Каталитический крекинг - один из ключевых процессов нефтепереработки, позволяющий получать высокооктановый бензин и другие ценные продукты из тяжелых нефтяных фракций. Этот метод применяется с 1930-х годов и постоянно совершенствуется. Давайте разберемся, в чем заключается технология каткрекинга и какие продукты при этом можно произвести.
История развития каталитического крекинга
Процесс каталитического крекинга зародился в 1930-х годах в США. Толчком к его развитию послужило создание эффективного катализатора на основе алюмосиликатов, разработанного Э. Гудри в 1936 году. Этот катализатор обеспечивал высокую активность и длительный срок службы.
Основными преимуществами метода каталитического крекинга являются:
- Гибкость - возможность перерабатывать различные фракции нефти.
- Универсальность - получение широкого ассортимента ценных продуктов.
- Сочетаемость с другими процессами нефтепереработки.
Благодаря этим преимуществам доля каталитического крекинга в общем объеме переработки нефти неуклонно росла в 1940-1950-х годах.
Следующим важным этапом стал переход на цеолитсодержащие катализаторы в 1960-1970-х годах. Цеолиты увеличили активность и селективность процесса.
В 1970-1980-х годах получили распространение реакторы каталитического крекинга с кипящим слоем катализатора. Это позволило улучшить гидродинамические характеристики процесса и повысить производительность установок.
В настоящее время ведутся работы по созданию наноразмерных катализаторов, а также по внедрению систем автоматизированного управления процессом каталитического крекинга на основе IT-технологий.
Сырье для каталитического крекинга
В качестве сырья для каталитического крекинга обычно используют:
- Вакуумный газойль с температурой кипения 350-500°C.
- Глубокие вакуумные газойли, до 620°C.
- Остаточные фракции (мазут, гудрон) после предварительной подготовки.
Типичные характеристики сырьевых фракций:
| Показатель | Значение |
| Плотность, кг/м3 | 800-940 |
| Вязкость, мм2/с | 6-55 |
| Содержание серы, % | 0,5-4 |
| Температура кипения, °C | 350-620 |
Перед подачей в процесс сырье подвергают предварительной подготовке - гидроочистке, деасфальтизации, деметаллизации для снижения содержания серы, металлов и улучшения фракционного состава.
Также применяется смешение различных фракций для оптимизации состава сырья каталитического крекинга.
Механизм реакций каталитического крекинга
В процессе каталитического крекинга протекают следующие основные реакции:
- Деструктивное разложение высокомолекулярных парафинов и ароматических соединений.
- Изомеризация углеводородов.
- Конденсация ароматических и непредельных соединений.
Соотношение скоростей этих реакций зависит от типа сырья, катализатора и параметров процесса.
При каталитическом крекинге парафинов образуются алканы и олефины с меньшей молекулярной массой. Расщепление высокомолекулярных парафинов происходит легче.
Крекинг нафтеновых соединений приводит к образованию алкилнафтенов и алкилароматических углеводородов с более короткими боковыми цепями.
Ароматические углеводороды подвергаются деалкилированию с образованием алканов, олефинов и аренов меньшей молекулярной массы. Конденсация ароматических соединений приводит к отложению кокса.
Таким образом, в результате каталитического крекинга образуется широкий спектр углеводородов от метана до тяжелых фракций, а также кокс. Процесс можно регулировать для получения нужного набора целевых продуктов.
Катализаторы процесса
В процессе каталитического крекинга применяются два основных типа катализаторов:
- Шариковый катализатор с размером частиц около 30-60 мм.
- Микросферический катализатор, напоминающий детскую присыпку, с размером частиц 35-150 мкм.
Шариковые катализаторы в настоящее время практически не используются, вместо них применяют более эффективные микросферические катализаторы.
Особенности микросферических катализаторов:
- Обладают высокой площадью поверхности 300-400 м2/г.
- Демонстрируют псевдоожиженные свойства.
- Содержат активный цеолитный компонент (до 30%) на алюмосиликатной матрице.
В качестве цеолита чаще всего используется ультрастабильный цеолит Y, иногда с добавками цеолита ZSM-5. Также в катализатор могут вводиться редкоземельные металлы для регулирования активности.
При работе катализатора на его поверхности образуются отложения кокса, что приводит к дезактивации. Поэтому катализатор периодически регенерируется путем выжига кокса в регенераторе при температуре около 600°С.
Таким образом, катализатор циклически функционирует в режимах каталитического крекинга и регенерации.
Аппаратурное оформление процесса
Каталитический крекинг осуществляется в специальных высокотемпературных реакторах. Различают реакторы двух типов:
- С кипящим слоем катализатора.
- Лифт-реакторы с движущимся потоком микросферического катализатора.
В лифт-реакторах сырье вместе с горячим катализатором поднимается вверх со скоростью 1-3 м/с. Время контакта составляет 3-5 секунд. Затем в циклоне продукты отделяются от катализатора.
Отработанный катализатор направляется в регенератор, представляющий собой вертикальную колонну. Там при температуре 500-650°С происходит окисление кокса кислородом воздуха.
Выделившееся тепло используется для нагрева технологических потоков в теплообменниках.
Восстановленный катализатор возвращается в реактор. Так замыкается контур циркуляции катализатора.
Продукты каталитического крекинга
Основными продуктами каталитического крекинга являются:
- Газообразные углеводороды (водород, метан и др.). Используются как топливо.
- Высокооктановый бензин с октановым числом 88-92. Является компонентом автомобильного топлива.
- Легкий газойль. Компонент дизельного топлива и котельного топлива.
- Тяжелый газойль. Может перерабатываться в кокс или использоваться как котельное топливо.
Выход и качество продуктов зависит от состава сырья, типа катализатора и параметров процесса. Гибкость процесса позволяет регулировать выпуск нужных продуктов.
Схемы организации процесса
Различают установки каталитического крекинга:
- С периодической и непрерывной регенерацией катализатора.
- С псевдоожиженным слоем катализатора.
- С циркулирующим катализатором.
- С подвижным и неподвижным слоем катализатора в реакторе.
Наибольшее распространение получили установки с непрерывной регенерацией и циркулирующим катализатором в лифт-реакторах. Такие схемы обеспечивают высокую производительность и гибкость процесса.
Общий баланс процесса
Типичные показатели процесса каталитического крекинга:
- Глубина переработки сырья - 70-80%.
- Выход целевых продуктов - до 75% от массы сырья.
- Расход теплоты на реакции крекинга - порядка 1300 кДж/кг сырья.
- Расход энергии на проведение процесса - около 80 кВт*ч/т сырья.
- КПД установки по выходу целевых продуктов - 60-70%.
Таким образом, каталитический крекинг обеспечивает эффективную конверсию тяжелых нефтяных фракций в полезные продукты с относительно невысокими энергозатратами.
Применение продуктов каталитического крекинга
Продукты каталитического крекинга находят широкое применение в нефтепереработке и нефтехимии:
- Крекинг-бензин используется для увеличения октанового числа автомобильных бензинов путем компаундирования с другими фракциями.
- Легкий газойль в определенных пропорциях добавляют в дизельные топлива для снижения их вязкости.
- Тяжелый газойль может служить сырьем для процессов термического крекинга, коксования, производства сажи.
- Газообразные олефины (пропилен, бутилены) используются для получения полимеров и синтетических каучуков.
- Каткрекинг-продукты экспортируются в страны, не имеющие собственных НПЗ.
Возможности применения продуктов зависят от их качественных характеристик, определяемых условиями проведения процесса каталитического крекинга.
Экологические аспекты процесса
Каталитический крекинг оказывает определенное воздействие на окружающую среду, которое необходимо минимизировать:
- Выбросы NOx, SOx, CO, твердых частиц в атмосферу.
- Сброс сточных вод, загрязненных нефтепродуктами.
- Тепловое воздействие на природные объекты.
- Образование отходов - кокса, серы, металлов.
Для снижения воздействия используются различные методы:
- Очистка газовых выбросов.
- Очистка сточных вод.
- Рекуперация тепла отходящих газов.
- Переработка и утилизация отходов.
- Автоматизация контроля выбросов.
Экологическая безопасность процесса каталитического крекинга является важной задачей.
Безопасность процесса каталитического крекинга
При эксплуатации установок каталитического крекинга необходимо учитывать ряд факторов опасности:
- Высокое давление в реакторах.
- Экстремальные температуры технологических потоков.
- Шум от работы насосов и компрессоров.
- Пожаро- и взрывоопасность продуктов и сырья.
- Токсичность используемых веществ.
Для предотвращения аварий применяются:
- Системы блокировок и сигнализации.
- Автоматизация управления технологическими параметрами.
- Средства индивидуальной защиты персонала.
- Противоаварийные тренировки.
Безопасная эксплуатация установки каталитического крекинга является обязательным условием.
Перспективы развития каталитического крекинга
Дальнейшее развитие процесса каталитического крекинга идет по нескольким направлениям:
- Создание более эффективных наноразмерных катализаторов.
- Расширение сырьевой базы за счет тяжелых нефтяных остатков.
- Комбинирование каткрекинга с гидропроцессами.
- Повышение качества целевых продуктов.
- Снижение энерго- и ресурсоемкости процесса.
- Автоматизация управления установками.
Развитие каталитического крекинга позволит расширить ассортимент продуктов нефтепереработки и повысить эффективность использования сырья.
Компактные установки каталитического крекинга
Помимо крупнотоннажных промышленных установок, разрабатываются компактные мини-установки каталитического крекинга производительностью до 1000 баррелей в сутки.
Преимущества мини-установок:
- Низкая стоимость и быстрый запуск.
- Мобильность, возможность размещения в удаленных районах.
- Простота и надежность конструкции.
- Автоматизированное управление.
Такие компактные установки могут быть востребованы для небольших месторождений, удаленных поселков, военных гарнизонов.
