Сколько топлива и других полезных продуктов можно получить из тонны нефти

Представьте себе гору компьютерных чипов. Если разделить их по типу, то одни отправятся на завод по производству смартфонов, другие — внутрь умных часов, третьи станут вычислительной мощью ноутбуков. Так и сырая нефть содержит десятки важных и нужных человечеству компонентов: их отделяют друг от друга, превращая в продукты, которыми мы пользуемся каждый день.

Завод вчера и сегодня

Отправимся на Московский нефтеперерабатывающий завод (МНПЗ), куда ежегодно поступает более 12 миллионов тонн нефти. За 40 лет эта цифра подросла в 1,25 раза (на три миллиона тонн), а соотношение получаемых из углеводородного сырья продуктов и их число выросло в 1,5 раза. Это значит, что переработка стала эффективней: из того же объема сырой нефти получается больше полезных продуктов.

Самыми востребованными на рынке нефтепродуктами по сей день остаются светлые: бензин, керосин и дизельное топливо. Спрос на мазут — темный продукт — сегодня сокращается: его используют как топливо для судов и тепловых электростанций, но все реже и в меньших количествах. Поэтому показателем эффективности или глубины нефтепереработки для завода является количество оставшегося мазута — чем его меньше, тем глубже считается переработка сырой нефти.

Отделить рок-группу от оркестра

Нефть состоит из множества органических веществ с примесью неорганических, например серы. Основные нефтепродукты — это тоже смеси, но не такие многокомпонентные.

Самые легкие составляющие нефти — это газы вроде пропана и бутана. Их молекулы в атомном мире были бы рок-группами: в молекуле пропана, например, всего три атома углерода. Самые тяжелые составляющие нефти — вязкие смолистые вещества — целые «оркестры», молекулы которых слеплены из 18–35 атомов углерода. Между рок-группами и оркестрами располагаются углеводороды-«ансамбли», содержащие до 11 атомов углерода — из таких молекул состоит бензин и дизельное топливо.

В сырой нефти компоненты бензина, керосина и других продуктов содержатся в готовом виде, их нужно только выделить. Это делают на первой стадии переработки нефти — перегонке.

Перегонка — это ступенчатое нагревание нефти. В основе этого процесса лежат химические свойства молекул: температура кипения и испарения легких компонентов меньше, чем у тяжелых. Сначала нефть нагревают до 30 градусов, отделяют от нее газы (пропан, бутан, пропилен), которые затем собирают и сжижают. После этого оставшуюся нефть продолжают плавно нагревать до 80 градусов, когда вскипают и испаряются компоненты бензина с наименьшим содержанием углерода. Эти пары тоже собирают и конденсируют. Затем наступает черед компонентов бензина с температурой кипения 80–180 градусов: нефть становится почти вдвое горячее кипятка в вашем чайнике (вода кипит при 100 градусах). При дальнейшем нагревании отделяется керосин, а затем дизельное топливо.

Компоненты бензина после перегонки нужно облагородить: очистить от серы, азота, кислорода, а затем подвергнуть химическим превращениям: изомеризации и риформингу. При изомеризации молекулы меняют структуру: атомы в них выстраиваются по-новому. Это увеличивает октановое число бензина, чтобы топливо не воспламенялось в камере сгорания двигателя раньше времени. Риформинг позволяет снизить количество парафинов и нафтенов и повысить долю ароматических соединений. Благодаря этому двигатель легко заводится в морозы, а автомобиль резво разгоняется.

После перегонки в нефти остается достаточно компонентов, которые можно превратить в светлые продукты. Но если нагревать дальше, начнутся нежелательные химические реакции. Поэтому вторая остановка на пути превращения нефти в светлые продукты — вакуумная перегонка.

Сила пустоты

На уроках физики детям показывают любопытный опыт. Под стеклянным колпаком стоит стакан с водой, из-под колпака откачивают воздух, и вода вскипает при комнатной температуре. Дело в том, что при падении давления температура кипения жидкости снижается. Этим и пользуются при вакуумной перегонке нефти. В вакууме можно испарить и отделить вещества, которые не кипят при атмосферном давлении. Из современных установок можно откачать больше газообразных углеводородов, чем 40 лет назад, то есть создать в них более высокий вакуум и повысить эффективность переработки.

В ходе вакуумной перегонки нефть разделяется на легкий вакуумный газойль, тяжелый вакуумный газойль и гудрон. И легкий, и тяжелый газойль — желтые жидкости легче воды, но молекулы тяжелого газойля длиннее, чем у легкого. Гудрон — черная смолистая масса, на грани между очень вязкой жидкостью и твердым веществом. Из него делают битум, который используется при строительстве дорог, создании кровельных и других строительных материалов.

Легкий газойль после очистки в основном идет на производство дизельного топлива. Тяжелый газойль в чистом виде не используется: его превращают в бензин с помощью крекинга.

Обрывки молекул

В процессе крекинга (от английского cracking — расщепление) длинные молекулы тяжелого газойля рвутся на несколько более коротких — составляющих бензина. Чтобы молекулы разорвались, оставшуюся после перегонки нефть нагревают в присутствии цеолитного катализатора. Это вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само при этом в ней не участвует.

«Цеолитный катализатор — это материал с пористой структурой, его можно сравнить с губкой. Такая конфигурация нужна для увеличения поверхностной площади катализатора. Чем она больше, тем на большее число реакций может повлиять катализатор», — рассказывает технолог Ксения Дорохова.

Примерно 54% смеси, попавшей на каталитический крекинг, превращается в бензин. Малая доля приходится на газы и дизельное топливо. Все остальное — мазут, состоящий из тяжелых многоатомных молекул.

Можно ли сделать крекинг таким, чтобы мазута не оставалось совсем? Да, если увеличить температуру. Но тогда начнут разваливаться молекулы бензина, а основным продуктом станут газы. Температура крекинга подобрана так, чтобы выход востребованного нефтепродукта — бензина — был максимальным.

В 1980 году на Московском НПЗ выпускали сухой лед и изделия из полипропилена: от садового инвентаря до приборных панелей для автомобилей. Сейчас эти производства остановлены ради выпуска более востребованных продуктов.

До чего дошел прогресс

40 лет назад из тонны нефти получали только 173 килограмма бензина, сегодня почти в полтора раза больше — 241 килограмм. Все благодаря более глубокому вакууму при вакуумной перегонке: в 1980-м эту технологию еще не применяли, как и установку для крекинга с использованием катализаторов, — ее построили в 1983-м.

Изменение процесса облагораживания бензина привело к появлению премиального бензина с октановым числом 100: его стали выпускать в 2020 году.

Выход дизельного топлива увеличился с 205 до 327 килограммов. В основном это продукт перегонки нефти, но свой вклад вносят и вакуумная перегонка, и крекинг. Технологии производства дизельного топлива зависят от времени года. Зимой на МНПЗ выпускают зимнее дизельное топливо с низкой температурой замерзания, меняя структуру парафиновых углеводородов, — благодаря этому они не кристаллизуются и не твердеют на холоде.

Еще один полезный продукт нефтепереработки — смесь пропана и пропилена, изготавливаемая с помощью крекинга. После перехода на каталитический крекинг производство этой смеси выросло с двух килограммов на тонну нефти до 12.

Несколько иначе производится авиационный керосин. Это продукт прямой перегонки нефти: ни вакуумная перегонка, ни крекинг в его производстве не участвуют. Тем не менее, выход продукта по сравнению с 1980 годом увеличился с 45 до 71 килограммов на тонну нефти.

Из тяжелого остатка крекинга на МНПЗ производят 15 марок битума, от кровельных до дорожных. В битум превращается 129 килограммов из каждой тонны нефти, а в 1980 году было 28 килограммов — больше из мазута извлечь не получалось. Сорок два года назад при переработке тонны нефти на Московском НПЗ получалось 440 килограммов мазута, сегодня гораздо меньше — 173 килограмма. Все остальное превращается в более ценные продукты.

К 2025 году на заводе планируют построить комплекс глубокой переработки нефти, который поможет расщеплять ее тяжелые компоненты. Из самых неуступчивых веществ будут делать кокс, который применяется в металлургии, а глубина переработки нефти достигнет почти 100%.