Секреты «черного золота»: как перерабатывают нефть в XXI веке

Когда люди додумались перерабатывать нефть, точно неизвестно, но начиная с XVIII века в Европе стали появляться предприятия по перегонке нефти в керосин. Керосин был нужен как альтернатива китовому жиру, который использовался в качестве топлива для ламп. Китов повыбили много, жир горел тускло и оставлял много копоти, а керосин и китам давал жить, и горел ярче, и коптил меньше. Перегонка нефти на керосин стала самым первым и самым примитивным способом переработки нефти. Метод сводился к процессу дистилляции, хорошо известному всем, кто когда-либо имел дело с самогонным аппаратом. Более легкие фракции с более низкой температурой кипения испарялись, а затем конденсировались.

Методом перегонки в XIX веке стали получать и бензин, но это топливо было еще далеко от совершенства. Собственно, и сфера применения для него была весьма ограничена — бензином заправляли примусы, а продавали его отнюдь не на специальных заправках, а в небольших емкостях чуть ли не в аптеках. Бензин, полученный с помощью дистилляции, обладает низким октановым числом, то есть самопроизвольно детонирует в цилиндре ДВС даже при небольшом сжатии. Когда наступил XX век, в небо поднялись первые самолеты и началось массовое производство автомобилей, стало ясно, что перерабатывать нефть по старинке уже нельзя. Необходимо было повышать как выработку топлива из нефти, так и качество этого топлива.

Джесси А. Даббс был родом из Пенсильвании, бывшей, как мы помним, одним из первых мест на Земле, где нефть стали добывать промышленным способом. Его настолько увлекала нефтехимическая тематика, что даже сына своего он назвал Carbon (по-русски «углерод»). Когда сын вырос, он добавил себе еще одно имя Petroleum («нефть») и стал Карбоном Петролеумом Даббсом. В 1914 году Джесси и Карбон Даббсы основали собственную компанию. Через несколько лет она получит название Universal Oil Products, сокращенно UOP, — влияние этой фирмы на мировую экономику невозможно переоценить, ибо в каждом литре бензина промышленной выработки, где бы он ни был сегодня произведен, воплощены технологии UOP. Отец и сын Даббсы создали компанию, чтобы коммерциализировать патенты в области термокрекинга. Термокрекинг в чистом виде представляет собой процесс расщепления углеродной цепи крупных молекул на более короткие цепи путем разрыва связей «углерод-углерод» под действием высокой температуры и давления. Таким образом, если при обычной перегонке возможно было лишь отделить от массы нефтяного сырья более легкие фракции (например, бензиновые), то крекинг позволял эти легкие фракции создавать, дробя тяжелые углеводородные молекулы.

Нельзя сказать, что идея термокрекинга принадлежит исключительно Даббсам. Этой же тематикой занимались, например, и в Российской империи — свою установку для термокрекинга построил еще в конце XIX века знаменитый инженер и архитектор Владимир Шухов. Тем не менее именно американской компании было суждено стать одним из ведущих в мире разработчиков технологий нефтепереработки. Но и в UOP тоже есть русский след.

Выдающийся русский химик Владимир Николаевич Ипатьев (1867−1952) сделал блестящую научную карьеру в Российской империи, дослужился до генеральского звания, не пострадал и в революцию — влился в новую жизнь, стал советским академиком. Но к концу 1920-х атмосфера в стране поменялась, и, опасаясь ареста, Ипатьев в 1930 году не возвратился из зарубежной командировки домой. Судьба привела его в Чикаго, и здесь он поступил на работу в UOP. Русский специалист оказался ценным приобретением. Его идеи и разработки в области органического синтеза, то есть синтеза органических веществ с полезными свойствами, позволили американской компании вывести на рынок несколько прорывных технологий. В эту эпоху активно развивалась авиация, которой требовались компактные мощные двигатели. Но чтобы выжать максимум мощности из ДВС, надо было повышать степень сжатия топливной смеси в цилиндрах и наращивать температуру. С низкооктановым топливом такое было невозможно. На основе идей Ипатьева была создана технология под названием платформинг — она позволяла повысить октановое число бензина за счет преобразования формирующих топливо органических молекул (алканов) в ароматические углеводороды. Появление высокооктанового топлива означало большой шаг вперед в развитии авиации — и не в последнюю очередь военной, что было весьма актуально в преддверии Второй мировой войны. Владимир Ипатьев прожил в Америке более 20 лет, умер в 1952 году и был похоронен на русском кладбище в Чикаго, но его идеи получили дальнейшее развитие.

«Когда в 1950-е годы мы предложили использовать для переработки нефти платину, — говорит Норм Гилсдорф, директор корпорации Honeywell (куда входит сейчас UOP) по быстроразвивающимся регионам, — на нас смотрели как на сумасшедших. До того времени платину использовали только в ювелирном ремесле. Но нам она показалась очень интересным материалом. Этот катализатор позволял превращать длинные углеродные цепочки в многоцепочечные и замкнутые молекулы. Нам удалось поднять октановое число топлива до 75».

История компании UOP показывает, что начиная с тех времен, когда человечество перестало довольствоваться прямой перегонкой нефти в керосин или бензин, переработка углеводородного сырья была и остается высокотехнологичной отраслью, постоянно требующей новых решений. Бензин с октановым числом 75 вовсе не был пределом мечтаний автомобильной промышленности. Новые двигатели требовали топлива, которое не детонировало бы при сильном сжатии. Промежуточным решением стал свинец. Дело в том, что октановое число топлива можно повысить не только трансформированием составляющих бензин молекул, но и с помощью антидетонационных присадок. Добавление в бензин свинца вроде бы решало проблему, однако свинец — металл с токсичными свойствами, и его каждодневные выбросы в атмосферу не сулили ничего хорошего. Кроме того, свинцовая присадка очень быстро выводила из строя каталитические нейтрализаторы, которые стали устанавливать на автомобилях для снижения уровня вредных выбросов. В конце концов, мир практически отказался от свинцовых добавок.

«Когда стал ясен вред свинца, рассказывает Норм Гилсдорф, — наши специалисты вновь организовали мозговой штурм. В результате мы вышли с новой, более совершенной технологией платформинга. Она позволила нам получать бензин с октановым числом 107−108 и лишь на основе органического синтеза. Разумеется, топливо с таким показателем автомобильным двигателям не требуется. Однако здесь мы имеем возможность получать ароматические углеводороды, которые являются прекурсорами для производства разного рода пластиков — этим направлением наша компания тоже активно занимается. Но уменьшить октановое число под стандарты моторного топлива не проблема. Бензин стал более экологичным и уже не представляет препятствия для применения каталитических нейтрализаторов».

Нефть, как известно, не является продуктом со стандартными параметрами. За миллионы лет, пока она формировалась из остатков растений и планктона, с ней происходили разные метаморфозы. В одних случаях — в ловушке из непроницаемых горных пород — в смеси сохранилось большое количество легких фракций. В других случаях легкие фракции испарились или были по каким-то причинам утрачены. В зависимости от факторов формирования нефть может иметь разную плотность и подразделяется на легкую, среднюю и тяжелую. Более плотные и тяжелые сорта нефти сложно добывать и также сложно перерабатывать. Эта проблема особенно актуальна для России, где месторождения легкой нефти (в основном на юге страны) практически выработаны.

Таким образом, перед российской и мировой нефтеперерабатывающей промышленностью стоит проблема наиболее эффективного использования тяжелого сырья с максимальным выходом моторного топлива. Эта проблема обозначается английским выражением «bottom-of-the-barrel» (можно перевести как «дно бочонка» или «остаток барреля»), и для ее решения создаются новые технологии. UOP, которая реализует разного рода проекты в нашей стране, имеет в своем портфеле несколько решений, среди которых Uniflex — технология переработки так называемого вакуумного остатка, иначе называемого гудроном. У гудрона точка кипения выше 500°, поэтому при перегонке именно он остается после выкипания всех прочих фракций (бензиновой, керосиновой, дизельной и проч.). Гудрон, как известно, широко используется для производства строительных битумов, но при необходимости его также можно превращать в моторное топливо. Первоначально исходный материал подвергается нагреванию в присутствии водорода, затем водород удаляется, и сырье перемещается в реактор, где взаимодействует с катализатором.

Катализатор — это и есть главное ноу-хау всего процесса. Применяются две группы катализаторов — металлические и цеолитные. Металлические — как правило, на основе платины — преобразуют молекулярные цепочки, меняя их размер и форму, цеолитные (на основе алюмосиликатов) расщепляют цепочки, превращая тяжелые фракции в легкие. Получившаяся в результате жидкость разделяется на фракции, которые подвергаются дальнейшей переработке. В настоящее время технология Uniflex лицензирована для шести промышленных площадок в мире.