топливо, нефтяное масло. В качестве катализатора зачастую выступают
цеолиты, их объем не превышает 30% сырья. Крекинг-процессу предшествуют
гидроочистка и деметаллизация углеводородов, что увеличивает его эффективность.
Сама реакция проходит быстрее, чем при термической обработке.
Виды крекинга по назначению
Крекинг-процесс подразделяется на несколько видов в зависимости от
химических свойств сырья и желаемого продукта на выходе. Он регулируется с
помощью температуры, давления, катализаторов и времени реакции.
Висбрекинг
Это вид термического крекинга, который позволяет снизить вязкость
мазута или гудрона и получить 80% котельного топлива и 20% газа, бензина и
дизеля. Последние отделяют друг от друга с помощью ректификации. Сырье
подвергается непродолжительному воздействию температуры 430–500 градусов
Цельсия и давления 1–5 МПа. Время реакции составляет от двух минут и более.
Этот процесс происходит в трубчатой печи объемом 30–50 кв. м. Далее газы
поступают на газофракционирующую установку, а бензин проходит глубокое
гидрирование и используется в качестве топлива для автомобилей. Название
висбрекинг происходит от английского viscosity breaking, где viscosity означает
вязкость, а breaking — разрушение.
Гидрокрекинг
Этот процесс основан на распаде тяжелых углеводородов в присутствии
водорода, что приводит к избавлению от серы и увеличению качества продуктов на
выходе.
В качестве сырья могут выступать газойлевая фракция, мазут, гудрон и
другие высококипящие нефтяные фракции. В зависимости от их вида и химических
особенностей различают легкий (мягкий) и глубокий (жесткий) гидрокрекинг. В
первом случае температура составляет 380–400 градусов Цельсия, давление — 5
МПа, во втором — 389–400 градусов Цельсия и 10 МПа соответственно. Процесс
мягкого гидрокрекинга происходит в одном реакторе и позволяет получить сырье
для каталитического крекинга и дизельное топливо. Конверсия при этом составляет
10–50%. Жесткий гидрокрекинг осуществляется в двух реакторах, среди продуктов
реакции — дизельное топливо, бензиновая и керосиновая фракции. Конверсия
превышает 50%.
Гидрокрекинг позволил существенно нарастить производство светлых
нефтепродуктов, пользующихся большим спросом, в отличие от темных. Таких фракций
можно получить до 90% на выходе, в частности до 20% бензиновой.
Крекинг нефти и нефтепродуктов
Нефть и нефтепродукты подвергаются таким процессам, как пиролиз,
риформинг, изомеризация и каталитический крекинг.
Пиролиз осуществляется при температуре 700–1200 градусов Цельсия и
давлении 0,1–0,3 МПа. Время реакции достигает 0,1–0,5 секунды. В качестве сырья
могут выступать твердые органические отходы, нефтешламы и продукты бурения.
Результатом такой переработки станет газ с большим количеством ненасыщенных
углеводородов, в частности ценный этилен.
С помощью риформинга прямая цепь углеводородов превращается в
разветвленную или кольцевую под воздействием температуры (480–550 градусов
Цельсия), давления (0,7–3 МПа) и катализаторов (платина, рений, иридий,
германий). Сырьем могут выступать низкооктановые химикаты, чья температура
кипения не превышает 190 градусов Цельсия. Процесс сопровождают дегидрирование
нафтенов, дегидроциклизация и изомеризация парафинов, а также гидрокрекинг.
Продуктами такой переработки станет высокооктановое топливо.
Нефть и нефтепродукты также подвергаются гидроочистке,
парообессериванию и гидрокрекингу. Для производства нефтяных дистиллятов,
кислого гудрона и масла сырье очищают от щелочей, серы, кислот и других
примесей.
Высококачественный бензин получают с помощью каталитического крекинга
вакуум-соляра. В случае глубокой переработки применяются алюмосиликаты.
Изомеризация позволяет нарастить октановое число бензиновой фракции, тем самым
улучшив ее качество.
Крекинг алканов
Алканы — одни из главных
составляющих нефти наряду с нафтенами и аренами. Они будут газообразными при
атмосферном давлении, в случае если количество атомов углерода не превышает
четыре. При каталитическом или термическом крекингах из алканов образуются смазочные
масла, моторное топливо и другие продукты. Для такого вида переработки
характерны дегидрирование и изомеризация.
Крекинг газов
В состав газов входят смешанные углеводороды и водород, его позволяют
менять параметры крекинга. Жидкофазная переработка предусматривает воздействие
температуры в 450–480 градусов Цельсия и получение газа с парафиновыми
углеводородами. Продуктом парофазной переработки станет газ, содержащий до 60%
олефинов. После этого их очищают от сероводорода и делят на сухой газ и газовый
бензин.
Крекинг метана
Газы, в состав которых входит метан, с помощью электричества
подвергаются пиролизу для получения ацетилена. Они попадают сквозь электроды в
печь и нагреваются до 1600 градусов Цельсия. После выделения ацетилена воздух
внутри быстро охлаждают. Полученный продукт в дальнейшем используют при сварке
металла, синтезе этилового спирта, каучука, технического углерода и других
материалов, а также для производства иных веществ, в частности уксусной
кислоты.
Крекинг бутана
Содержащие бутан газы подвергаются термическому крекингу, результатом
реакции станет образование свободного водорода, метана, этана, этилена,
пропилена, бутилена и бутена. Последние два вещества в дальнейшем используют
при синтезе бензина и создании топливной смеси для резки и сварки металлов.
Крекинг гексана
Переработка содержащих гексан газов осуществляется при невысокой
температуре, результатом которой станет цепочка синтезов. В частности,
продуктом ароматизации является бензол, а гидрокрекинга — пропан и бутан. Таким
образом, в этом случае снижение температуры не повлияет на качество
ароматических углеводородов.
Катализаторы крекинга
Катализаторы крекинга — это
вещества, которые влияют на температуру и давление химической реакции для ее
ускорения. Они могут быть твердыми или жидкими. Первые используются в процессе
термического крекинга и включают в себя природные и синтетические глиноземы. В
качестве вторых выступают различные соединения на основе кислорода (фосфорная
или серная кислота), они применяются в ходе жидкого каталитического крекинга.
Использование катализаторов позволяет снизить энергетические затраты,
нарастить выход и поддерживать чистоту целевых веществ, а также избежать
побочных реакций.
Какое значение имеет крекинг
для отрасли
Крекинг — неотъемлемая
часть нефтеперерабатывающей промышленности, он обеспечивает создание широкого
спектра продуктов. В частности, эта методика применяется при производстве
синтетических волокон, пластмасс, бензина и дизеля, смазочных материалов,
косметики, лекарств и медицинских изделий. Данный процесс постоянно
совершенствуется с целью повышения эффективности и сокращения воздействия на
окружающую среду. Отсутствие крекинга замедлило бы промышленную
производительность, так как многие отрасли зависят от нефти и нефтепродуктов, и
рост мировой экономики.
Юлия Овчинникова