Литературная Газета 6440 ( № 47 2013)

Катализаторы – мастера волшебных превращений нефтехимии

Кто хоть раз был в современной нефтехимической лаборатории, наверняка ощутил себя неофитом, попавшим в лавку волшебника, приручившего могучих джиннов, совершающих по его команде поистине волшебные превращения, благодаря которым создаётся супертехнократический мир ХХI века. Такое ощущение особенно сильно, когда вникаешь в тайны каталитических процессов глубокой переработки нефти. И главную роль в них играют катализаторы.

Ускоряют, но не участвуют

Катализатором называется вещество, помогающее протеканию химической реакции, но не изменяющееся в ходе неё.

Скорость протекания химической реакции можно значительно увеличить, если добавить вещество, которое участвует в этой реакции, но при этом само не расходуется. Чтобы лучше это понять, представим себе работу брокера по операциям с недвижимостью. Брокер находит и собирает вместе людей, желающих продать какое-либо имущество, и людей, желающих его купить, таким образом способствуя его продаже и передаче другому владельцу. При этом сам брокер в ходе сделки ничего реально не покупает и не продаёт. Так же и катализатор, или фермент, способствует протеканию реакции между двумя веществами, но к концу реакции остаётся в первоначальном виде.

Пожалуй, самый известный катализатор находится в вашем автомобиле, в каталитическом нейтрализаторе отработавших газов. Он представляет собой мелкоячеистую металлическую сетку, сделанную из палладия и платины, через которую пропускаются выхлопы из автомобильного двигателя. Эти металлы катализируют ряд химических взаимодействий. Во-первых, они абсорбируют окись углерода (CO), окись азота (NO) и кислород, причём каждая молекула NO распадается на составляющие её атомы. CO соединяется с атомом кислорода, образуя диоксид углерода, а атомы азота соединяются, и получаются молекулы азота. В то же время избыток кислорода даёт возможность углеводородам, не до конца сгоревшим в автомобильных цилиндрах, полностью окислиться до диоксида углерода и воды. Вот так выхлопные газы, которые содержат окись углерода (смертельный яд) и вещества, приводящие к кислотным дождям, а также несгоревшие фрагменты исходных молекул бензина, превращаются в относительно безвредную смесь диоксида углерода, азота и воды.

Чтобы понять действие катализаторов, необходимо знать, что для взаимодействия сложных органических молекул недостаточно их простого контакта. Чтобы реакция протекала, определённые атомы в сближающихся молекулах должны быть правильно сориентированы друг относительно друга (так же как ключ определённым образом должен быть вставлен в замок), только тогда смогут образоваться химические связи. То есть для химических процессов, протекающих в биологических системах, чрезвычайно важную роль играет пространственная геометрия.

В химии крайне мала вероятность того, что две сложные молекулы, предоставленные сами себе, случайно окажутся друг относительно друга в правильной ориентации, необходимой для взаимодействия. Чтобы такая реакция протекала с ощутимой скоростью, нужна помощь молекул определённого типа - катализатора, который притягивает к себе две другие молекулы и удерживает их в правильном положении, чтобы взаимодействие состоялось. Как только реакция произошла, катализатор освобождается и повторяет те же действия с другим набором молекул.

Что такое нефть

С точки зрения химической науки нефть – это сложная многокомпонентная взаиморастворимая смесь газообразных, жидких и твёрдых углеводородов с примесью серы, азота, кислорода и некоторых металлов. По своему составу нефти из различных месторождений весьма различны.

По химическому составу нефти различных месторождений весьма разнообразны. Эти различия обусловливаются:

l) геологическими и биохимическими условиями нефтеобразования;

2) возрастом нефти;

3) термобарическими условиями в пласте, глубиной залегания пласта;

4) воздействием на нефть микроорганизмов и других факторов.

Средневековые нефтяники

"Роснефть" реализует масштабную программу модернизации нефтеперерабатывающих заводов

Цеолит

В этой связи речь можно вести лишь о составе, молекулярном строении и свойствах «среднестатистической» нефти. Менее всего колеблется элементный состав нефтей: 82–87% углерода, 12–16,2% водорода; 0,04–0,35%, редко до 0,7% кислорода, до 0,6% азота и до 5 и редко до 10% серы. Кроме названных, в нефтях обнаружены в небольших количествах очень многие элементы, в том числе металлы (Са, Mg, Fe, Al, Si, V, Ni, Na и другие).

Поскольку нефть представляет собой смесь углеводородов и иных соединений, то обычными методами перегонки не удаётся разделить их на индивидуальные соединения со строго определёнными физическими константами, в частности температурой кипения при данном давлении. Принято разделять нефть и нефтепродукты путём перегонки на отдельные компоненты, каждый из которых является менее сложной смесью. Такие компоненты называют фракциями, или дистиллятами. В условиях лабораторной или промышленной перегонки отдельные нефтяные фракции отгоняются при постоянно повышающейся температуре кипения. Следовательно, нефть и её фракции характеризуются не температурой кипения, а температурными пределами начала кипения и конца кипения.

Как перерабатывают нефть

Нефть, получаемая из скважин, или как её называют, сырая нефть, как правило, не используется. Из неё получают бензин, дизельное топливо, различные масла – вот они-то и нужны нам. Необходимых в промышленности и быту нефтепродуктов очень много, а значит, много и способов переработки нефти.

Переработка нефти происходит на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ). Первичная переработка состоит в перегонке, в результате которой получают светлые (бензин, керосин, реактивное и дизельное топливо) и тёмные (мазут, вакуумные дистилляты, гудрон) нефтепродукты. Отметим, что ещё до первичной переработки нефть попадает на обессоливающую и обезвоживающую установку (ЭЛОУ), где удаляются также и механические примеси.

При переработке нефти образуется изрядное количество нефтезаводских газов самого разного строения. Эти газы отправляют на газофракционирующие установки для разгонки, где они разделяются.

Как правило, первичной переработки нефти недостаточно, в ней остаётся много вредных примесей вроде серы и различных смол.

И поэтому нефть отправляют на вторичную переработку. Применение вторичных процессов переработки улучшает качества всех светлых фракций – повышает антидетонационные качества бензинов, улучшает термическую стабильность реактивных топлив, снижает количество серы в дизтопливе.

Вторичная переработка даёт также сырьё для нефтехимических производств.

В числе важнейших процессов вторичной переработки нефти – гидрокаталитические процессы, которые невозможны без присутствия эффективных катализаторов.

Что такое гидрокатализ

Гидрокаталитические процессы происходят в водородной среде в присутствии катализаторов. Гидрокаталитические процессы наиболее распространены в качестве вторичных процессов переработки нефти. А такие их разновидности, как каталитический риформинг и гидроочистка, производятся на любом НПЗ, особенно при переработке высокосернистых нефтей.

По специфичности каталитического действия гидрокаталитические процессы можно классифицировать следующим образом:

1. Гидрокаталитическое реформирование (переработка) нефтяного сырья.

Основной целью этих процессов является повышение октанового числа бензинов или получение индивидуальных ароматических или лёгких изопарафиновых углеводородов.

2. Каталитические гидрогенизационные процессы облагораживания нефтяного сырья.

Эти процессы предназначены для удаления из нефтяного сырья гетероорганических соединений.

3. Каталитические процессы деструктивной гидрогенизации (гидрокрекинг) нефтяного сырья.

Это прежде всего селективный гидрокрекинг нефтяного сырья (топливных фракций, масел, гидравлических жидкостей) с целью повышения октановых чисел автобензинов и получения низкозастывающих нефтепродуктов путём гидродепарафинизации.

А также лёгкий гидрокрекинг вакуумных газойлей и низкооктановых бензинов соответственно для гидроподготовки сырья каталитического крекинга с одновременным получением дизельных фракций и для повышения содержания изопарафиновых углеводородов в бензинах;

Кроме того – глубокий гидрокрекинг дистиллятного сырья (вакуумных газойлей) и нефтяных остатков с целью углубления переработки нефти.

А также гидродеароматизация реактивных топлив и масляных дистиллятов.

Гидрогенизационные каталитические процессы в современной мировой нефтепереработке получили среди вторичных процессов наибольшее распространение, а такие как каталитический крекинг и гидроочистка, являются процессами, обязательно входящими в состав любого НПЗ, особенно при переработке сернистых и высокосернистых нефтей. Это обусловлено:

– непрерывным увеличением в общем балансе доли сернистых и высокосернистых нефтей;

– ужесточением требований по охране природы и к качеству товарных нефтепродуктов;

– развитием каталитических процессов с применением активных и селективных катализаторов, требующих предварительного глубокого гидрооблагораживания (например, для процессов каталитического риформинга и крекинга).

Катализаторы создаются в лаборатории

Катализаторы для гидрокаталитических процессов – это в основном так называемые цеолиты.

Главная особенность цеолитов – это их мезопористая структура, то есть наличие внутренних полостей и каналов.

Мировая наука назвала природные цеолиты минералом ХХI века. В отличие от большинства других минералов цеолиты обладают уникальными физико-химическими свойствами: они устойчивы к действию высоких температур, агрессивных сред, ионизирующих излучений, проявляют селективность к крупным катионам тяжёлых металлов. Высокая сорбционная способность и молекулярно-ситовой эффект обуславливают широкий диапазон использования этого материала в промышленности и сельском хозяйстве.

Конечно же, природные цеолиты не годятся для применения в нефтепереработке и нефтехимии. Усилия учёных направлены на разработку искусственных, то есть созданных в лаборатории высокоэффективных катализаторов для риформинга и гидроочиски нефти.

В лабораториях РН-ЦИР учёные «Роснефти» успешно исследуют эти и ряд других направлений синтеза современных и эффективных катализаторов для выработки новейших сортов топлива и моторных масел.