Что такое крекинг нефти
Добыча нефти и газа является ведущей отраслью экономики десятков стран. Спрос же на данные полезные ископаемые остается крайне высоким, что и неудивительно, поскольку они используются практически во всех сферах современного промышленного производства.
В частности, нефть, обладая сложным химическим составом и уникальными физическими свойствами, используется не только в качестве сырья для изготовления автомобильного топлива, но и во многих иных областях, в том числе и бурно развивающихся на данный момент. В этой связи добыча этого полезного ископаемого только растет.
В современных условиях в промышленности практически не используется сырая нефть. Для получения необходимых нефтепродуктов применяются специальные методы нефтепереработки. Это крайне сложные и технологичные процессы. Дело в том, что получить необходимый продукт из сырой нефти практически невозможно. Сначала происходит первичная ее перегонка, в результате получается разделение на фракции, после чего они подвергаются вторичной переработке. Одним из наиболее популярных ее методов является крекинг, речь о котором пойдет далее в данной статье.
История возникновения
Человечество знакомо с нефтью практически всю историю своего существования. Известно, что еще во времена античности при сражениях довольно часто использовались зажигательные смеси, в состав которых она входила. Однако в наибольшей степени на слуху так называемый «греческий огонь», применяемый в средневековых баталиях. Название же эта смесь, основой которой выступала вся та же сырая нефть, получила из-за того, что впервые она была использована византийцами во время морских сражений.
Такое ограниченное применение этого полезного ископаемого продолжалось вплоть до XIX столетия, когда впервые был разработан метод его первичной переработки. Однако до начала XX века в практических целях использовался только керосин для освещения улиц и жилищ. При этом более легкие фракции не находили применения и считались отходами нефтепереработки.
Данная ситуация в корне изменилась с изобретением автомобиля, в котором применялся двигатель внутреннего сгорания. С развитием автомобилизации требовалось все больше моторного топлива, которое можно было получить, используя только углубленные методы нефтеперегонки.
Изначально первая нефтеперерабатывающая установка для осуществления данного технологического процесса была сконструирована нашими соотечественниками – учеными Шуховым и Гавриловым. Произошло это в 1891 году, однако объективной массовой потребности в ней на тот момент не было.
Продолжателем дела Шухова и Гаврилова стал британский инженер Бартон, который значительно усовершенствовал метод российских ученых, что позволило получать бензин довольно высокого качества.
В промышленных масштабах крекинг начал использоваться в США в начале 20-х годов. В то же время в Советском Союзе первые нефтеперегонные установки такого типа появились лишь на десятилетие позже.
На сегодняшний день данный метод (в значительно более усовершенствованных вариантах) является одним из основных технологических процессов, применяемых в нефтеперерабатывающей промышленности.
Суть крекингового процесса
Термин «крекинг» происходит от английского слова cracking, что в переводе на русский язык означает «расщепление». Это название технологического процесса в полной мере отражает его суть.
В целом, под крекингом следует понимать такую переработку нефти или ее тяжелых фракций, при которой происходит разрыв углеродных цепей, то есть из веществ с высокой молекулярной массой образуются продукты с низкой. Данный процесс предполагает следующие химические реакции:
- конденсация;
- полимеризация;
- изомеризация;
- дегидрирование.
Исходным сырьем для крекинга, по большей части, выступают тяжелые нефтяные фракции, такие как мазут, керосин или газойль. В самом начале использования данного метода именно они и применялись. Однако позже было открыто, что в качестве сырья допустимо применять и сырую нефть. Это обстоятельство позволило унифицировать и ускорить производственный процесс. Однако использование мазута и газойля до сих пор остается актуальным.
Преимущества крекинга заключаются в том, что он позволяет получать более качественное топливо с большим октановым числом, чем это происходит при прямой нефтеперегонке. Кроме моторного топлива, данный технологический процесс предполагает образование крекингового остатка и нефтяного кокса – продуктов нефтепереработки, которые имеют широкое применение в химической промышленности.
Современные технологии позволяют применять в промышленных целях различные виды крекинга. К числу наиболее популярных методов относятся термический и каталитический.
Кроме этого, в химической промышленности используют и иные способы. Так, для получения ацетилена применяется метод электрического крекинга, суть которого заключается в том, что через электризованную среду пропускают метан. Также используют окислительный метод, где данный процесс сопровождается подачей чистого кислорода. Однако в контексте данной статьи больший интерес все же представляют термический и каталитический крекинг.
Каталитический крекинг
Суть его заключается в том, что процесс переработки происходит при помощи специальных веществ, обеспечивающих большую скорость реакции и качество выведенных нефтепродуктов, которые называются катализаторами.
На сегодняшний день ими являются алюмосиликаты, в частности, цеолитсодержащий микросферический катализатор, который представляет собой частицы, имеющие размер до 150 мкм.
Основным сырьем для данного вида переработки выступает прямогонный тяжелый газойль, а также иные фракции, которые имеют температуру закипания более +350 градусов по шкале Цельсия. Технологически каталитический крекинговый процесс осуществляется при нормальном атмосферном давлении.
После его завершения на выходе имеются десятки продуктов, которые практически все нашли применение в народном хозяйстве. Так, более половины этого объема занимает крекинг-бензин высокого качества, который имеет октановое число 88-91. Содержание вредных примесей в нем минимально, поэтому именно оно становится основой для топлива Евро-4 и Евро-5.
Более четверти от общего объема выхода составляет газойль, при этом не очень хороший, что, впрочем, не препятствует тому, чтобы использовать его в качестве дизельного топлива.
Кроме этого, заметен выход изобутана и бутиленов, а также других газообразных предельных углеводородов. В их число входит пропилен, который используется в производстве полипропилена, широко применяемого в промышленности.
В целом, каталитический крекинг позволяет расщеплять фракции практически без потерь (не более 1,5%), именно поэтому он является наиболее распространенным способом углубленной нефтепереработки.
Термический метод
Данный способ характеризуется тем, что на выходе получаются продукты с меньшим октановым числом, такие как:
- легкое топливо для ДВС;
- непредельные углеводороды;
- кокс.
Большая часть автомобильного бензина получается в результате применения данного метода.
Исходным сырьем для него выступает мазут, который, как правило, проходит предварительную подготовку, а также иные фракции.
Технологический процесс заключается в перегонке сырья при высокой температуре и давлении. В зависимости от частных особенностей, оно может составлять от 2 до 7 МПа.
Технологическая схема
Процесс переработки нефти и ее фракций происходит в специальных установках. В зависимости и метода крекинга, их конструкционные особенности могут в значительной степени различаться между собой.
Однако, учитывая, что большая часть нефти и ее фракций перерабатывается посредством термокаталитических реакций, следует остановиться именно на технологической схеме метода с применением катализаторов.
Сам процесс заключается в следующем: вакуумный газойль подается в специальную печь (реактор), где сырье нагревается до высоких температур (порядка +550 градусов по шкале Цельсия).
Испаряясь, конденсат начинает контактировать с катализатором, находящимся в состоянии взвеси. Затем полученные продукты в парообразном состоянии выводятся из реактора, где в нижней части ректификационной колонны проходят очистку от частиц катализатора и кокса. Затем происходит сепарация, после чего продукты крекинга выводятся из установки.
Реакторный блок
Наиболее значимой частью крекинговой установки является реакторный блок, где и происходят основные химические реакции.
В нефтеперерабатывающей промышленности используется несколько видов реакторных блоков:
- реактор Гудри;
- реактор с движущим слоем катализатора;
- реактор с кипящим слоем катализатора;
- лифт-реактор.
Различаются данные реакторные установки методом подачи и агрегатным состоянием катализатора.
Циклоны
Промышленные аппараты, используемые для того, чтобы очистить пар и газ от посторонних фракций, называются циклонами. Они применяются во многих отраслях производства, в том числе и в нефтепереработке.
В крекинговой установке есть пара циклонов. Там они служат для того, чтобы очистить пары нефтепродуктов, полученных в результате реакции, от катализаторной пыли, находящейся в состоянии взвеси. Циклонные сепараторы находятся вне реактора, а сама очистка является одним из завершающих этапов каталитического крекинга.
Источник
Крекинг нефти
Cracking – расщепление. Крекинг нефти – переработка нефти и её фракций для получения моторного топлива, смазочных материалов и прочих нефтепродуктов, имеющих меньшую, чем у нефти, молекулярную массу.
В процессе крекинга происходит разрыв углерод-углеродных связей сырой нефти, после чего образуются свободные радикалы (карбанионы). Крекинг является достаточно сложным, с химической точки зрения, процессом. Параллельно с разрывом углерод-углеродных связей идут процессы дегидрирования, изомеризации, полимеризации, конденсации не только исходных, но и промежуточных веществ. В результате этих сложных процессов на выходе кроме бензина и масел, образуются крекинг-остаток и нефтяной кокс.
Первая экспериментальная установка, которая осуществляла термический крекинг нефти в промышленных масштабах, была изобретена русскими учеными В. Г. Шуховым и С. П. Гавриловым в 1891 году. Но, первая промышленная установка, которая дала нефтепродукты, была построена американцами лишь четверть века спустя. В СССР первая установка по крекингу нефти в промышленных масштабах была запущена в эксплуатацию в Баку в 1934 году.
Процесс крекинга нефти
Как уже было сказано выше, крекинг – это расщепление. Нефть – это вещество с высокой молекулярной массой. На протяжении миллионов лет в земных недрах скапливались продукты распада организмов животных и растений. Любая жизнь заканчивается смертью. Отжившие свое животные и растения опускались на дно древних океанов, морей и заливов, постепенно покрывались слоем ила, песка, и слоями последующих отложений. Такой «пирог» постепенно уплотнялся, опускался все ниже и ниже, обезвоживался. По мере опускания вниз давление и температура окружающей среды увеличивалась. Под действием анаэробных бактерий органика, находившаяся под высоким давлением и температурой, постепенно превращалась в углеводород, вещество с высокой молекулярной массой.
Спустя миллионы лет человек придумал обратный процесс, в результате которого из углеводородов извлекаются вещества, имеющие меньшую молекулярную массу, которые затем используются в народном хозяйстве для разнообразных целей.
В ходе процесса крекинга нефти образуются различные легкие ее фракции: керосин, бензин, а также крекинг-остаток и нефтяной кокс.
Первые установки по крекингу нефти работали следующим образом. В емкость помещался мазут, который подвергался нагреванию. По достижению температуры в 130°С, находящаяся в мазуте вода, испарялась, после чего пары воды отводились и охлаждались, собираясь в специальном резервуаре. По мере роста температуры из мазута начинали исчезать кроме воды воздух и газы, которые, как и вода, отводились во внешнюю среду. По мере разогрева емкости до 345°С из мазута начиналось испарение наиболее легких фракций углеводородов, содержащихся в мазуте. Однако, эти легкие фракции, в отличие от воды, не конденсировались после охлаждения, оставаясь в газообразном виде. По этой причине, испарившиеся из мазута, легкие фракции нефти не отводились из системы, а оставались в ней. Постепенно количество испарившихся легких фракций углеводорода увеличивалось, давление в системе возрастало. При достижении давления в 5 атмосфер испарение легких фракций из мазута прекращалось, и рост давления в системе прекращался. Параллельно, под действием высоких температур начиналось испарение более тяжелых фракций нефти, постепенно превращавшихся в бензин. Полученный бензин сливался в подготовленные резервуары с более низким давлением, в результате чего происходило удаление газообразных компонентов. После того, как газы были удалены, полученное топливо сливалось в бочки.
По мере развития науки, специалисты поняли, что для процесса крекинга можно применять не только мазут, но и сырую нефть.
Виды крекинга
Крекинг нефти может осуществляться либо термическим, либо каталитическим способом. Термический крекинг нефти происходит под действием высоких температур. Каталитический крекинг нефти кроме высокой температуры использует катализаторы, которые значительно ускоряют процесс.
Термический крекинг нефти
При помощи термического крекинга нефти получают углеводороды непредельной группы, легкие виды моторного топлива, кокс. Крекинг-процесс дал возможность увеличить выход бензиновых фракций из сырой нефти до 50-60%. При этом, сырьем для крекинга служит не только нефть, ни и ее фракции, получаемые в процессе перегонки нефти. Основными факторами термического крекинга являются температура, давление, и время процесса. Надо понимать, что различные группы углеводородов имеют различные скорости разложения. Быстрее всего разлагаются парафиновые углеводороды, чуть медленнее нафтеновые, медленнее всего расщепляются ароматические углеводороды.
В свою очередь, термический крекинг подразделяется на жидкофазный крекинг и парофазный крекинг:
- Жидкофазный крекинг – давление 2-5 Мпа, температура процесса +470…540 °С;
- Парофазный крекинг – давление 0,2-0,6 Мпа, температура процесса 550°С.
По мере роста температуры растет скорость процесса крекинга – если за 12 часов крекинг-процесса, протекающего при 400°С, получается 30% бензина, то при увеличении температуры на 100°С время процесса сокращается до получаса.
Каталитический крекинг нефти
При помощи каталитического крекинга нефти получают бензин с высоким октановым числом. Каталитический крекинг в промышленных масштабах стал использоваться в 30-х годах минувшего столетия, и сразу показал свое преимущество перед другими видами крекинга, обеспечивая более высокую гибкость процесса, высокую универсальность, а также относительную простоту совмещении с другими процессами.
В качестве сырья при каталитическом крекинге используется вакуумный газойль с температурой кипения 350-500°С. Газойль должен пройти предварительную очистку, в ходе которой удаляются серные соединения, и понижается показатель коксуемости.
Кроме вакуумного газойля в качестве сырья при каталитическом крекинге могут использоваться тяжелые нефтяные фракции, а также остатки, полученные в процессе гидрокрекинга.
Из названия понятно, что в процессе крекинга используется катализатор, значительно ускоряющий процесс. В настоящее время в качестве катализатора при каталитическом крекинге используют микросферические цеолитсодержащие катализаторы размерами 60-80 микрон.
Существуют и другие виды крекинга нефти, которые не нашли столь широкого применения, как термический и каталитический крекинг. Стоит упомянуть об окислительном крекинге, осуществляемым при участии кислорода, а также об электрическом крекинге, при помощи которого получают ацетилен.
Отличие крекинга нефти от перегонки
Перегонка нефти и крекинг-процесс – это методы переработки нефти. Но, если для перегонки нефти используются физические методы разделения ее на отдельные фракции, то в основе крекинг-процесса лежат химические методы.
Процесс перегонки нефти заключается в ее разделении на отдельные фракции, которые отличаются между собой температурой кипения.
Процесс перегонки нефти проводится в специальных колоннах и является непрерывным. В едином технологическом процессе происходит испарение и фракционирование дистиллятов. Нефтяные пары поднимаются в верхнюю часть колонны, где охлаждаются и конденсируются на специальных тарелках, которые разделяют верхнюю часть колонны.
Сверху колонны проводится орошение, как правило, самой легкокипящей фракцией, коей является бензин. Выход бензина при перегонке нефти составляет 3-15% от веса перерабатываемой нефти.
Кроме бензина в процессе перегонки выделяются лигроин, керосин, соляровое масло, которые выводятся из колонны, охлаждаются в холодильниках и перекачиваются в хранилище.
Снизу колонны остается мазут, который используют в дальнейшем для производства масляных дистиллятов, после чего в остатке остается гудрон. Гудрон подвергается глубокой обработке серной кислотой с получением авиационных высоковязких смазочных масел.
Источник
