Уявити собі сьогоднішній світ без нафти неможливо. Наземний транспорт, авіація, виробництво полімерів - все це критично залежить від «чорного золота». Настільки ж складно собі уявити, що трохи більше століття тому нафту взагалі мало кого цікавила, а сучасних технологій її переробки просто не було.
Перш ніж почати бурити свердловини під нафту, люди були зобов'язані звідкись про неї дізнатися, і дійсно, в світі є місця, де «кам'яне масло» просочується на поверхню. У Стародавньому світі нафту застосовували в будівництві, її використовували як ліки і паливо для світильників. Десь нафту намагалися добувати - наприклад, китайці тисячі півтори років тому бурили свердловини бамбуковими бурами. Сучасна історія нафтовидобутку починається в середині XIX століття, коли в Російській імперії в районі Баку російський інженер Василь Семенов пробурив першу в світі промислову свердловину. Приблизно десять років по тому промисловий видобуток нафти почалася в Пенсільванії (США).
Принципова схема технології Uniflex На схемі показані технологічні етапи процесу Uniflex, який дозволяє переробляти гудрон - важкий залишок перегонки нафти - в цілий набір легких функцій, придатних для подальшого виготовлення моторного палива та інших матеріалів. Устаткування може бути вбудовано в технологічний ланцюжок стандартного виробництва по переробці нафти.
Нефтесамогонщікі
Коли люди додумалися переробляти нафту, точно невідомо, але починаючи з XVIII століття в Європі стали з'являтися підприємства по перегонці нафти в гас. Гас був потрібен як альтернатива китового жиру, який використовувався в якості палива для ламп. Китів повибіло багато, жир горів тьмяно і залишав багато кіптяви, а гас і китам давав жити, і горів яскравіше, і коптив менше. Перегонка нафти на гас стала найпершим і найпримітивнішим способом переробки нафти. Метод зводився до процесу дистиляції, добре відомому всім, хто коли-небудь мав справу з самогонним апаратом. Більш легкі фракції з більш низькою температурою кипіння випаровувалися, а потім конденсировались.
Методом перегонки в XIX столітті стали отримувати і бензин, але це паливо було ще далеко від досконалості. Власне, і сфера застосування для нього була вельми обмежена - бензином заправляли примуси, а продавали його аж ніяк не на спеціальних заправках, а в невеликих ємностях мало не в аптеках. Бензин, отриманий за допомогою дистиляції, володіє низьким октановим числом, тобто мимовільно детонує в циліндрі ДВС навіть при невеликому стисненні. Коли настав XX століття, в небо піднялися перші літаки і почалося масове виробництво автомобілів, стало ясно, що переробляти нафту по-старому вже не можна. Необхідно було підвищувати як вироблення палива з нафти, так і якість цього палива.
Сучасне нафтопереробне виробництво втілює в собі велику кількість різноманітних технічних рішень і технологій, які розроблялися протягом останнього століття.
новатор Карбон
Джессі А. Даббса був родом з Пенсільванії, колишньої, як ми пам'ятаємо, одним з перших місць на Землі, де нафту стали добувати промисловим способом. Його настільки захоплювала нафтохімічна тематика, що навіть сина свого він назвав Carbon (по-російськи «вуглець»). Коли син виріс, він додав собі ще одне ім'я Petroleum ( «нафту») і став Карбоном Петролеум Даббса. У 1914 році Джессі і Карбон Даббса заснували власну компанію. Через кілька років вона отримає назву Universal Oil Products, скорочено UOP, - вплив цієї фірми на світову економіку неможливо переоцінити, бо в кожному літрі бензину промислової вироблення, де б він не був сьогодні зроблений, втілені технології UOP. Батько і син Даббса створили компанію, щоб комерціалізувати патенти в області термокрекінга. Термокрекінг в чистому вигляді являє собою процес розщеплення вуглецевого ланцюга великих молекул на більш короткі ланцюга шляхом розриву зв'язків «вуглець-вуглець» під дією високої температури і тиску. Таким чином, якщо при звичайній перегонці можливо було лише відокремити від маси нафтової сировини більш легкі фракції (наприклад, бензинові), то крекінг дозволяв ці легкі фракції створювати, дроблячи важкі вуглеводневі молекули.
Переробка «важкої нафти» і збільшення вироблення моторних палив - актуальне завдання для країн, де є дефіцит легких сортів, перш за все для Росії.
Не можна сказати, що ідея термокрекінга належить виключно Даббса. Цією ж тематикою займалися, наприклад, і в Російській імперії - свою установку для термокрекінга побудував ще в кінці XIX століття знаменитий інженер і архітектор Володимир Шухов. Проте саме американської компанії було призначено стати одним з провідних в світі розробників технологій нафтопереробки. Але і в UOP теж є російський слід.
Генерал і академік
Видатний російський хімік Володимир Миколайович Іпатов (1867-1952) зробив блискучу наукову кар'єру в Російській імперії, дослужився до генеральського звання, не постраждав і в революцію - влився в нове життя, став радянським академіком. Але до кінця 1920-х атмосфера в країні змінилася, і, побоюючись арешту, Іпатов в 1930 року не повернувся з закордонного відрядження додому. Доля привела його в Чикаго, і тут він влаштувався на роботу в UOP. Русский фахівець виявився цінним надбанням. Його ідеї та розробки в галузі органічного синтезу, тобто синтезу органічних речовин з корисними властивостями, дозволили американській компанії вивести на ринок кілька проривних технологій. У цю епоху активно розвивалася авіація, якій були потрібні компактні потужні двигуни. Але щоб вичавити максимум потужності з ДВС, треба було підвищувати ступінь стиснення паливної суміші в циліндрах і нарощувати температуру. З низькооктанових паливом таке було неможливо. На основі ідей Іпатьєва була створена технологія під назвою платформинг - вона дозволяла підвищити октанове число бензину за рахунок перетворення формують паливо органічних молекул (алканів) в ароматичні вуглеводні. Поява високооктанового палива означало великий крок вперед у розвитку авіації - і не в останню чергу військової, що було вельми актуально напередодні Другої світової війни. Володимир Іпатов прожив в Америці більше 20 років, помер в 1952 році і був похований російською кладовищі в Чикаго, але його ідеї отримали подальший розвиток.
На подив ювелірів
«Коли в 1950-ті роки ми запропонували використовувати для переробки нафти платину, - говорить Норм Гілсдорф, директор корпорації Honeywell (куди входить зараз UOP) по швидко розвиваються регіонах, - на нас дивилися як на божевільних. До того часу платину використовували тільки в ювелірному ремеслі. Але нам вона здалася дуже цікавим матеріалом. Цей каталізатор дозволяв перетворювати довгі вуглецеві ланцюжка в многоцепочечние і замкнуті молекули. Нам вдалося підняти октанове число палива до 75 ».
Історія компанії UOP показує, що починаючи з тих часів, коли людство перестало задовольнятися прямою перегонкою нафти в гас або бензин, переробка вуглеводневої сировини була і залишається високотехнологічної галуззю, постійно вимагає нових рішень. Бензин з октановим числом 75 зовсім не був межею мрій автомобільної промисловості. Нові двигуни вимагали палива, яка не детонував б при сильному стисненні. Проміжним рішенням став свинець. Справа в тому, що октанове число палива можна підвищити не тільки трансформацією складових бензин молекул, але і за допомогою антидетонаційних присадок. Додавання в бензин свинцю начебто вирішувало проблему, проте свинець - метал з токсичними властивостями, і його щоденні викиди в атмосферу не обіцяли нічого хорошого. Крім того, свинцева присадка дуже швидко виводила з ладу каталітичні нейтралізатори, які стали встановлювати на автомобілях для зниження рівня шкідливих викидів. Зрештою, світ практично відмовився від свинцевих добавок.
Перші промислові свердловини для нафтовидобутку були пробурені в середині XIX століття в Російській імперії і США. В ті часи сфера застосування нафтопродуктів була невелика, а технології переробки нафти залишалися примітивними.
«Коли став зрозумілим шкоду свинцю, розповідає Норм Гілсдорф, - наші фахівці знову організували мозковий штурм. В результаті ми вийшли з новою, більш досконалою технологією платформинга. Вона дозволила нам отримувати бензин з октановим числом 107-108 і лише на основі органічного синтезу. Зрозуміло, паливо з таким показником автомобільних двигунів не потрібно. Однак тут ми маємо можливість отримувати ароматичні вуглеводні, які є прекурсорами для виробництва різного роду пластиків - цим напрямком наша компанія теж активно займається. Але зменшити октанове число під стандарти моторного палива не проблема. Бензин став більш екологічним і вже не уявляє перешкоди для застосування каталітичних нейтралізаторів ».
Вичавити все з гудрону
Нафта, як відомо, не є продуктом зі стандартними параметрами. За мільйони років, поки вона формувалася із залишків рослин і планктону, з нею відбувалися різні метаморфози. В одних випадках - в пастці з непроникних гірських порід - в суміші збереглася велика кількість легких фракцій. В інших випадках легкі фракції випарувалися або були з якихось причин втрачено. Залежно від чинників формування нафту може мати різну щільність і підрозділяється на легку, середню і важку. Більш щільні і важкі сорти нафти складно добувати, але також складно переробляти. Ця проблема особливо актуальна для Росії, де родовища легкої нафти (в основному на півдні країни) практично вироблені.
Таким чином, перед російської та світової нафтопереробної промисловістю стоїть проблема найбільш ефективного використання важкого сировини з максимальним виходом моторного палива. Ця проблема позначається англійським виразом «bottom-of-the-barrel» (можна перекласти як «дно бочки» або «залишок бареля»), і для її вирішення створюються нові технології. UOP, яка реалізує різного роду проекти в нашій країні, має в своєму портфелі кілька рішень, серед яких Uniflex - технологія переробки так званого вакуумного залишку, інакше званого гудроном. У гудрону точка кипіння вище 500 °, тому при перегонці саме він залишається після википання всіх інших фракцій (бензинової, гасової, дизельної та ін.). Гудрон, як відомо, широко використовується для виробництва будівельних бітумів, але при необхідності його також можна перетворювати в моторне паливо. Спочатку вихідний матеріал піддається нагріванню в присутності водню, потім водень віддаляється, і сировину переміщується в реактор, де взаємодіє з каталізатором.
Каталізатор - це і є головне ноу-хау всього процесу. Застосовуються дві групи каталізаторів - металеві і цеолітні. Металеві - як правило, на основі платини - перетворять молекулярні ланцюжки, змінюючи їх розмір і форму, цеолітні (на основі алюмосилікатів) розщеплюють ланцюжка, перетворюючи важкі фракції в легені. Отримана в результаті рідина розділяється на фракції, які піддаються подальшій переробці. В даний час технологія Uniflex ліцензована для шести промислових майданчиків в світі. У 2016 році перша установка почне роботу на одному з НПЗ в Китаї, ще одне провадження через деякий час почне працювати і в Росії.
Стаття «Як препарувати нафту» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №2, Березень 2015 ).