Гидрокрекинг

Гидрокрекинг — это технологический процесс переработки нефтяного сырья, заключающийся в расщеплении (крекинге) длинных углеводородных цепочек на более короткие и лёгкие в присутствии водорода, а также под высоким давлением и температурой. Относится к классу вторичных процессов нефтепереработки, направленных на углубление переработки нефти, то есть увеличение выхода светлых нефтепродуктов (бензина, керосина, дизельного топлива) из тяжёлых фракций (вакуумного газойля, мазута, гудрона). Гидрокрекинг сочетает в себе химические реакции каталитического крекинга и гидрирования, что позволяет не только уменьшить молекулярную массу углеводородов, но и насытить их водородом, удаляя серу, азот, кислород и металлы.

История

Разработка процессов гидрокрекинга началась в 1920-х годах в Германии в рамках поиска методов получения синтетического жидкого топлива из угля (процесс Бергиуса — Пьера). Первые промышленные установки гидрогенизации угля были запущены в 1930-х годах. Однако ключевой импульс развитие гидрокрекинга получило в 1950–1960-х годах в США и Западной Европе, когда возникла потребность в переработке всё более тяжёлых и сернистых сортов нефти, а также в увеличении выхода дизельного топлива и авиационного керосина. В СССР первые промышленные установки гидрокрекинга были построены в 1970-х годах на Новоуфимском и Омском нефтеперерабатывающих заводах. К концу XX века гидрокрекинг стал одним из стандартных процессов в мировой нефтепереработке, особенно в странах, ориентированных на глубокую переработку нефти (США, Россия, Китай, страны Персидского залива).

Химические основы

Процесс гидрокрекинга протекает в присутствии гетерогенных катализаторов (обычно на основе оксидов или сульфидов кобальта, молибдена, никеля, вольфрама, нанесённых на пористый носитель — оксид алюминия или цеолит) при температуре 350–450 °C и давлении водорода 5–20 МПа (50–200 атмосфер). Основные химические реакции:

Крекинг — разрыв связей C–C в длинных углеводородных цепях с образованием более коротких молекул (алканов, алкенов, циклоалканов).
Гидрирование — присоединение водорода к ненасыщенным соединениям (алкенам, ароматическим углеводородам), что предотвращает образование кокса и смол.
Гидрообессеривание — удаление серы в виде сероводорода (H₂S).
Гидроденитрификация — удаление азота в виде аммиака (NH₃).
Гидродеметаллизация — удаление металлов (ванадия, никеля), которые отравляют катализатор.

В результате гидрокрекинга сырьё превращается в смесь углеводородов с температурой кипения от 30 до 360 °C, пригодных для дальнейшего компаундирования (смешения) в товарные нефтепродукты.

Классификация

Гидрокрекинг классифицируют по нескольким признакам.

По типу сырья

Гидрокрекинг вакуумного газойля — наиболее распространённый вариант, сырьём служит фракция, выкипающая в интервале 350–550 °C.
Гидрокрекинг мазута — переработка остатка атмосферной перегонки (выше 350 °C), требует более жёстких условий и предварительной подготовки.
Гидрокрекинг гудрона — переработка самого тяжёлого остатка (выше 500 °C), часто в комбинации с другими процессами (висбрекинг, коксование).
Гидрокрекинг остатков каталитического крекинга — рециркуляция тяжёлых фракций, образующихся в других процессах.

По жёсткости процесса

Мягкий гидрокрекинг — проводится при умеренных температуре (350–400 °C) и давлении (5–10 МПа), направлен в основном на улучшение качества сырья (снижение серы, азота, металлов) без глубокого расщепления. Выход лёгких фракций невысок (до 20–30 %).
Глубокий (жёсткий) гидрокрекинг — осуществляется при более высоких температуре (400–450 °C) и давлении (10–20 МПа), обеспечивает конверсию сырья в светлые продукты на 70–95 %.
Селективный гидрокрекинг — направлен на получение определённых фракций, например, избирательное расщепление длинноцепочечных парафинов для улучшения низкотемпературных свойств дизельного топлива.

По типу катализатора

Сульфидные катализаторы (CoMo, NiMo, NiW) — наиболее распространены, работают в сульфидной форме, устойчивы к сере и азоту.
Цеолитные катализаторы — содержат кислотные центры, обеспечивают более высокую селективность по изомеризации и крекингу.
Биметаллические катализаторы — сочетают два активных металла (например, NiMo или CoMo) для улучшения активности и стабильности.

Технологическая схема

Типовая установка гидрокрекинга включает следующие основные блоки:

Блок подготовки сырья — нагрев, фильтрация от механических примесей, смешение с водородсодержащим газом (ВСГ).
Реакторный блок — один или несколько последовательно соединённых реакторов с неподвижным слоем катализатора. Реакции протекают в газожидкостной фазе при высоком давлении.
Блок сепарации — разделение продуктов реакции на газовую фазу (водород, сероводород, аммиак) и жидкую фазу (углеводороды). Газ направляется на очистку и рециркуляцию водорода.
Блок фракционирования — ректификационная колонна для разделения жидких продуктов на фракции: бензиновую (н.к.–180 °C), керосиновую (180–240 °C), дизельную (240–360 °C) и остаток (выше 360 °C).
Блок очистки водорода — удаление сероводорода (аминовая очистка) и аммиака (водная промывка) из рециркулирующего газа.
Блок регенерации катализатора — периодическое выжигание кокса с поверхности катализатора (обычно 1–2 раза в год).

Применение

Основные продукты гидрокрекинга и их применение:

Дизельное топливо — основная целевая фракция (до 60–70 % выхода). Отличается низким содержанием серы (менее 10 ppm), высоким цетановым числом (50–55) и улучшенными низкотемпературными свойствами. Используется как компонент товарного дизеля.
Авиационный керосин — фракция 180–240 °C, соответствует стандартам Jet A-1 (ГОСТ 10227-2013). Применяется в реактивных двигателях.
Бензиновая фракция — содержит высокооктановые компоненты (изоалканы, циклоалканы), используется как компонент товарного бензина или сырьё для риформинга.
Сжиженные углеводородные газы (пропан, бутан) — побочный продукт, применяется как топливо или сырьё для нефтехимии.
Остаток гидрокрекинга — тяжёлая фракция (выше 360 °C), используется как компонент котельного топлива, сырьё для каталитического крекинга или коксования.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокий выход светлых нефтепродуктов (до 90–95 % из тяжёлого сырья).
Возможность переработки низкокачественного сырья (высокосернистого, с высоким содержанием металлов).
Получение продуктов с улучшенными экологическими характеристиками (низкое содержание серы, ароматики, азота).
Гибкость по сырью и продуктам — возможность переключения между режимами получения дизеля, керосина или бензина.

Недостатки

Высокие капитальные затраты на строительство установок (стоимость реакторов, компрессоров, теплообменников).
Значительные эксплуатационные расходы — потребление водорода (до 2–3 % от массы сырья), энергозатраты на сжатие и нагрев.
Необходимость в источниках водорода (обычно получают из природного газа паровой конверсией метана).
Чувствительность катализаторов к отравлению металлами и коксом, требующая периодической регенерации.

Гидрокрекинг в России

В России гидрокрекинг является одним из ключевых процессов углублённой переработки нефти. Крупнейшие установки гидрокрекинга эксплуатируются на НПЗ компаний «Роснефть», «Лукойл», «Газпром нефть», «Сургутнефтегаз». Например, на Омском НПЗ (входит в «Газпром нефть») в 2010-х годах была введена в строй установка гидрокрекинга вакуумного газойля мощностью 2,5 млн тонн в год. В 2020-х годах в рамках программы модернизации российской нефтепереработки (до 2025 года) запланировано строительство и реконструкция установок гидрокрекинга на ряде заводов. Развитие процесса в России стимулируется требованиями Технического регламента Таможенного союза «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу» (ТР ТС 013/2011), которые ограничивают содержание серы в топливе до 10 ppm.

Перспективы развития

Современные тенденции в развитии гидрокрекинга включают:

Создание катализаторов с повышенной активностью и селективностью — наноразмерные частицы, цеолиты с контролируемой пористостью.
Внедрение процессов с кипящим слоем катализатора (H-Oil, LC-Fining) — для переработки остаточного сырья с высоким содержанием металлов и кокса.
Интеграция с процессами гидроочистки и риформинга — для снижения энергопотребления и повышения выхода целевых продуктов.
Использование водорода из возобновляемых источников (электролиз воды) — для снижения углеродного следа процесса.
Разработка процессов селективного гидрокрекинга — для получения базовых масел (смазочных материалов) с улучшенными вязкостными свойствами.

Источники

Ахметов С. А. Технология глубокой переработки нефти и газа. — Уфа: Гилем, 2002.
Гуревич И. Л. Технология переработки нефти и газа. — М.: Химия, 2001.
Магарил Р. З. Теоретические основы химических процессов переработки нефти. — М.: Химия, 1985.
Смидович Е. В. Технология переработки нефти и газа. — М.: Химия, 1980.
ГОСТ Р 54283-2010 «Топлива нефтяные. Гидрокрекинг. Термины и определения».

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →