Не секрет, що бензин отримують з нафти. Однак більшість автолюбителів навіть не задаються питанням про те, як відбувається цей процес перетворення нафти в паливо для їх улюбленого автотранспорту. Він називається крекінгом, з його допомогою нафтопереробні заводи отримують не тільки бензин, а й інші необхідні в сучасному житті нафтохімічні продукти. Цікава історія виникнення цього способу переробки нафти. Винахідником цього процесу і установки вважається російський вчений, а сама установка для цього процесу дуже проста і гранично зрозуміла навіть не розбирається в хімії людині.
Що являє собою крекінг
Чому так називається крекінг? Це слово походить від англійського cracking, що позначає розщеплення. По суті це процес переробки нафти, а також входять до її складу фракцій. Він проводиться для того, щоб отримати такі продукти, які мають більш маленьку молекулярну масу. До таких відноситься змащувальне масло, моторне паливо та інше подібне. Крім цього, в результаті такого процесу виробляється продукція, необхідна у використанні хімічної і нафтохімічної галузей.
Крекінг алканів включає відразу кілька процесів, серед яких конденсація і полімеризація речовин. Підсумком цих процесів стає освіта нафтового коксу і фракції, закипаючою при дуже високій температурі і званої крекінг-залишку. Температура кипіння цієї речовини становить більше 350 градусів. Слід зазначити, що, крім зазначених процесів, що відбуваються і інші – циклізація, ізомеризація, синтез.
Винахід Шухова
Крекінг нафти, його історія починається в 1891 році. Тоді інженер Шухов В. Р. і його колега Гаврилов С. П. винайшли промислову установку для безперервного термічного крекінгу. Це була перша установка подібного роду в світі. Винахідники відповідно до законів Російської Імперії запатентували її в уповноваженому органі своєї країни. Звичайно ж, це була експериментальна модель. Пізніше, через майже чверть століття, технічні рішення Шухова були покладені в основу промислової установки для крекінгу в Сполучених Штатах. А в Радянському Союзі перші такі установки в промисловому масштабі стали виготовляти і випускати на заводі «Радянський крекінг» у 1934 році. Цей завод розташовувався в Баку.
Спосіб англійського хіміка Бартона
На початку двадцятого століття у нафтохімічну галузь неоціненний внесок зробив англієць Бартон, який займався пошуком способів і рішень для одержання бензину з нафти. Їм був знайдений абсолютно ідеальний спосіб, тобто реакція крекінгу, в результаті якої виходило найбільшу кількість легких бензинових фракцій. До цього англійський хімік займався переробкою нафтопродуктів, в числі яких був мазут, для отримання гасу. Вирішивши проблему з отриманням бензинових фракцій, Бартон запатентував свій спосіб отримання бензину.
У 1916 році спосіб Бартона був застосований в промислових умовах, а всього через чотири роки після цього більше восьмисот його установок вже щосили працювали на підприємствах.
Загальновідома залежність температури закипання речовини від тиску на нього. Тобто, якщо тиск на якусь рідину досить високе, то, відповідно, буде високою, і температура її закипання. При зниженні тиску на це речовина, воно може закипіти вже при більш меншій температурі. Саме ці знання використав хімік Бартон, домагаючись найбільш кращою температури, щоб сталася реакція крекінгу. Ця температура складає від 425 до 475 градусів. Звичайно, при такому високому температурному впливі на нафту вона буде випаровуватися, а працювати з пароподібними речовинами досить складно. Тому головним завданням англійського хіміка стало недопущення закипання і випаровування нафти. Він став проводити весь процес під високим тиском.
Установка для крекінгу
Пристрій Бартона складалося з кількох елементів, в числі яких був котел, функціонуючий під високим тиском. Виготовлений він був з досить товстої сталі, розташований над топкою, та, в свою чергу, була укомплектована димогарних трубою. Вона була спрямована вгору до водяного колектора-охолоджувачу. Потім весь цей трубопровід прямував до ємності, призначеної для збору рідини. Внизу резервуара розміщувалася розгалужена труба, кожна трубка якої мала контрольний вентиль.
Як здійснювався крекінг
Крекінг-процес відбувався наступним чином. Котел заповнювався нафтопродуктом, зокрема, мазутом. Поступово мазут нагрівався за рахунок топки. Коли температура доходила до ста тридцяти градусів, вмісту котла видалялася (випаровувалася) наявна в ньому вода. Проходячи по трубі і охолоджуючись, ця вода потрапляла у збірний резервуар, а звідти знову по трубі йшла вниз. В цей же час в котлі тривав процес, під час якого з мазуту зникали інші складові – повітря й інші гази. Вони проходили той же шлях, що і вода, прямуючи в трубопровід.
Позбувшись від води і газів, нафтопродукт був готовий до подальшого крекінгу. Піч растапливали сильніше, температура її і котла повільно підвищувалася, поки не досягала 345 градусів. У цей час відбувалося випаровування легких вуглеводнів. Проходячи по трубі до охолоджувача, вони навіть там залишалися в стані газу, на відміну від водяних парів. Потрапивши в збірну ємність, ці вуглеводні слідували в трубопровід, так як випускний вентиль закривався і не давав їм піти в канаву. Вони поверталися через трубу знову в ємність, а потім знову повторювали весь шлях, не знаходячи виходу.
Відповідно, з часом їх ставало все більше і більше. Підсумком було зростаюче тиск в системі. Коли це тиск доходило до п’яти атмосфер, легкі вуглеводні вже були нездатні випаровуватися з котла. Вуглеводні, стискаючись, підтримували рівномірний тиск в котлі, трубопроводі, збірної ємності і холодильнику. Одночасно починалося з-за високої температури розщеплення важких вуглеводнів. В результаті вони перетворювалися на бензин, тобто в легкий вуглеводень. Його освіта починало відбуватися приблизно при 250 градусах, легкі вуглеводні при розщепленні випаровувалися, утворювали конденсат в охолоджувальній камері, що збирається в збірному резервуарі. Далі по трубі бензин перетікав у підготовлені ємності, в яких тиск було зниженим. Такий тиск сприяло видалення газоподібних елементів. З плином часу такі гази віддалялися, а готовий бензин переливався в потрібні резервуари або баки.
Чим більше легких вуглеводнів випаровувалося, тим більш пружним і стійким до температурного впливу ставав мазут. Тому після перетворення половини вмісту котла в бензин подальша робота припинялася. Допомагав у встановленні кількості отриманого бензину спеціально встановлений в установку лічильник. Пічка гасилася, трубопровід перекривався. Вентиль трубопроводу, який з’єднував його з компресором, навпаки, відкривався, пари переміщалися в цей компресор, тиск у ньому було менше. Паралельно з цим перекривалася труба, що веде до отриманого бензину, щоб обірвати зв’язок його з установкою. Подальші дії полягали в очікуванні охолодження котла, зливанні з нього речовини. Для подальшого використання після цього котел зачищался від нальоту коксу, і можна було проводити новий крекінг-процес.
Етапи переробки нафти і установка Бартона
Слід зазначити, що можливість розщеплення нафти, тобто крекінг алканів, вже давно була помічена вченими. Однак вона не застосовувалася при звичайній перегонці, так як це розщеплення в такій ситуації було небажаним. Для цього в процесі був задіяний перегрітий пар. З його допомогою нафту не расщеплялась, але випаровувалася.
За весь час свого існування нафтопереробна галузь пережила кілька етапів. Так, з шістдесятих років XIX століття до початку минулого століття нафту піддавалася переробки з метою отримання тільки гасу. Він був тоді матеріалом, речовиною, з допомогою якого люди отримували освітлення в темний час. Примітно, що під час такої переробки, одержувані з нафти полегшені фракції, вважалися відходами. Вони виливалися в канави і знищувалися спалюванням або іншим способом.
Установка крекінгу Бартона і його метод послужили основним етапом всієї нафтопереробної сфери. Саме цей спосіб англійського хіміка дозволив домогтися більш високого результату отримання бензину. Вихід цього продукту нафтопереробки, а також інших ароматичних вуглеводнів зріс у кілька разів.
Потреба в застосуванні крекінгу
На початку двадцятого століття бензин був, можна сказати, непотрібним продуктом нафтопереробки. Автотранспорту, працюючого на цьому виді палива, у той час було дуже мало, тому і паливо не було затребувано. Але з плином часу автопарк країн неухильно зростав, відповідно, потрібен, і бензин. Тільки за перші десять-дванадцять років двадцятого століття потреба в бензині зросла в 115 разів!
Одержуваний шляхом простої перегонки бензин, а, точніше, його обсяги не задовольняли споживача, так і самих виробників. Тому було вирішено застосовувати крекінг. Це дозволило наростити темп виробництва. Завдяки цьому вдалося збільшити кількість бензину для потреб держав.
Трохи пізніше було встановлено, що крекінг нафтопродуктів можна було проводити не лише на мазуті або солярці. В якості вихідної сировини для цього цілком була придатна і сира нафта. Також виробниками та фахівцями у цій галузі було визначено, що бензин, отриманий способом крекінгу, був більш якісним. Зокрема, при його використанні в автомобілях вони працювали більш справно і довше звичайного. Це було пов’язано з тим, що отриманий шляхом крекінгу бензин зберігав деякі вуглеводні, згоряють при звичайній перегонці. Ці речовини, в свою чергу, при використанні в двигунах внутрішнього згоряння мали властивість запалюватися і горіти більш плавно, в результаті двигуни працювали без вибухів палива.
Каталітичний крекінг
Крекінг – це процес, який можна розділити на два види. Він застосовується для вироблення палива, наприклад, бензину. В одних випадках може проводитися шляхом простої термічної обробки нафтопродуктів – термічний крекінг. В інших же випадках можливе здійснення цього процесу не тільки за допомогою високої температури, але і з додаванням каталізаторів. Такий процес називається каталітичним.
Використовуючи останній зазначений спосіб переробки, виробники отримують високооктановий бензин.
Вважається, що цей вид є найбільш важливим процесом, який забезпечує найбільш глибоку і якісну переробку нафти. Установка каталітичного крекінгу, впроваджена в промисловість в тридцятих роках минулого століття, дозволила отримати виробникам безсумнівні переваги для всього процесу. До таких можна віднести експлуатаційну гнучкість, відносну простоту суміщення з іншими процесами (деасфальтизация, гідроочищення, алкирование тощо). Саме завдяки цій універсальності можна пояснити значну частку використання каталітичного крекінгу в усьому обсязі переробки нафти.
Сировину
В якості сировини при каталітичному крекінгу використовується вакуумний газойль, який представляє собою фракцію, має межі кипіння від 350 до 500 градусів. При цьому остаточна точка кипіння встановлюється по-різному і залежить від вмісту металів. Крім того, на даний показник впливає і коксуемость сировини. Вона не може бути більше трьох десятих відсотка.
Попередньо потрібно і проводиться гидроочистка такої фракції, в результаті якої видаляються всілякі сірчисті з’єднання. Також гидроочистка дозволяє знизити коксуемость.
У деяких відомих на нафтопереробному ринку компаній існує кілька здійснюваних ними процесів, при яких відбувається крекінг важких фракцій. До них можна віднести коксуемый до шести-восьми відсотків мазут. Крім цього, сировиною можуть бути залишки гідрокрекінгу. Самим, напевно, рідкісним і, можна сказати, екзотичним сировиною вважається прямогонний мазут. Подібна установка (технологія мілісекунд) є в Республіці Білорусь на Мозирському нафтопереробному заводі.
Буквально до останнього часу, коли використовувався каталітичний крекінг нафтопродуктів, застосовувався аморфний кульковий каталізатор. Він представляв собою трьох-пятимиллиметровые кульки. Зараз же для цієї мети застосовуються каталізатори крекінгу об’ємом не більше 60-80 мкм (цеолитсодержащий микросферический каталізатор). Складаються вони з цеолитного елемента, розташованого на алюмосилікатної матриці.
Термічний спосіб
Зазвичай, термічний крекінг використовується для переробки нафтопродуктів, якщо потрібно отримати в результаті продукт з малою молекулярною масою. Наприклад, до таких можна віднести неграничні вуглеводні, нафтовий кокс, легкі моторні палива.
Напрям цього способу переробки нафти знаходиться в залежності від молекулярної маси і природи сировини, а також безпосередньо від умов, при яких відбувається сам крекінг. Це було підтверджено хіміками з плином часу. Одними з найголовніших умов, які впливають на швидкість і напрямок протікання термічного крекінгу, вважаються температура, тиск і тривалість процесу. Останній отримує видиму фазу при триста–триста п’ятдесят градусах. При описі цього процесу використовується кінетичне рівняння крекінгу першого порядку. На результат крекінгу, а точніше, на склад його продуктів впливає зміна тиску. Причиною цього є зміна швидкості та характеристик вторинних реакцій, до яких належать, як уже згадувалося раніше, полімеризація і конденсація, якими супроводжується крекінг. Рівняння реакції термічного процесу виглядає так: С20Н42 = С10Н20 + С10 Н22. Впливає на підсумок і результат ще об’єм реактивів.
Потрібно зауважити, що крекінг нафти, здійснюваний перерахованими способами, не є єдиним. У виробничій діяльності нафтопереробні підприємства використовують і багато інші види цього процесу переробки. Так, у певних випадках використовується так званий окислювальний крекінг, здійснюваний з використанням кисню. Застосовується у виробництві і електричний крекінг. З допомогою цього методу виробники отримують ацетилен шляхом пропускання крізь електрика метану.
