Нефтеперерабатывающая промышленность
Нефтеперерабатывающая промышленность крайне важна для Сибири и России.
Значительная часть добываемой в России нефти, а именно 65%, вывозится за рубеж. Если Россия будет перерабатывать нефть внутри страны, это значительно увеличит валютные поступления, так как экспортная цена нефтепродуктов на 50% выше цены на сырую нефть. Однако глубина переработки нефти в России является низкой и составляет около 70%, в то время как в развитых странах достигает 95%. Это связано с общей научно-технической отсталостью. Себестоимость добычи нефти в России также высока: в 3-4 раза выше, чем в Персидском заливе, и вдвое выше, чем в европейских странах. Средний коэффициент нефтеотдачи со скважин составляет 35-50%. При этом экологические требования к качеству топлива, в том числе идущего на экспорт, постоянно ужесточаются.
Сырье и общие методы переработки
Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов. В ее состав входят алканы (часто около 50% или более), которые являются наиболее ценными и служат основой для бензина и мазута. Также присутствуют циклические углеводороды, такие как циклопентан и циклогексан, и арены, а также неуглеродные соединения — кислородные, азотные соединения, минеральные соли и вода. Из нефти получают разнообразные продукты, включая топливо, керосин, растворители, смазочные масла, твердые углеводороды (например, парафин и вазелин), а также сырье для органического синтеза, такое как этилен, пропилен и бензол. Для переработки нефти используются два основных метода: первичные и вторичные. Первичные методы направлены на разделение нефти на компоненты или смеси компонентов, наиболее распространенным из которых является прямая перегонка. Вторичные методы, называемые в основном крекингом, включают химические превращения углеводородов под действием высокой температуры, давления и катализаторов. В целом на НПЗ может насчитываться до пятидесяти технологических процессов для получения таких продуктов, как асфальт, смазки, кокс и сжиженный нефтяной газ.
Первичная переработка
Прямая перегонка нефти основывается на разнице в температуре кипения компонентов и проводится при атмосферном давлении. Основными элементами оборудования являются трубчатые печи и ректификационные колонны. Трубчатые печи, например, шатрового типа, передают теплоту сырью за счет радиации от факела и конвекции. Сырье поступает в печь при температуре 180–230 градусов, а на выходе его температура зависит от фракционного состава. Нагретая до 300 градусов смесь, которая представляет собой частично испаренную жидкость, подается в нижнюю часть ректификационной колонны, которая считается сердцем НПЗ. В колонне давление снижается, и легкие фракции нефти быстро испаряются и поднимаются вверх. Мазут, который не выкипает, сливается внизу. Продукты отбираются по мере их движения в колонне: бензин, лигроиновая фракция, керосиновая фракция, солярка (дизельное топливо). Керосин применяется в качестве топлива для реактивных двигателей и как сырье для лаков и красок. Мазут, который является котельным топливом, может быть дополнительно обработан вакуумной перегонкой для получения гудрона, используемого для асфальта, или масляных фракций, которые являются сырьем для вторичной переработки, в том числе для получения кокса и смазочных масел. При фракционировании нефти образуются отходы, включающие воду с примесями сульфидов, хлоридов и фенола, а также нефть и эмульсию. Современные заводы используют поверхностные конденсаторы для избежания загрязнения, которое возникало при использовании устаревших барометрических конденсаторов.
Вторичная переработка
Вторичные методы включают крекинг, при котором крупные молекулы расщепляются на более мелкие. Распад парафиновых углеводородов происходит по радикальному цепному механизму. Термический крекинг проводится при высокой температуре (450–550°С) и высоком давлении (до 70 атмосфер). Он превращает тяжелые фракции (например, мазут) в более легкие, такие как бензин, однако выход бензина при этом невысок. Этот процесс выделяет фенол и аммиак, поэтому требуется применение замкнутых циклов водооборота. Каталитический крекинг считается лучшим методом, обеспечивая высокий выход бензина с высоким октановым числом. Он проводится в паровой фазе при температуре 450–500°С и давлении всего одна атмосфера. Катализаторами служат алюмосиликаты или цеолиты, на поверхности которых ароматические углеводороды адсорбируются и расщепляются. В результате процессов ароматизации, изомеризации и образования газообразных продуктов повышается октановое число бензина. Еще один важный процесс — каталитический риформинг, который используется не для расщепления, а для улучшения низкооктанового бензина. Он направлен на создание ароматических углеводородов, например, путем дегидрирования шестичленных нафтенов и ароматизации парафинов. В этом процессе используются дорогие катализаторы, такие как платина и рений. Так как мышьяк, сера и азот отравляют платиновые катализаторы, перед риформингом обязательно проводится очистка от серы. Риформинг проводится в среде водорода при давлении до 4 МПа и температуре порядка 500°С или 800°С. Это позволяет получать высокооктановые бензины (до 100%).
Финальная обработка
Перед риформингом для защиты платиновых катализаторов осуществляется гидроочистка, главной целью которой является удаление серы. Сырье подогревают до 350°С и подают в реактор с катализатором и водородом, где проходят реакции очистки. Затем продукты охлаждают, отделяют избыточный водород и обрабатывают паром для удаления сероводорода. В качестве последнего высокотемпературного процесса на НПЗ может применяться пиролиз, при котором происходит расщепление связей углеводородов. Пиролиз, который чаще всего осуществляется на бензине, превращает алканы в алкены, такие как этилен и пропилен. Этилен и пропилен затем широко используются в органическом синтезе для производства полимеров (полиэтилен, полипропилен), этилового спирта, винилхлорида и других продуктов. Пиролиз считается относительно дешевым способом производства этилена.