Нефть. От первых скважин до новой эпохи - Глеб Олегович Трухин

на свойствах катализатора: стационарный слой катализатора, с движущимся слоем катализатора – CCR, с неподвижным слоем катализатора и непрерывной регенерацией – дуалформинг, с системой непрерывной регенерации – октайзинг.

Рассмотрим несколько установок риформинга. Начнем с классической – с неподвижным слоем катализатора. Схема такого риформинга представлена на рисунке 9.

Рисунок 9. Технологическая схема риформинга со стационарным слоем катализатора

На схеме представлены три реактора разных размеров и сырье, циркулирующее по ним и через печи. Такая технология применена для обеспечения равной конверсии по реакторам, соотношения реакторов по размеру (а следовательно, и по загруженности катализатором) – 1:2:4, также возможен вариант 1:3:8.

В малом реакторе происходят реакции дегидрирования шестичленных алканов. Реакции проходят с поглощением тепла, поэтому перед входом в средний реактор стоит дополнительный подогреватель (температура на первой ступени может опуститься на 80 °C). В среднем реакторе они заканчиваются, и начинает протекать реакция дегидроизомеризации, которая тоже является эндотермической (с поглощением тепла), и происходит падение температуры на 40 °C. В большом протекают реакции дегидроциклизации, где наблюдается наименьшее падение температуры – всего 20 °C. Параметры процесса реакции держат на следующем уровне: температура 490–510 °C, давление 1,3–2,0 МПа. Режим работы катализатора зависит от сырья: в среднем до начала его регенерации проходит от 12 до 24 месяцев.

Выход риформата (ключевого продукта риформинга) составляет 82,8 %, ВСГ – 5,3 %, остальное забирает на себя углеводородный газ. Углеводородный газ разделяют на две фракции: сухой и сжиженный. Сухой газ служит топливом для печей на заводе или участвует в генерации тепла; сжиженный газ используют для производства полимеров или для других нефтехимических процессов. ВСГ направляют на гидроочистку – реакцию углеводородов с водородом для удаления непредельных соединений и различных примесей. Процесс регенерации катализатора на данной установке происходит путем выжигания его в две ступени и дальнейшей прокалки при 500 °C. Давление, при котором проводят этот процесс, равно 1 МПа.

Другим вариантом риформинга является технология с движущимся слоем катализатора (Continuous Catalytic Reforming или, по-другому, CCR). В ней реализована такая же схема прохождения сырья через реакционный объем. Впервые такую технологию реализовали в США в 1971 году. Она оказалась наиболее предпочтительной при снижении рабочего давления с одновременным увеличением глубины превращения сырья. Схема установки представлена на рисунке 10.

Реакторы расположены ярусами, один над другим. Сверху находится самый малый по объему (первый) реактор, а снизу – наиболее объемный (последний). Между собой они связаны переточными трубами малого диаметра. В первом же рассмотренном случае реакторы представляли собой отдельные аппараты. Переточные трубы в данной системе предназначены для движения катализатора, который проходит реакционное пространство просто под действием силы тяжести. Сепараторы высокого и низкого давления предназначены для отделения сырьевого газа и ВСГ соответственно. После сепарации сырье поступает на ректификационный блок, где уже идет разделение газа и риформата.

Рисунок 10. Технологическая схема риформинга с движущимся слоем катализатора

Особенности режима заключаются в том, что температура реакции выше, чем в стационарном слое, и достигает 540 °C, однако давление значительно ниже – 0,9–1,2 МПа. Что касается соотношения объемов реактора, здесь оно реализовано в пропорции 1:2:4. Перепад температур в каждом из трех реакторов составляет 83 °C, 37 °C и 24 °C соответственно.

На современных НПЗ стремятся перейти к технологии с движущимся слоем катализатора. Модернизация старых процессов со статическим слоем породила две новые технологии, а именно – дуалформинг и октанайзинг. Они позволяют снизить рабочее давление, а главное – увеличить выход продуктов и снизить потери.

Технология дуалформинга предполагает модернизацию установки путем добавления четвертого реактора с собственным регенератором. Движение катализатора организовано только в этом контуре. Кроме того, устанавливается новая печь для подогрева сырья, обеспечивающая необходимый температурный режим. Процесс октанайзинга подразумевает подключение к сети реакторов регенератора по схеме: третий реактор → регенератор → первый реактор.

Для объективной оценки процесса риформинга необходимо коротко обозначить его положительные стороны и моменты, нуждающиеся в дальнейшей доработке.

Преимущества:

– Высокое качество продукции. Риформинг позволяет получать бензин с октановым числом до 95 и выше.

– Побочный продукт – водород. Водород используется в процессах гидроочистки и других технологических операциях.

– Гибкость процесса. Возможность переработки разных фракций нафты.

Недостатки:

– Высокая стоимость катализаторов. Использование платиновых катализаторов требует значительных инвестиций.

– Энергозатратность. Для поддержания высокой температуры требуется большое количество энергии.

– Ограничения по сырью. Сырье должно быть предварительно очищено от серы, что увеличивает затраты.

А как же сейчас обстоят дела с этой технологией?

Технологии риформинга продолжают развиваться, учитывая потребность в повышении эффективности и устойчивости нефтепереработки. Исследования и разработки в этой области ведутся в нескольких направлениях:

Увеличение срока службы катализаторов

Катализаторы – основа каталитического риформинга. Замена является одной из самых затратных частей процесса. Современные исследования фокусируются на:

– создании катализаторов с более высокой устойчивостью к загрязнению серой и другими примесями в сырье;

– разработке катализаторов с улучшенной активностью и селективностью, что позволяет увеличить объем выходного продукта при снижении затрат.

Например, в 2023 году исследователи компании Clariant представили модифицированные катализаторы с использованием наночастиц платины, которые демонстрируют более продолжительный срок службы.

Использование альтернативного сырья

Традиционно риформинг используется для переработки нафты, но в будущем процесс может быть адаптирован для работы с:

– синтетическими углеводородами, получаемыми из газа или биомассы, что снижает зависимость от сырой нефти;

– возобновляемыми углеводородами, такими как углеводороды из переработки пластмасс, что позволит снизить экологическую нагрузку.

Проекты по переработке синтетического сырья активно развиваются в Европе и Азии, но их интеграция в российскую промышленность обсуждается в рамках национальной программы декарбонизации. Эти инновации закладывают основу для интеграции риформинга в более экологически устойчивую нефтехимическую отрасль.

Снижение энергопотребления

Процесс риформинга требует поддержания высоких температур (500–520 °C)

Современные подходы включают:

– использование высокоэффективных теплообменников и систем рекуперации тепла;

– применение индукционного нагрева и микроволновых технологий, которые позволяют сократить энергопотребление до 20 %;

– снижение рабочего давления в реакторах для повышения термодинамической эффективности процесса.

Еще одним из основных направлений в развитии нефтепромышленности является применение технологии моделирования процесса и работа с цифровыми двойниками и математическими моделями.

Сегодня основной упор делается на инновационные системы компьютерного моделирования (КМС). Они базируются либо на математическом анализе корреляционных, статистических и формализованных технологических данных, либо на физико-химических моделях. Применение таких систем позволяет прогнозировать поведение катализаторов, контролировать корректность режимов и детально изучать кинетику процесса. Это помогает избежать лишних затрат, поскольку использование дезактивированного катализатора неизбежно ухудшает качество продукта.

Самыми надежными КМС являются те, которые основаны на механизме и кинетике реакций углеводородов на поверхности катализатора. Но в действительности используются преимущественно математические модели, в основе которых лежат фактические данные. Эти данные