Не секрет, что бензин получают из нефти. Однако большинство автолюбителей даже не задаются вопросом о том, как происходит этот процесс превращения нефти в топливо для их любимого автотранспорта. Он называется крекингом, с его помощью нефтеперерабатывающие заводы получают не только бензин, но и другие необходимые в современной жизни нефтехимические продукты. Интересна история возникновения этого способа переработки нефти. Изобретателем этого процесса и установки считается русский ученый, а сама установка для этого процесса очень проста и предельно понятна даже не разбирающемуся в химии человеку.
Что представляет собой крекинг
Почему так называется крекинг? Это слово произошло от английского cracking, обозначающего расщепление. По сути это процесс переработки нефти, а также входящих в ее состав фракций. Он производится для того, чтобы получить такие продукты, которые имеют более маленькую молекулярную массу. К таким относится смазочное масло, моторное топливо и другое подобное. Помимо этого, в результате такого процесса производится продукция, необходимая в использовании химической и нефтехимической отраслей.
Крекинг алканов включает сразу несколько процессов, среди которых конденсация и полимеризация веществ. Итогом этих процессов становится образование нефтяного кокса и фракции, закипающей при очень высокой температуре и называемой крекинг-остатком. Температура кипения этого вещества составляет больше 350 градусов. Следует отметить, что, помимо указанных процессов, происходят и другие – циклизация, изомеризация, синтез.
Изобретение Шухова
Крекинг нефти, его история начинается в 1891 году. Тогда инженер Шухов В.Г. и его коллега Гаврилов С.П. изобрели промышленную установку для непрерывного термического крекинга. Это была первая установка подобного рода в мире. Изобретатели в соответствии с законами Российской Империи запатентовали ее в уполномоченном органе своей страны. Конечно же, это была экспериментальная модель. Позже, спустя практически четверть века, технические решения Шухова были положены в основу промышленной установки для крекинга в Соединенных Штатах. А в Советском Союзе первые такие установки в промышленном масштабе стали изготавливать и выпускать на заводе «Советский крекинг» в 1934 году. Этот завод располагался в Баку.
Способ английского химика Бартона
В начале двадцатого века в нефтехимическую отрасль неоценимый вклад внес англичанин Бартон, занимавшийся поиском способов и решений для получения бензина из нефти. Им был найден абсолютно идеальный способ, то есть реакция крекинга, в результате которой выходило наибольшее количество облегченных бензиновых фракций. До этого английский химик занимался переработкой нефтепродуктов, в числе которых был мазут, для извлечения керосина. Решив проблему с получением бензиновых фракций, Бартон запатентовал свой способ получения бензина.
В 1916 году способ Бартона был применен в промышленных условиях, а всего спустя четыре года после этого более восьмисот его установок уже вовсю работали на предприятиях.
Общеизвестна зависимость температуры закипания вещества от давления на него. То есть, если давление на какую-то жидкость весьма высокое, то, соответственно, будет высокой и температура ее закипания. При понижении давления на это вещество, оно может закипеть уже при более меньшей температуре. Именно эти знания использовал химик Бартон, добиваясь наиболее лучшей температуры, чтобы произошла реакция крекинга. Эта температура составляет от 425 до 475 градусов. Конечно, при таком высоком температурном воздействии на нефть она будет испаряться, а работать с парообразными веществами довольно сложно. Поэтому главной задачей английского химика стало недопущение закипания и испарения нефти. Он стал проводить весь процесс под высоким давлением.
Установка для крекинга
Устройство Бартона состояло из нескольких элементов, в числе которых был котел, функционирующий под высоким давлением. Изготовлен он был из довольно толстой стали, располагался над топкой, та, в свою очередь, была укомплектована дымогарной трубой. Она была направлена вверх к водяному коллектору-охладителю. Затем весь этот трубопровод направлялся к емкости, предназначенной для сбора жидкости. Внизу резервуара размещалась разветвленная труба, каждая трубка которой имела контрольный вентиль.
Как осуществлялся крекинг
Крекинг-процесс происходил следующим образом. Котел заполнялся нефтепродуктом, в частности, мазутом. Постепенно мазут нагревался за счет топки. Когда температура доходила до ста тридцати градусов, из содержимого котла удалялась (испарялась) имеющаяся в нем вода. Проходя по трубе и охлаждаясь, эта вода попадала в сборный резервуар, а оттуда вновь по трубе уходила вниз. В это же время в котле продолжался процесс, во время которого из мазута исчезали другие составляющие – воздух и иные газы. Они проходили тот же путь, что и вода, направляясь в трубопровод.
Избавившись от воды и газов, нефтепродукт был готов к последующему крекингу. Печь растапливали сильнее, температура ее и котла медленно повышалась, пока не достигала 345 градусов. В это время происходило испарение облегченных углеводородов. Проходя по трубе к охладителю, они даже там оставались в состоянии газа, в отличие от водяных паров. Попав в сборную емкость, эти углеводороды следовали в трубопровод, так как выпускной вентиль закрывался и не давал им уйти в канаву. Они возвращались через трубу вновь в емкость, а затем снова повторяли весь путь, не находя выхода.
Соответственно, с течением времени их становилось все больше и больше. Итогом было растущее давление в системе. Когда это давление доходило до пяти атмосфер, легкие углеводороды уже были неспособны испаряться из котла. Углеводороды, сжимаясь, поддерживали равномерное давление в котле, трубопроводе, сборной емкости и холодильнике. Одновременно начиналось из-за высокой температуры расщепление тяжелых углеводородов. В результате они превращались в бензин, то есть в легкий углеводород. Его образование начинало происходить примерно при 250 градусах, легкие углеводороды при расщеплении испарялись, образовывали конденсат в охладительной камере, собираемый в сборном резервуаре. Далее по трубе бензин перетекал в подготовленные емкости, в которых давление было пониженным. Такое давление способствовало удалению газообразных элементов. С течением времени такие газы удалялись, а готовый бензин переливался в нужные резервуары или баки.
Чем больше легких углеводородов испарялось, тем более упругим и стойким к температурному воздействию становился мазут. Поэтому после превращения половины содержимого котла в бензин дальнейшая работа приостанавливалась. Помогал в установлении количества полученного бензина специально установленный в установку счетчик. Печка гасилась, трубопровод перекрывался. Вентиль трубопровода, который соединял его с компрессором, наоборот, открывался, пары перемещались в этот компрессор, давление в нем было меньше. Параллельно с этим перекрывалась труба, ведущая к полученному бензину, чтобы оборвать связь его с установкой. Дальнейшие действия заключались в ожидании остывания котла, сливе из него вещества. Для последующего использования после этого котел зачищался от налета кокса, и можно было проводить новый крекинг-процесс.
Этапы переработки нефти и установка Бартона
Следует отметить, что возможность расщепления нефти, то есть крекинг алканов, уже давно была замечена учеными. Однако она не применялась при обычной перегонке, так как это расщепление в такой ситуации было нежелательным. Для этого в процессе был задействован перегретый пар. С его помощью нефть не расщеплялась, но испарялась.
За все время своего существования нефтеперерабатывающая отрасль пережила несколько этапов. Так, с шестидесятых годов XIX века до начала прошлого века нефть подвергалась переработке с целью получения только керосина. Он был тогда материалом, веществом, с помощью которого люди получали освещение в темное время. Примечательно, что во время такой переработки, получаемые из нефти облегченные фракции, считались отходами. Они выливались в канавы и уничтожались сжиганием или другим способом.
Установка крекинга Бартона и его метод послужили основополагающим этапом всей нефтеперерабатывающей сферы. Именно этот способ английского химика позволил добиться более высокого результата получения бензина. Выход этого продукта нефтепереработки, а также других ароматических углеводородов возрос в несколько раз.
Потребность в применении крекинга
В начале двадцатого века бензин был, можно сказать, ненужным продуктом нефтепереработки. Автотранспорта, работающего на этом виде топлива, в то время было очень мало, поэтому и топливо было не востребовано. Но с течением времени автопарк стран неуклонно рос, соответственно, требовался и бензин. Только за первые десять-двенадцать лет двадцатого века потребность в бензине возросла в 115 раз!
Получаемый путем простой перегонки бензин, а, точнее, его объемы не удовлетворяли потребителя, да и самих производителей. Поэтому было решено применять крекинг. Это позволило нарастить темп производства. Благодаря этому удалось увеличить количество бензина для нужд государств.
Чуть позже было установлено, что крекинг нефтепродуктов можно было проводить не только лишь на мазуте или солярке. В качестве исходного сырья для этого вполне была годна и сырая нефть. Также производителями и специалистами в этой области было определено, что бензин, полученный способом крекинга, являлся более качественным. В частности, при его использовании в автомобилях они работали более исправно и дольше обычного. Это было связано с тем, что полученный путем крекинга бензин сохранял некоторые углеводороды, сгорающие при обычной перегонке. Эти вещества, в свою очередь, при использовании в двигателях внутреннего сгорания имели свойство воспламеняться и гореть более плавно, в итоге двигатели работали без взрывов топлива.
Каталитический крекинг
Крекинг – это процесс, который можно подразделить на два вида. Он применяется для выработки топлива, например, бензина. В одних случаях может проводиться путем простой термической обработки нефтепродуктов – термический крекинг. В других же случаях возможно осуществление этого процесса не только при помощи высокой температуры, но и с добавлением катализаторов. Такой процесс называется каталитическим.
Используя последний указанный способ переработки, производители получают высокооктановый бензин.
Считается, что этот вид является самым важным процессом, который обеспечивает наиболее глубокую и качественную переработку нефти. Установка каталитического крекинга, внедренная в промышленность в тридцатых годах прошлого века, позволила получить производителям несомненные преимущества для всего процесса. К таким можно отнести эксплуатационную гибкость, относительную простоту совмещения с иными процессами (деасфальтизация, гидроочистка, алкирование и т. д.). Именно благодаря этой универсальности можно объяснить значительную долю использования каталитического крекинга во всем объеме переработки нефти.
Сырье
В качестве сырья при каталитическом крекинге используется вакуумный газойль, представляющий собой фракцию, имеющую пределы кипения от 350 до 500 градусов. При этом окончательная точка кипения устанавливается по-разному и напрямую зависит от содержания металлов. Кроме того, на данный показатель влияет и коксуемость сырья. Она не может быть больше трех десятых процента.
Предварительно требуется и производится гидроочистка такой фракции, в результате которой удаляются всевозможные сернистые соединения. Также гидроочистка позволяет снизить коксуемость.
У некоторых известных на нефтеперерабатывающем рынке компаний существует несколько осуществляемых ими процессов, при которых происходит крекинг тяжелых фракций. К ним можно отнести коксуемый до шести-восьми процентов мазут. Помимо этого, сырьем могут быть остатки гидрокрекинга. Самым, наверное, редким и, можно сказать, экзотическим сырьем считается прямогонный мазут. Подобная установка (технология миллисекунд) имеется в Республике Беларусь на Мозырском нефтеперерабатывающем заводе.
Буквально до последнего времени, когда использовался каталитический крекинг нефтепродуктов, применялся аморфный шариковый катализатор. Он представлял собой трех-пятимиллиметровые шарики. Сейчас же для этой цели применяются катализаторы крекинга объемом не больше 60–80 мкм (цеолитсодержащий микросферический катализатор). Состоят они из цеолитного элемента, располагающегося на алюмосиликатной матрице.
Термический способ
По обыкновению, термический крекинг используется для переработки нефтепродуктов, если нужно получить в итоге продукт с более маленькой молекулярной массой. Например, к таким можно отнести непредельные углеводороды, нефтяной кокс, легкие моторные топлива.
Направление этого способа переработки нефти находится в зависимости от молекулярной массы и природы сырья, а также непосредственно от условий, при которых происходит сам крекинг. Это было подтверждено химиками с течением времени. Одними из главнейших условий, которые влияют на быстроту и направление протекания термического крекинга, считаются температура, давление и длительность процесса. Последний получает видимую фазу при трехстах–трехстах пятидесяти градусах. При описании этого процесса используется кинетическое уравнение крекинга первого порядка. На результат крекинга, а точнее, на состав его продуктов оказывает влияние перемена давления. Причиной этому служит перемена скорости и характеристик вторичных реакций, к которым относятся, как уже упоминалось ранее, полимеризация и конденсация, которыми сопровождается крекинг. Уравнение реакции термического процесса выглядит так: С20Н42 = С10Н20 + С10 Н22. Влияние оказывает на итог и результат еще объем реактивов.
Нужно заметить, что крекинг нефти, осуществляемый перечисленными способами, не является единственным. В производственной деятельности нефтеперерабатывающие предприятия используют и многие другие виды этого процесса переработки. Так, в определенных случаях используется так называемый окислительный крекинг, осуществляемый с использованием кислорода. Применяется в производстве и электрический крекинг. С помощью этого метода производители получают ацетилен путем пропуска сквозь электричество метана.
