Нефтепереработка

Первым нефтепереработчиком смело можно назвать природу, предоставившую враспоряжение человека

такой продукт, как асфальт. Асфальт, образовывавшийся в результате химического и биохимического окисления и испарения легких нефтяных фракций

на поверхности «нефтяных озер» — просочившихся наружу залежей нефти, — оказался отличным строительным материалом. В Древнем Египте и Вавилоне, Китае и Греции с его помощью укрепляли стены амбаров и крепостей, использовали для гидроизоляции, а в Средние века, пока европейцы экспериментировали с «горной смолой» при изготовлении красок, инки строили асфальтовые дороги.

Сложно сказать, когда именно человек попытался собственноручно получить из нефти нечто новое, но историки предполагают, что процесс дистилляции был известен еще древним цивилизациям и точно использовался алхимиками уже в I тысячелетии до н. э. А значит, сырьем для этих процессов могла служить и нефть. В любом случае тогда применение получавшегося в результате примитивной перегонки продукта было ограничено его очевидными свойствами — он неплохо горел — и свойствами предполагаемыми: вплоть до XIX века нефтяные дистилляты широко применялись в аптекарском деле в качестве заживляющего, болеутоляющего и любого другого чудодейственного средства.

Говорить же о более-менее серьезной промышленной перегонке нефти с целью получения конкретных нефте-

продуктов можно лишь начиная с середины XIX века.

КЕРОСИНОВЫЙ ВЕК

В России первооснователем нефтепереработки принято считать архангельского рудоискателя Федора Прядунова, пытавшегося «двоить» (то есть перегонять) нефть в коммерческих целях еще в 1745 году. Прядунов организовал небольшой завод по добыче нефти под Ухтой, где из-под земли били настоя-

масла применяли и нефтяные дистил ляты, но они сильно коптили, как и сама сырая нефть.

Хотя патент на керосин принадле жит вполне конкретному человеку — канадскому химику Абрахаму Гезнеру, а получил он это прозрачное жидкое топливо, которое хорошо горело и мало дымило, из каменного угля, здесь сто ит говорить скорее о логичном стече нии многих факторов, чем о случай ном изобретении. В 1840–50 х годах в Америке были открыты значительные месторождения нефти. Добыча ново

го ископаемого требовала рынков сбы та, а тогдашних представлений о хими ческих и физических свойствах жидких углеводородов было достаточно, что бы быстро найти им достойное приме нение. Идея извлечения из нефти керо синовых фракций витала в воздухе и была реализована учеными и инже нерами во многих странах. Очень

быстро керосин стал движущей силой нарождавшейся нефтеперерабатываю щей промышленности.

К началу XX века технологии пере работки заметно усовершенствова лись, а значительный вклад в развитие индустрии в тот период внесли россий ские ученые, инженеры, предприни

95%

средняя глубина переработки нефти­ в США. Средний показа тель для отечественных НПЗ — порядка 72%, на заводах «Газпром­ нефти» он дости­ гАет 85%

матели и изобретатели. В частности, Дмитрий Менделеев обосновал воз можность получения из мазута мине ральных смазочных масел перегонкой в вакууме или с водяным паром, а изо бретатель Виктор Рагозин в полной мере реализовал его идеи на практике. В Российской империи появилась и пер вая многокубовая установка для непре рывной перегонки нефти и дистилля ции нескольких различных нефтяных фракций — на заводе ­Товарищества нефтяного производства братьев Нобель, крупнейшей по тем време нам «вертикально ­интегрированной»

­отечественной нефтяной ком пании, разрабатывавшей бакинские месторождения.

Следующим витком раз вития нефтепереработка обя зана появлению бензинового двигателя внутреннего сго рания (ДВС), до сих пор оста ющегося одним из главных отраслевых драйверов роста.

ДВИГАТЕЛЬ РЫНКА

Вообще-то сам ДВС был ­изобретен еще в 1807 году и в течение XIX века пре

терпевал различные усовершенство вания. Но первые модели двигателя работали на газе, а заслугу появления в 1880 х годах бензинового прототипа современных ДВС приписывают серб скому изобретателю Огнеславу Косто вичу, жившему и работавшему в Рос сии. Впрочем, мировая история отдает предпочтение немецким инженерам, чьи имена до сих пор на слуху, — Готт либу Даймлеру и Вильгельму Майбаху. Они не просто сконструировали легкий бензиновый карбюратный двигатель, но и сумели наладить производство автомобилей.

Индекс Нельсона

Мировые тенденции, касающиеся углубления нефтепереработки, легко проследить на примере индекса Нельсона — показателя, который оценивает сложность производства. Индекс иллюстрирует уровень

развития мощностей вторичной переработки по сравнению с первичной мощностью дистилляции. Для расчета индекса оборудованию по перегонке ­сырой нефти присваивают коэффициент 1, а все остальные установки сравнивают с ним по сложности и стоимости. Например, установка каталитического кре-

кинга имеет коэффициент, равный 4, то есть она в четыре раза сложнее, чем установка для перегонки сырой нефти при той же производительности.

Суммируя значения сложности, присвоенные каждой единице оборудования, определяют сложность НПЗ по индексу сложности Нельсона. К 2015 году средний индекс Нельсона для американских НПЗ составлял порядка 12 единиц, для европейских и азиатских — около 8, а для лучших заводов, например НПЗ в индийском Джамнагаре — 14. По прогнозам экспертов, в ближайшем будущем смогут выжить только заводы, имеющие индекс Нельсона не ниже 10, а новые производства изначально будут иметь сложность около 15 единиц.

торы. Термический, а затем каталитический крекинг определили дальнейший вектор развития нефтепереработки — сегодня она немыслима без ­процессов, связанных с расщеплением ­тяжелых молекул углеводородов на более легкие.

ГЛУБОКИЙ ПОДХОД

Современный нефтеперерабатывающий завод можно сравнить с гигантской кухней: на территории, порой занимающей не одну тысячу гектаров, располагаются огромные котлы-установки, перерабатывающие миллионы тонн нефти в год и позволяющие выпускать несколько десятков различных «блюд». Если отвлечься от лирики, то в послед-

ние десятилетия в мире прослеживается четкая тенденция на укрупнение среднего размера НПЗ, на увеличение­ сложности предприятия и, соответственно, глубины переработки. Впрочем, разброс значений довольно велик: мощность самого крупного в мире завода в Джамнагаре (Индия) ­составляет 70 млн тонн н. э. в год, а среднемировой размер НПЗ — всего около 7 млн

тонн. Существенно может варьироваться и коэффициент, отражающий глубину переработки нефти. В лидерах здесь США, где средняя глубина переработки порядка 95%, а на некоторых производствах показатель достигает и 98%. В России дела обстоят гораздо хуже: средний показатель для отечественных НПЗ — 72%, лучшие заводы, к которым относятся и предприятия «Газпром нефти», дают 80–85%.

Тенденция на углубление переработки характерна для НПЗ во всем мире. Это связано с перманентно уменьшающимся спросом на мазут, представляющий собой тяжелые остатки переработки нефти и нефтепродуктов, и все возрастающим спросом на высококачественный бензин и дизельное топливо. В частности, именно бурный рост в США автопарка и, как следствие, спроса на бензин привели в свое время к углублению­ процессов вторичной переработки на местных НПЗ.

В то же время СССР с успехом исполь-

зовал мазут в качестве топлива на ТЭЦ

иотправлял­ его на экспорт, что привело к значительному отставанию во внедрении сложных вторичных процессов.

Еще одним стимулом к развитию

имодернизации НПЗ служит повсеместное ужесточение экологических требований к товарным бензинам, а также постоянное усовершенствование автомобильных двигателей, способствующее росту спроса на высокооктановое топливо. Все это влечет за собой необходимость внедрять в производство процессы гидроочистки и гидрокрекинга, позволяющие получать высококачественные высокооктановые бензины с минимальным содержанием серы. По прогнозам экспертов, в ближайшие пять лет на гидроочистку и гидрокрекинг придется более 50% всех вводимых вторичных процессов в мире, при этом максимальный прирост мощностей будет касаться именно гидроочистки, — процесса, отвечающего в первую очередь за чистоту получаемого продукта.

Что же касается перспектив долгосрочного развития отрасли, то нынешним предметом спора ведущих экспертов стал вопрос, сохранят ли через 15–20 лет бензин и дизельное топливо свои доминирующие позиции на рынке или уступят место альтернативным источникам энергии. «Существует масса факторов, которые могут повлиять на спрос на бензин и дизтопливо в будущем, — констатирует руководитель направления по связям с научно-

исследовательскими и образовательны-

СТАБИЛЬНОСТЬ ПРЕЖДЕ ВСЕГО

Прежде чем попасть на ­производство, нефть еще на промысле проходит перво­ начальную подготовку. При помощи газонефтяных сепараторов из нее уда­ ляют наиболее легкие, газообразные составляющие. Это попутный нефтяной газ (ПНГ), состоящий преимуществен­ но из метана, этана, пропана, ­бутана

иизобутана, то есть из углеводоро­ дов, в молекулах которых содержится от одного до четырех атомов углерода (от CH4 до C4H10). Этот процесс называ­ ется стабилизацией нефти — подразу­ мевается, что после него нефть будет сохранять свой углеводородный состав

иосновные физико-химические свойства при транспортировке и хранении.

Объективно говоря, разгазирование пластовой нефти начинается еще в сква­ жине по мере продвижения ее наверх: из-за падения давления в жидкости газ из нее постепенно выделяется. Таким образом, наверху приходится иметь дело уже с двухфазным потоком — нефть / попутный газ. Их совместное хра­ нение и транспортировка оказываются экономически невыгодными и затрудни­ тельными с технологической точки зре­ ния. Чтобы переместить двухфазный поток по трубопроводу, необходимо соз­ дать в нем условия постоянного переме­ шивания, чтобы газ не отделялся от неф­ ти и не создавал в трубе газовые пробки. Все это требует дополнительных затрат. Намного проще оказывается пропустить газонефтяной поток через сепаратор

имаксимально отделить от нефти ПНГ. Получить абсолютно стабильную нефть, составляющие которой совсем не будут испаряться в атмосферу, практически невозможно. Некоторое количество газа все равно останется и будет извлечено в процессе нефтепереработки.

Кстати, сам попутный нефтяной газ — это ценное сырье, которое может исполь­ зоваться для получения электроэнергии­

итепла, а также в качестве сырья для нефтехимических производств (подроб­ нее об этом — на стр. 28). На газопере­ рабатывающих заводах из ПНГ получают технически чистые отдельные углеводо­ роды и их смеси, сжиженные газы, серу.

Из истории дистилляции

Дистилляция, или перегонка, — процесс разделения жидкостей путем их испарения и последующей конденсации. Считается, что впервые этот процесс освоили в Древнем Египте, где он применялся при получении

из кедровой смолы масла для бальзамирования тел умерших. Позднее смоло­ курением для получения кедрового масла занимались и римляне. Для этого горшок со смолой ставили на огонь и накрывали шерстяной материей, на кото­ рой собиралось масло.

Аристотель описал процесс дистилляции в своей работе «Метеорология», а также упоминал вино, пары которого могу вспыхнуть — косвенно подтверж­ дение того, что его предварительно могли подвергнуть перегонке, чтобы по­ высить крепость. Из других источников известно, что вино перегоняли в III веке до н. э. в Древнем Риме, правда, не для получения бренди, а для изготовле­ ния краски.

Следующие упоминания дистилляции относятся к I веку н. э. и связаны

с работами­ александрийских алхимиков. Позднее этот метод у греков переня­ ли арабы, которые активно использовали его в своих опытах. Также достовер­ но известно, что дистилляцией алкоголя в XII веке занимались в Салернской врачебной школе. В те времена, впрочем, дистилляты спирта употреблялись не как напиток, а в качестве лекарства. В XIII веке флорентийский медик Та­ део Альдеротти впервые осуществил фракционирование (разделение) сме­ си жидкостей. Первая книга, целиком и полностью посвященная вопросам дистилляции, была опубликована в 1500 году немецким врачом Иеронимом Бруншвигом.

Долгое время для перегонки применялись достаточно простые устройства — аламбик (медный сосуд с трубкой для отвода пара) и реторта (стеклянная кол­ ба с узким и длинным наклонным носиком). Техника стала совершенствовать­ ся в XV веке. Однако предшественники современных ректификационных колонн для перегонки нефти, в которых происходит теплообмен между противона­ правленными потоками жидкости и пара, появились лишь в середине XIX века. Они позволили получать спирт крепостью 96% с высокой степенью очистки.

Также на месторождении от нефти­ отделяют воду и механические примеси. После этого она поступает в магистральный нефтепровод и отправляется на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ). Прежде чем приступить к переработке, нефть необходимо очистить от содержащихся в ней солей (хлоридов и сульфатов натрия, кальция и магния), которые вызывают коррозию оборудования, оседают на стенках труб, загрязняют насосы и клапаны. Для этого используются электрообессоливающие установки (ЭЛОУ). Нефть смешивают с водой, в результате чего возникает эмульсия — микроскопические капель-

ки воды в нефти, в которых растворяется соль. Получившуюся смесь подвергают воздействию электрического поля, из-за чего капли соленой воды сливаются друг с другом и затем отделяются от нефти.

Многие процессы на НПЗ ­требуют подогрева нефти или нефтепродуктов. Для этого используются трубчатые печи. Нагрев сырья до требуемой

50

метров и больше может достигать высота ректификационных колонн на современных НПЗ

температуры происходит в змеевиках из труб диаметром 100–200 мм.

ФРАКЦИОННЫЙ СОСТАВ

Нефть состоит из большого количества разных углеводородов. Их молекулы различаются массой, которая, в свою очередь, определяется количеством составляющих их атомов углерода и водорода. Чтобы получить тот

или иной нефтепродукт, нужны вещества с совершенно определенными

характеристиками, поэтому переработка нефти на НПЗ начинается с ее разделения на фракции.

В одной фракции могут содержаться молекулы разных углеводородов, но свойства большей части из них близки, а молекулярная масса варьируется в определенных пределах. Разделение фракций происходит путем перегонки

и основано на том, что у разных углеводородов температура кипения различается: у более легких она ниже, у более тяжелых — выше. Этот процесс называется перегонкой (дистилляцией).

Основные фракции нефти определяют по интервалам температур, при которой кипят входящие в них углеводороды:

бензиновая фракция — 28–150°C, керосиновая фракция — 150–250°C, дизельная фракция, или газойль, — 250–360°C, мазут — выше 360°C. Например, при температуре 120°C большая часть бензина

Ректификационная колонна

Ректификационная колонна — вертикальный цилиндр, внутри ­которого расположены специальные перегородки (тарелки или насадки). Пары нагретой нефти подаются в колонну и поднимаются вверх. Чем более

легкие фракции испаряются, тем выше они поднимутся в колонне. Каждую ­тарелку, расположенную на определенной высоте, можно рассматривать как своего рода фильтр — в прошедших ее парах остается все меньшее количество тяжелых углеводородов. Часть паров, конденсировавшихся на определенной тарелке или не достигнув ее, стекает вниз. Эта жидкость, носящая название флегмы, встречается с поднимающимся паром, происходит теплообмен, в результате которого низкокипящие составляющие флегмы снова превращаются в пар и поднимаются вверх, а высококипящие составляющие пара конденсиру-

ются и стекают вниз с оставшейся флегмой. Таким образом удается достичь более точного разделения фракций. Чем выше ректификационная колонна и чем больше в ней тарелок, тем более узкие фракции можно получить. На современных НПЗ высота колонн превышает 50 м.

уже испарилась, но керосин и дизельное топливо находятся в жидком состоянии. Когда температура поднимается до 150°C, начинает кипеть и испаряться керосин, после 250°C — дизель.

Существует ряд специфических названий фракций, используемых в нефтепереработке. Так, например, головной пар — это наиболее легкие фракции, полученные при первичной переработке. Их разделяют на газообразную составляющую и широкую бензиновую фракцию. Боковые погоны — это керосиновая фракция, легкий и тяжелый газойль.

ОТ КОЛОННЫ К КОЛОННЕ

Простейшую атмосферную перегонку нефти можно провести путем обычного нагревания жидкости и дальнейшей конденсации паров. Весь отбор здесь заключается в том, что собирается конденсат паров, образовавшихся в разных интервалах температуры кипения: сначала выкипают и затем конденсируются

легкие низкокипящие фракции, а затем средние и тяжелые высококипящие фракции углеводородов. Конечно, при таком способе говорить о разделении на узкие фракции не приходится, так как часть высококипящих фракций переходит в дистиллят, а часть низкокипящих не успевает испариться в своем температурном диапазоне. Чтобы получить более узкие фракции, применяют перегонку с ректификацией, для чего строят ректификационные колонны (см. врез).

Отдельные фракции могут подвергаться и повторной атмосферной перегонке для разделения на более однородные компоненты. Так, из бензинов широкого фракционного состава получают бензольную, толуольную и ксилольную фракции — сырье для получения индивидуальных ароматических углеводородов (бензола, толуола, кси-