Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Термический крекинг, прочно внедрившийся в нефтепереработку более века назад и положивший начало химической переработки нефти, до сих пор не потерял свой актуальности. Именно благодаря этому процессу, мир обязан производством громадного количества бензина улучшенного качества из тяжелых продуктов и становлением нефтехимической промышленности. Этот процесс с начала своего зарождения и по настоящее время находится в постоянном развитии и совершенствовании.

Начав свою историю с примитивной технологии в цилиндрических кубах, далее применяя массивные трудно управляемые реакционные камеры и трубчатые печи различных конструкций, совершенствуя по мере своего развития реакционное, ректификационное, насосное и другое оборудование, процесс термокрекинга на протяжении своей более чем вековой истории достиг значительных достижений в технологии и в аппаратурном оформлении. Современные технологии процесса термического крекинга основаны на применении высокоэффективных печей со змеевиками двухстороннего облучения и высокоэффективных реакционных камер, снабженных рубашкой охлаждения c нисходящим потоком жидкой фазы и восходящим потоком термообработанного сырья, специального оборудования и методов регулирования давления в реакционной камере, исключающих необходимость многоколонного разделения продуктов и т.д. Все это делает процесс термического крекинга в настоящее время экономически и технологически конкурентоспособным и привлекательным [3].

Крекинговое производство, зародившееся в Соединенных Штатах в 1912 г. c небольшой кубовой крекинг-установки Бартона, достигло здесь в конце 1920-х годов огромного развития в связи с возросшим спросом на бензин [5, 6, 18, 20].

За этот период в нефтеперерабатывающую промышленность страны было внедрено чрезвычайно большое количество систем как парофазного, так и жидкофазного крекинга. Наиболее распространёнными представителями парофазного крекинга являлись процессы Гринстрита, Ритмана, Галля, Александра и Холла [4–7, 25].

Крекирование сырья при парофазном крекинге проводилось при высокой температуре и низком давлении или без давления:

– процесс Гринстрита при атмосферном давлении и температуре 650 °С;

– процесс Галля при давлении 5 атм и температуре 600 °С;

– процесс Ритмана при давлении 13–20 атм. и температуре 510 °С.

Процессы в парообразной фазе впервые были предложены в 1910-е годы: процесс Гринстрита в 1911 г., Ритмана – 1912–1916 гг., Александра и Галя – 1914 г., Жиро – 1915 г., Холла – 1917 г. и т.д. [7].

Из жидкофазной группы крекинг-процессов наиболее широко применяемыми были процессы Бартона, Даббса, Дженкинса, Кросса, Кост-Косдена, Синклера, Бентона, Флеминга, Холмса и Манли, Тюб энд Тэнк Стандарда и другие, которые были разработаны в разные годы: Бартона – 1912 г., Дженкинса – 1916 г., Даббса – 1919 г. и т.д. Процессы этой группы осуществлялись при следующих режимах:

– процесс Бартона – температура 380–420 °С и давление 5–6 атм;

– процесс Даббса – температура 440–450 °С и давление 8,4–11,2 атм;

– процесс Дженкинса – температура 400 °С и давление 10,5 атм;

– процесс Кросса – температура 460 °С и давление 42 атм;

– процесс Кост-Косдена – температура 400 °С и давление 5,6 атм;

– процесс Синклера – температура 400 °С и давление 7–7,75 атм;

– процесс Бентона при давлении 120 атм.

Так как на антидетонационные бензины парофазного крекинга в 1920-е годы на рынке еще не существовало спроса, а бензин жидкофазного крекинга более соответствовал существовавшим в то время условиям, в нефтепереработке все большее применение находили системы крекинга в жидкой фазе [22].

Количество строящихся крекинг-установок и применяемых систем крекинга в 1920-е годы в результате широко проводимых в Соединенных Штатах исследований крекинг-процесса с каждым годом быстро увеличивалось.

При обследовании в США в 1926 г. 150 заводов в эксплуатации оказались 33 различные системы крекинг-установок с суточной производительностью 981,2 тыс. барр в сутки. В 1927 г. число заводов с крекинг-установками составило 158 с суточной производительностью 1246 тыс. барр. В 1928 г. число таких заводов снизилось до 148, но объем крекирования на них увеличился до 1327 тыс. барр. в сутки. В начале 1930-х годов крекинговое производство в США насчитывало уже 207 заводов с мощными крекинг-установками и с более чем полусотнями модификаций крекинга производительностью 1829 тыс. барр. в сутки.

В этот период общее число работающих заводов в США составило 388, из которых доля крекинг-заводов составляла более 54 %.

Основной тенденцией развития нефтеперерабатывающей промышленности США в 1930-е годы являлось расширение применения процесса крекинга различных систем. На крекинг-процессы в стране в это время было выдано несколько тысяч патентов [19].

Данные по количеству заводов и крекинг-установок в США в начале 1930-х годов, применявших различные модификации крекинга, приведены в таблице.

По применению на первом месте стояла система Даббса (33 НПЗ), на втором – Кросса (20 НПЗ), на третьем система Бартона (17 НПЗ), далее системы Холмса – Манли (8 НПЗ), Дженкинса (6 НПЗ) и другие [4].

Самые крупные заводы производительностью на 80–117 тыс. барр., применяли системы Тюб энд Тэнк, Айсома и комбинированные системы, такие как Бартон – Кросс, Кросс – Дженкинс, Xолмс – Манли – Кросс и т.д. Комбинированные крекинг-установки применялись на 24 НПЗ [4].

Системы крекинг-установок, применявшиеся на заводах США в начале 1930-х годов

По применению крекинг-установок на НПЗ по различным районам США на первом месте находился штат Техас, на втором Нью-Джерси, на третьем – Калифорния и далее Оклахома, Индиана, Канзас, Луизиана, Иллинойс, Вайоминг, Мериленд, Пенсильвания, Огайо, Южная Каролина и др. [4, 19].

В одном только Западном Техасе насчитывалось 9 новых заводов и 6 строящихся, в составе которых имелись крекинг-установки.

Вне США крекинг-процесс начал развиваться в основном с 1926 г. [7] и особенно широкое внедрение его отмечалось в 1926–1930-е годы в странах Европы, Северной и Южной Америки [4].

В Европе (в Англии, Румынии, Польше) только за полтора года в период 1926–1927 гг. число введенных в эксплуатацию крекинг-установок составило 15 [21].

В основном наибольшее распространение имели системы термокрекинга типа Кросса и Даббса, как наиболее эффективные.

В начале 1930-х годов в Англии, Канаде, Индии, Австралии, Тринидаде и Борнео, Японии и Румынии, на Кюрасао и на Яве насчитывалось до 30 установок системы Даббса, находящихся в эксплуатации или в стадии сооружения [4, 7, 20].

В 1920-е годы в Северной Америке по развитию нефтеперерабатывающей промышленности после США на втором месте находилась Канада, нефтепереработка которой была представлена 16 нефтеперерабатывающими заводами, работающими в основном на нефти импортируемой главным образом из Соединенных Штатов, Мексики, Венесуэлы и Перу.

В 1925–1930 гг. в Канаде сформировался значительный автомобильный парк, который насчитывал к концу 1929 г. 1,168 млн автомобилей, для нормального функционирования которого был необходим бензин в больших объемах.

В 1927 г. производство крекинг-бензина, производимого на канадских заводах, составило 2,1 млн барр в год, в 1928 г. – 3,35 млн барр.

Наиболее крупные нефтеперерабатывающие заводы Канады с крекинг-установками располагались в провинциях Квебек и Онтарио.

В Тринидаде в 1928–1929 гг. были построены крекинг-установки на трех нефтеперерабатывающих заводах. На самом крупном из них – Pointe-a-Pierre, принадлежащем компании «Trinidail Leaseholds» и рассчитанном на переработку 16,0 тыс. барр в сутки, была построена крекинговая установка системы Даббса.

Нефтеперерабатывающая промышленность Аргентины в 1920-е годы была представлена 15 заводами, производительность которых в 1928 г. составила 29,83 тыс. барр в сутки. Завод в г. Ла-Плата, производительностью по нефти 13,0 тыс. барр в сутки, эксплуатировался с 1925 г. и в 1927–1929 гг. был дооборудован крекинг-установками производительностью 5,3 тыс. барр. Благодаря внедрению крекинг-процесса выработка бензина в Аргентине повысилась до 1,56 млн барр в год.

Другими центрами переработки нефти в Аргентине являлись города Комодоро и Кампан. Завод компании «Стандард» имел крекинговую установку производительностью 7 тыс. барр в г. Кампана. Завод Британской железнодорожной компании в этот период заканчивал строительство крекингового отделения на производительность 5,7 тыс. барр. в дополнение к существующей установке производительностью на 3,9 тыс. барр в г. Комодоро.

Перу в 1928–1930 гг. выделялось из всех прочих стран Южной Америки (кроме островов Аруба и Кюрасао) наличием самого крупного и технически хорошо оборудованного завода, принадлежащего обществу «International Petroleum Со» (Стандард). Этот завод, расположенный в г. Талара, перерабатывал 15,0 тыс. барр нефти в сутки с получением всей серии разнообразных продуктов по новейшим технологиям, работавших в Соединенных Штатах. Тяжелые фракции нефти подвергались крекингу на четырех крекинг-установках системы Кросса.

В переработке венесуэльской нефти на островах Голландской Вест-Индии (острова Аруба и Кюрасао) в 1930-е годы были заинтересованы общество «Pan American» (Стандард), «Standard Oil of Indiana», группа «Шелл», общество «Standard of New Jersey» и общество «Gulf Refining Co». Группа «Шелл» в этот период имела основную базу на о. Кюрасао, где еще в 1917 г. был построен завод близ Виллемстада, переоборудованный по новейшей системе. Завод принадлежал филиалу группы «Шелл» – «Curacaosche Petroleum Industrie» и перерабатывал в 1928 г. по 100,0 тыс. барр в сутки, имея 14 крекинг-установок Даббса на 26,0 тыс. барр. В 1929 г. завод был расширен с расчетом на переработку 147,0 тыс. барр в день.

Самым крупным заводом на о. Аруба являлся завод общества «Pan American» на 100,0 тыс. барр в сутки в С. Николас. Этот завод отличался современным по тому времени оборудованием и мощной крекинг-установкой производительностью 85,0 тыс. барр, перерабатывающей весь остаток после отгонки 15 % легких фракций.

Нефть доставлялась с промыслов общества «Lago» в Венесуэле. В 1929 г. общество «Standard of New Jerky» приступило к строительству завода на 2,0 тыс. барр в Амуай, а общество «Gulf Refining» – к строительству такого же завода в Кабинас с выработкой бензина на крекинг-установках.

В США нефтепромышленные круги с некоторой тревогой следили за развитием этого центра переработки. Это было связано с тем, что венесуэльский бензин конкурировал с американским не только на внешних рынках, но и ввозился в Соединенные Штаты. Так в октябре 1929 г. было ввезено 33,0 тыс. барр бензина.

Из всех южноамериканских стран лишь Эквадор обладал тремя небольшими перерабатывающими заводами, которые были расположены в нефтеносном районе Санта-Елена. Общая перерабатывающая способность всех трех заводов не превышала в 1930-е годы и 220 барр в сутки, причем наиболее крупный из этих заводов в Ла-Либертад обладал крекинг-установкой современного типа.

В СССР в это время имелся лишь опыт внедрения и непродолжительной работы опытно-промышленных установок, хотя к началу XX века крекинг-процесс в России был более изучен как с теоретической, так и с химико-технологической стороны и было даже разработано аппаратурное оформление процесса.

Особая роль в этом принадлежала академику В.Г. Шухову, который совместно с инженером С. Гавриловым в 1891 г. предложил к реализации проект первой в мире крекинг-установки. Таким образом, Россия уже в 1891 г. имела приоритет на процесс крекинга, опередив американцев в разработке технологии и схемы процесса более чем на 20 лет [7].

Однако экономические условия для промышленного воплощения этого проекта в России еще не созрели. Потребовалась еще четверть века, в течение которой зародились и получили широкое развитие автомобильная, а затем авиационная промышленности, определившие успех развития крекинг-процесса в России.

Прогрессу в создании отечественных промышленных технологий и систем термокрекинга в начале ХХ века в значительной степени способствовали научные разработки и технические идеи бакинских и грозненских ученых и инженеров.

Внедрение термического крекинга в российскую нефтепереработку начиналось со строительства первых опытно-промышленных установок термокрекинга в Баку.

Первой такой установкой была опытно-промышленная установка термического крекинга нефти по схеме бакинца С.К. Квитко, на которую автору был выдан патент «Способ добывания бензина и иных продуктов из нефти, нефтяных остатков и проч.» еще 30 июня 1912 г., несколько ранее патента Бартона [8, 9].

Строительство опытно-промышленной крекинг-установки системы Квитко в Баку в 1925 г. имело большое значение для развивающейся советской нефтепереработки и показало, что в СССР возможна организация строительства отечественных установок термокрекинга из отечественных материалов [3, 8, 24]. Эта установка явилась первой школой для советских специалистов по освоению технологии термического крекинг-процесса в промышленном масштабе, дала возможность выявить и учесть ряд недостатков в проекте, строительстве и эксплуатации процесса термокрекинга в опытно-промышленных условиях [22].

Вторая опытно-промышленная установка термокрекинга была построена в Баку в 1927 году [9, 12, 13].

Эта установка, разработанная К.В. Костриным, представляла собой непрерывно действующую трубчатую установку так называемого процесса «полукрекинга» [8, 13].

Третья опытно-промышленная установка термического крекинга системы Саханова ‒ Тиличеева была построена в Грозном в 1928 г. [21].

Работа первых бакинских и грозненских опытно-промышленных установок термокрекинга способствовала становлению промышленности крекинга в СССР [3, 23, 16].

Начиная с середины 1920-х годов в развитии ставка отечественного крекинга была сделана на освоение опыта США и Западной Европы [1, 3, 23].

Преобладающей формой проведения крекинга в Советском Союзе были выбраны установки системы Виккерса, Дженкинса и Винклера – Коха, которые в 1926–1931 гг. были закуплены в Америке и в Англии и построены в гг. Баку, Грозном, Туапсе и Батуми [3, 23]. Эти установки были приобретены советским руководством, несмотря на то, что они в своих странах не имели большого применения в нефтепереработке.

Все закупленные установки работали с большими перебоями и в процессе эксплуатации были усовершенствованы советскими специалистами, благодаря чему достигли показателей, особенно по выходу бензина, выше проектных [3, 23].

Несмотря на все свои недостатки, зарубежные установки сыграли весьма важную роль в создании отечественных установок термокрекинга.

Наряду со строительством крекинг-установок зарубежных систем в СССР продолжалась работа по созданию отечественных установок крекинга. Первая в СССР отечественная промышленная крекинг-установка по проекту академика В.Г. Шухова, инженеров М.А. Капелюшникова и Ф. Рустамбекова была построена в Баку в 1930 г. [2, 17]. Эта установка не только сыграла выдающуюся роль в отечественной нефтепереработке как первая советская промышленная крекинг-установка, но и внесла значительный вклад в исследование и становление различных отечественных процессов нефтепереработки и нефтехимии. На ней были исследованы парофазный и жидкофазные системы крекинга, впервые в мировой нефтепереработке – процесс риформинга, впервые газы термокрекинга использованы как сырье для получения амиловых спиртов [10, 14].

Опыт строительства и освоения первых отечественных опытно-промышленных и промышленных установок крекинга, а также опыт работы на зарубежных установках позволил советским специалистам в 1935–1936 гг. создать новые мощные отечественные установки термического крекинга – системы советский «Винклер ‒ Кох», соляровые установки крекинга и двухпечные установки системы Нефтепроекта [3, 11, 23].