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.