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.
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.
Ксения Дорохова
технолог Московского НПЗ
Если нефтеперерабатывающий завод не выпускает мазут, то глубина переработки нефти близка к 100%. Если 10% поступающей нефти превращается в мазут, то глубина переработки приближается к 90%.
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.
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.
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%.