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

Существует КМС, которая учитывает недостатки ранее разработанных программ, – это «Система контроля работы катализатора», разработанная в Томском политехническом университете. В основе данной программы лежит принцип химического равновесия образования кокса и гидрирования промежуточных продуктов уплотнения. Благодаря этой программе можно рассчитать оптимальные условия и длительность цикла, а также спрогнозировать процесс.

Современные исследования и разработки в области каталитического риформинга направлены на достижение высокого уровня селективности, оптимального выхода риформата, получение продукта с заданным октановым числом, а также на понижение содержания примесей в продукте и контроль температуры процесса. Конечно же, важным условием оказывается и получение экологически чистого топлива с низкими текущими энергетическими затратами на производство.

Изомеризация

Теперь рассмотрим процесс изомеризации легких парафинов, т. е. своеобразную перетасовку атомов в рамках одного соединения.

Изомеры – это соединения, имеющие общий состав, но разное строение молекулы. Представьте, что атом углерода – это такой шарик из детского конструктора с четырьмя разъемами. У парафинов работает простое правило: один разъем обязательно цепляется к соседнему углероду, а остальные три могут достроиться либо углеродом, либо водородом. При рассмотрении изомерического ряда других углеводородов ситуация усложняется. Наглядно эту ситуацию можно рассмотреть на рисунке 11.

Рисунок 11. Изомерные пары: 1. Гексан и метилпентан. 2. Гексен и циклогексан

Целью изомеризации является получение изопарафинов из соответствующих углеводородов. Для ее достижения реализуются два процесса: получение изобутана и высокооктанового компонента бензина. Второй процесс оказался наиболее рентабельным и перспективным.

Изомеризат имеет небольшую разницу между октановыми числами (ОЧ) по исследовательскому и моторному методу измерения. Ароматические же и непредельные углеводороды имеют весьма значительную разницу. Разберемся, что такое октановое число.

ОЧ – основная характеристика топлива, свидетельствующая о стойкости топлива к взрыву в двигателях. Само число соответствует смеси изооктана и н-гептана. Как пример, если октановое число равно 83, то его стойкость к детонации соответствует смеси, состоящей на 83 % из изооктана и 17 % н-гептана.

В рамках исследовательского метода топливо испытывается в фиксированных условиях, где температура впуска – около 52 °C, а частота вращения двигателя – 600 об/мин. Испытатель регулирует степень сжатия до возникновения детонации и сравнивает характеристики топлива с эталонной смесью.

Моторный метод предполагает применение более жестких условий – температура впуска около 149 °C, а частота вращения двигателя – 900 об/мин. Такой метод лучше отражает реальные условия работы двигателя при высоких нагрузках и скоростях.

Теперь, когда мы определились, что мы хотим сделать и с какой целью, стоит понять: как и из чего? Сырьем для процесса могут выступать бензин с установки АВТ, фракция пропан-бутановая и бензин из других процессов после удаления из него аренов. Условия реакции должны быть корректны, так как при повышении температуры скорость реакции возрастает лишь до определенного предела, после чего преимущество забирают деструктивные процессы. Рост давления повышает селективность процесса, но только до определенного предела. После 4 МПа этот показатель стабилизируется, и на коксование давление перестает влиять.

Установки изомеризации имеют несколько видов исполнения в зависимости от температур. Рассмотрим высокотемпературную изомеризацию. Ее технологические параметры следующие: температурный интервал – 380–450 °C, давление – 3–4 МПа, выход целевого изомеризата – 91 %. Схема представлена на рисунке 12.

С колонны стабилизации (самая правая на рисунке) на рециркуляцию идет стабильный изомеризат. Изначально сырье поступает в колонну изопентановую, далее посредством ректификации проходит изобутановую, пентановую и изогексановую. Углеводородный газ в процессе отделяется и поступает в топливную сеть завода или на газопереработку. Октановое число данного процесса изомеризации составляет в районе 74–76 по исследовательскому методу и 80–90 по моторному.

Рисунок 12. Технологическая схема высокотемпературной изомеризации: 1 – испарители, 2 – конденсаторы, 3 – сепараторы, 4 – колонны (изопентановая, изобутановая, пентановая, изогексановая и стабилизационная), 5 – печь, 6 – сепаратор, 7 – реактор изомеризации. Потоки соответствуют: I – сырье, II – газ, III – водородсодержащий газ, IV – бутаны, V – изопентаны, VI – изогексан

Рисунок 13. Технологическая схема среднетемпературной изомеризации

Режим работы среднетемпературной изомеризации соответствует следующим значениям: температура – 240–280 °C, давление – 1,5–3,2 МПа, выход продукта – 98 %. Схема представлена на рисунке 13.

Установка достаточно компактная. Здесь важно вспомнить про рекуперацию тепла: перед печью сырье подогревают готовым продуктом. За счет этого готовый продукт успевает остыть перед тем, как отправиться в сепаратор на разделение.

По исследовательскому методу октановое число будет равно 78–80, что уже немного выше, чем при высокотемпературной изомеризации. На представленной схеме, в отличие от схемы высокотемпературной изомеризации, не показано разделение газовых смесей. Однако на реальных предприятиях такие установки дополняются блоками ректификации.

Низкотемпературная изомеризация является лучшей по октановому числу – 81–86. Но существуют некоторые нюансы исполнения, которые необходимо рассмотреть подробнее. Сначала обозначим параметры процесса: температура 120–190 °C, давление 2–4 МПа. Выход продукта – 98–99. Схема самой установки изображена на рисунке 14.

Рисунок 14. Технологическая схема низкотемпературной изомеризации

Технология низкотемпературной изомеризации предполагает использование двух последовательных реакторов, а колонну стабилизации дополнительно снабжают скруббером. За счет созависимых реакторов усложняется контроль режима ведения технологического процесса.

Также определенно стоит упомянуть катализаторы, участвующие в процессе.

– Платиновые обеспечивают высокую активность и селективность процесса. Платина наносится на носители из оксидов алюминия или цеолитов, что увеличивает активную поверхность катализатора.

– Цеолитовые – микропористые кристаллические материалы с высокоразвитой поверхностью. Они могут быть модифицированы металлами, что увеличивает их активность и устойчивость в условиях низкотемпературной изомеризации.

– Хлорированные алюмосиликаты – обеспечивают высокую селективность процесса, но требуют тщательной регулировки условий реакции и регулярной регенерации.

Завершим тему каталитических процессов и перейдем к «гидро»-процессам – более интересному и важному разделу. Это финальный блок по нефтепереработке, после которого мы рассмотрим смежные сферы отрасли.

Глава 7. Термогидро каталитические процессы

Перейдем к заключительному разделу нефтепереработки – термогидрокаталитическим процессам. Их ключевая особенность – непосредственное участие водорода в реакциях. Ранее водород рассматривался лишь как ингибитор коксообразования, теперь же он становится неотъемлемым компонентом процесса.

Приставка «гидро» означает водород. Отсюда логика: гидрирование – это присоединение водорода, а дегидрирование – наоборот, его отщепление. Такие реакции характерны для непредельных, циклических и ароматических соединений, а также для веществ, содержащих галогены. Для последних существует отдельный процесс – гидроочистка.

Но как же получают водород в промышленных условиях? Из школьного курса химии мы знаем о реакциях замещения его металлом в кислоте, но это весьма дорогой и затратный метод.