Из куба

Два века развития мировой нефтепереработки



Вклад великого химика Дмитрия Менделеева в развитие российской нефтепереработки трудно переоценить

Автомобилизация в США уже к 1900 году привела к образованию на нью-йоркских улицах вполне современных пробок

Установка товарищества братьев Нобель (Альфред и Людвиг, слева направо) устранила все недостатки кубов периодического действия предшественников

В годы «развитого социализма» нефтеперерабатывающая отрасль развивалась в СССР рекордными темпами

Фото: FOTOBANK, FOTOLINK, ИТАР–ТАСС

Современные нефтеперерабатывающие заводы — сложнейшие технологические объекты, использующие сотни процессов, позволяющие получать из нефти широчайший ассортимент продуктов. Путь к этому от первых опытов по перегонке нефти занял два с половиной века.

Текст: Александр Матвейчук

ПЕРЕРАБОТКА: НАЧАЛО

Процесс дистилляции нефти был известен еще в античные времена. В IV веке н.э. он прочно вошел в арсенал алхимиков. Эмпирическая алхимия проложила путь научному эксперименту в Средние века: великий арабский ученый, врач и философ Авиценна проводил многократную дистилляцию нефти, сведения об опытах перегонки в своих работах приводили и арабские ученые XIII века аль-Барави и аль-Казвини. Известный британец Бовертон Редвуд в своем труде «Нефть» рассказывает о строительстве в 1613 году на японских островах установки для перегонки нефти, добываемой из поверхностных выходов в окрестностях Ниицу.

Что касается России, первые сведения о перегонке нефти относятся ко второй четверти XVIII века. 23 апреля 1741 года в лаборатории Петербургской академии наук академик Иоганн Амман завершил анализ «пробной нефти серных Самарских заводов», найденной рудознатцем Яковом Шаханиным, и в своем отчете указал: «Сверх сего можно оную в лампадах вместо светильни употреблять, ежели самые тонкие и легкие ее частицы через дистилляцию отделять». В Государственном архиве древних актов в Москве хранятся документы, рассказывающие о перегонке 40 пудов нефти 19 октября 1748 года первым российским нефтепромышленником Федором Прядуновым. Продукт он использовал как лечебное средство.

Важной вехой в истории отечественного нефтяного дела стало строительство в 1823 году оброчными крепостными крестьянами из Владимирской губернии Василием, Герасимом и Макаром Дубиниными в окрестностях Моздока однокубовой нефтеперегонной установки. Из 40 ведер нефти они получали 16 ведер дистиллята. «Белая нефть» братьев Дубининых поставлялась в основном в аптеки региона в качестве лекарственного препарата.

Дальнейшее развитие нефтеперегонное направление на Северном Кавказе получило в начале 60-х годов XIX века, когда на грозненские нефтяные промыслы обратил внимание бакинский откупщик Иван Мирзоев. В 1864 году в Грозненской балке по проекту изобретателя Джевата Меликова он построил нефтеперегонный завод, на котором ежемесячно перерабатывалось около 36 тыс. пудов нефти.

АПШЕРОНСКИЕ ОПЫТЫ

Еще одним центром развития отрасли стал Апшеронский полуостров. В 1834 году майор Корпуса горных инженеров Николай Воскобойников, занимавший в то время должность директора бакинских и ширванских нефтяных и соляных промыслов, начал здесь опыты по перегонке «легкой» сураханской и «тяжелой» балаханской нефти. Балаханский завод действовал с ноября 1837-го по август 1838 года и за это время произвел свыше 900 пудов «осветительного масла». Но поскольку продукт перегонки нефти не подвергался кислотно-щелочной очистке, то со временем нефтяные кислоты вызывали коррозию стенок железных бочек, что в свою очередь изменяло и цвет продукта и ухудшало его горючие свойства.

Более успешная попытка в совершенствовании технологии переработки нефти была осуществлена на Апшероне в начале 60х годов XIX века. Стартовой площадкой для нее стал завод, построенный в 1859 году вблизи Баку «Закаспийским торговым товариществом» по немецкому проекту, предусматривающему ретортное производство осветительного материала из кира — минеральной породы, пропитанной выветрившейся нефтью. Но выход осветительного продукта — фотонафтиля — был невысок, и в 1862 году производство перевели на переработку нефти с помощью перегонных кубов. Вновь неудачно. Тогда глава фирмы известный предприниматель Василий Кокорев обратился к восходящей звезде российской химической науки Дмитрию Менделееву.

Всего 20 дней провел Менделеев на Апшеронском полуострове, но именно они стали решающими для дальнейшего развития российской нефтяной промышленности. За неполные три недели вместе с магистром фармации Василием Эйхлером они провели серию опытных перегонок, что позволило внести изменения в конструкцию перегонных кубов и внедрить в производство проточные холодильники. Главным результатом стала разработка новой технологии очистки полученного осветительного продукта с использованием щелочи и последующим подкислением соляной кислотой для удаления ее следов. Сураханский завод «стал давать доход, несмотря на то что цены керосина стали падать».

КАК НАЧИНАЛОСЬ МАСЛО

После прямой гонки бакинской нефти выход керосина составлял чуть более 30%, а оставшиеся «нефтяные отбросы» попросту сливались в море или сжигались. С этим не мог смириться талантливый изобретатель и предприниматель Виктор Рагозин. В начале 70х годов XIX века он приступил к проведению опытов по разложению нефтяных остатков. Добившись успеха в дробной перегонке мазута под перегретым паром в лабораторных условиях, весной 1874 года Виктор Рагозин обратился с письмом к министру финансов Российской империи Михаилу Рейтерну, обосновав необходимость проведения опытов по получению смазочных масел в заводских условиях. Дело дошло до императора Александра II, и 6 ноября 1874 года появилось «Высочайшее повеление о производстве опытов на вновь устраиваемых фотогеновых заводах».

В 1875 году в Нижнем Новгороде Виктор Рагозин построил опытный завод, где окончательно отработал технологию получения смазочных масел (названных им «олеонафты») из мазута с помощью перегретого пара. Эту технологию он применил на масляном заводе в Балахне под Нижним Новгородом. Новые смазочные материалы из Балахны быстро получили широкое признание у российского потребителя, а весной 1878 года их ждал невероятный успех на Всемирной выставке в Париже.

Весной 1879 года началось строительство нового завода вблизи села Константиново в Ярославской губернии, а в 1881 году там было создано высокопроизводительное пиролизное производство. К началу 80-х годов XIX века в России насчитывалось уже 19 заводов, перерабатывающих бакинский мазут в смазочные масла.

ДВИЖЕНИЕ К НЕПРЕРЫВНОСТИ

Аппараты периодического действия имели существенные недостатки: низкую производительность, высокое потребление топлива и, главное, в них невозможно было добиться устойчивого разделения нефти на фракции. Сама практика поставила перед российскими учеными и инженерами проблему создания технологии непрерывного процесса перегонки нефти.

Еще в 1874 году бакинский предприниматель Авак Тавризов создал «дистилляционный и ректификационный аппарат». Однако это инновационное изобретение, по существу, прототип нефтеперегонной колонны тарельчатого типа, не было оценено современниками. Более успешную попытку в создании куба непрерывного действия предпринял в 1882–1883 годах Дмитрий Менделеев на Кусковском заводе «Товарищества Русско-американского нефтяного производства» под Москвой. Именно этот аппарат стал основой для дальнейшего развития непрерывного процесса нефтепереработки.

Следующий шаг на этом пути сделали инженер-механик Владимир Шухов и химик Феликс Инчик. В своей установке изобретатели соединили перегонный куб с ректификационной колонной, имевшей девять тарелок для отбора различных по удельному весу дистиллятов. Однако сложность конструкции и дороговизна изготовления послужили препятствием для широкого внедрения установки, основные научные и технические принципы которой, впрочем, впоследствии нашли воплощение при аппаратном оформлении атмосферно-вакуумных и крекинговых установок.

Настоящей прорыв в 1883 году совершили инженеры ведущей российской нефтяной компании «Товарищество нефтяного производства братьев Нобель» во главе с Людвигом Нобелем. Их изобретение «куба усовершенствованной системы для дробной и непрерывной перегонки нефти» было поистине революционным. В многокубовой установке была конструктивно оформлена идея обеспечения непрерывного перетока нефти из одного куба в другой, чтобы при поддерживании в них различной температуры добиться последовательного отгона дистиллятов разного удельного веса. Достаточно быстро кубовая нобелевская батарея, устранившая полностью все недостатки кубов периодического действия, получила широкое распространение не только в России, но и в Западной Европе и в США.

СМЕНА ЛИДЕРА

Что касается Соединенных Штатов, то в конце XIX века уровень нефтепереработки здесь был достаточно низок. Объяснялось это в первую очередь высоким качеством легкой пенсильванской нефти, дававшей после простой атмосферной перегонки в кубе около 80–85% керосинового дистиллята. Американским инженерам просто не нужно было изобретать чтото новое.

Все изменилось в первом десятилетии XX века, когда нефтяная промышленность оказалась перед новой проблемой — бензиновым дефицитом. Развитие автотранспорта и авиации требовало качественного моторного топлива во все возрастающих объемах. В 1908 году в США уже насчитывалось 245 тыс. автомобилей, а к 1914 году их число достигло 1,785 млн. Существовавшая в тот период технология получения бензина методом простой перегонки позволяла получать товарный продукт довольно невысокого качества и в небольших количествах.

К началу Первой мировой войны к внедрению в производство был подготовлен процесс термического крекинга, значительно повысивший глубину переработки нефти. Приоритет в этом, как правило, отдают американским изобретателям, в первую очередь Вильяму Бартону, получившему 7 января 1913 года патент на установку для термического крекинга. Мало кто знает, что русский горный инженер Семен Квитка еще 30 июня 1912 года зарегистрировал многокубовую установку, работавшую непрерывно под давлением с широкой регенерацией тепла, с рециркуляцией крекинг-сырья и дефлегмацией отгона, по сути, первым в мире предложив законченное аппаратное обеспечение технологии жидкофазного термического крекинга. Вильям Бартон заявку на свое изобретение подал только 3 июля 1912 года.

Как бы то ни было, зарубежное нефтяное сообщество выбрало именно американскую крекингустановку, а наступившая кровавая полоса революционного лихолетья и Гражданской войны окончательно поставили крест на технологическом лидерстве России в нефтепереработке. Пока Советская Россия боролась с разрухой, в США развернулось массовое строительство установок жидкофазного термического крекинга — и вскоре страна по объему производства бензина стала недосягаемым мировым лидером. Следующим этапом американского развития стало внедрение в производство установок парофазного термического крекинга, а в 30-е годы прошлого века — установок каталитического крекинга.

И вновь приоритет в этом отдан американскому изобретателю Эжену Гудри. Созданный им технологический процесс шел в стационарном слое природного катализатора — бентонитовой глины, обработанной кислотой, что позволяло обеспечить непрерывную регенерацию катализатора за счет выжигания облагающего кокса. Однако значительно раньше, в 1918 году, русский ученый Николай Зелинский на Кусковском нефтеперегонном заводе под Москвой впервые в мире для промышленного получения бензина применил процесс каталитического крекинга нефтяного сырья с безводным хлористым алюминием в качестве катализатора. Но в тяжелейших условиях Гражданской войны у страны были задачи поважнее.

ЗАГРАНИЦА ПОМОГЛА

Необходимость восстановления после Гражданской войны нефтеперерабатывающих мощностей уже в годы первой пятилетки сменила проблема преодоления технического и технологического отставания — дефицит моторного топлива становился все острее. Опереться на дореволюционные изобретения не удалось: технологии ушли вперед, и советское правительство решило закупать современное оборудование за рубежом. В первую очередь в США, где процесс непрерывной перегонки нефти на кубовых батареях сначала был усовершенствован введением колонной погоно-разделительной аппаратуры (эвапораторы, фракционирующие колонны), которую сменили производительные трубчатые установки.

Первая в СССР трубчатая установка компании «Гревер Корпорейшн» мощностью 450 тыс. тонн сырья в год была введена в эксплуатацию в 1929 году. Всего в 1929–1932 годах в СССР построили 26 американских трубчатых установок. С 1925 года закупались за рубежом и крекинг-установки. Они были просты в эксплуатации, высокопроизводительны и использовали в качестве сырья мазут, что было их несомненным достоинством. В целом за годы первой пятилетки мощность НПЗ страны увеличилась в 1,83 раза — до 20,214 млн тонн нефти в 1932 году.

В предвоенные годы отечественная нефтеперерабатывающая промышленность столкнулась с новыми трудностями. Если в 1931 году доля тяжелой нефти в общесоюзной добыче составляла 22,3%, то в 1934 году — уже 36,3%, а в 1937-м — 53,4%. Возникла необходимость на собственной базе разработать оборудование, способное компенсировать снижение потенциала светлых продуктов за счет более совершенной и глубокой переработки сырья и ректификаций дистиллятов. В 1934 году специалисты института «Нефтепроект» спроектировали мощную нефтеперегонную установку с предварительным испарением бензиновых фракций производительностью 3 тыс. тонн в сутки и извлечением светлых нефтепродуктов не менее 93% от потенциала. Следующим достижением инженеров «Нефтепроекта» стала двухпечная крекинг-установка, которая могла использовать любой сорт мазута без добавления соляровых фракций, раздельно крекировать легкое и тяжелое сырье, а также оснащалась оборудованием для очистки бензина в паровой фазе глинами и стабилизационными колоннами для удаления из бензинов растворенных в них газов. Ее производительность была на 48% выше показателя американской установки фирмы «Винклер-Кох», а по глубине отбора превосходила аналог на 45%.

ВРЕМЯ РОСТА

В годы Великой Отечественной войны главной задачей было обеспечение фронта топливом и смазочными материалами. В тот период в стране стали строиться первые опытные установки каталитического крекинга со стационарным слоем катализатора и реакторами периодического действия.

Первый послевоенный пятилетний план предусматривал ускоренное развитие нефтяной промышленности. Помимо восстановления разрушенных в годы войны предприятий отрасли намечалось строительство четырех современных НПЗ, 16 крекинг-установок. Планы были выполнены, и за 1947–1965 годы в СССР ввели в эксплуатацию 16 новых заводов.

Бурное развитие Урало-Поволжского нефтяного района, получившего название «Второе Баку», потребовало от отрасли разработки методов получения товарных нефтепродуктов из сернистых нефтей. Ответом на этот вызов стала разработка проекта комбинированной установки по переработке нефти мощностью 3 млн тонн в год. В ней совмещались процессы электрического обессоливания и обезвоживания, атмосферная и вакуумная перегонка нефти, термический и каталитический крекинг, коксование нефтяных фракций, адсорбция газов и стабилизация бензиновой фракции. Для высокосернистого сырья дополнительно был разработан технологический процесс гидроочистки реактивного и дизельного топлива.

С 1960 по 1985 год объем переработки нефти в СССР вырос в 3,7 раза и достиг 472 млн тонн в год.

Распад СССР и период перехода к рыночной экономике сопровождался кризисом в отрасли, как и в экономике страны в целом. В сложных политических и экономических условиях была проведена коренная реорганизация отечественной нефтяной промышленности, которая принесла плоды, придав к началу XXI века нефтегазовому комплексу России статус лидера экономического роста российской экономики.


Инфографика: Анна Симонова

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ